弹簧-负载倒立摆系统三维动态平衡控制仿真研究

弹簧-负载倒立摆(Spring-Loaded Inverse Pendulum,SLIP)是足式奔跑跳跃运动的动力学等效模型,也是高性能足式机器人的控制模板。考虑其在三维环境中受到外部扰动的情形,提出一种动态平衡控制方法,主要包括SLIP系统的飞行相弹簧腿摆角控制与着地相机身姿态调整,以及系统能量调节。采用ADAMS-Simulink联合仿真手段,分别针对连续外力扰动与瞬时冲击扰动的情形,对控制方法进行验证,同时将该方法扩展应用于多关节足式机器人单腿平衡运动问题。结果表明,所提出的平衡控制方法能够快速有效地实现三维动态稳定运动。

足式机器人弹簧负载倒立摆模型控制方法研究

将足式机器人运动模型简化成具有集中质量的机体和无质量的腿两部分,运用三分控制算法(弹跳高度、前进速度和机体姿态)对弹簧负载倒立摆模型进行控制,通过ADAMS与MATLAB的联合仿真结果表明该三分控制算法能够对弹簧负载倒立摆模型实现有效的控制,对足式机器人动力学控制具有重要的意义。

基于自激原理的负载倒立摆的摆起与稳摆

本文提出了基于自激原理的倒立摆摆起方法,推导出了自激摆起的幅值条件和相位条件,对能量摆起法进行了一定程度上的优化。将此方法应用于负载倒立摆系统,获得了很好的摆起效果。同时本次研究中还使用了线性二次型最优控制算法(LQR法)、Q学习法实现负载倒立摆的稳摆控制。通过仿真与实物实验,证实该方案在负载倒立摆控制中具有稳定,高效,硬件负担小,可重复性强的优点,为大负载倒立摆的摆起与实际应用打下了良好的基础。

基于双弹簧负载倒立摆模型的步态模拟

利用双弹簧负载倒立摆模型模拟出双足在各类体育运动项目中走、跑、跳的稳定步态,并适配出合适的模型参数。基于质点动力学建立双弹簧负载倒立摆模型在各种状态(相)下的动力学方程,分析各相间的切换条件,利用MATLAB求解各相的动力学方程,并对解进行条件判断,从而变相循环。在给定初始条件下,通过适配合适的模型参数,可以稳定地模拟出双足前进时的走、跑、跳等步态。

液压足式机器人单腿等效模型的柔顺性弹跳研究

基于弹簧负载倒立摆的足式机器人单腿等效模型是移动机器人领域重要的步态分析模型.液压足式机器人由于其超强的负载能力以及高动态性能而越来越受到重视.液压驱动的弹簧负载倒立摆模型作为液压足式机器人关节型机械腿的单腿等效模型,对于液压足式机器人的步态研究具有重要的意义.本文考虑液压驱动的弹簧负载倒立摆单腿等效模型的单自由度弹跳问题,提出了一种基于主动柔顺的弹跳控制方法,依次对单腿等效模型着地相下降阶段和着地相上升阶段进行独立控制,仿真分析了相关系统参数对弹跳性能的影响,实际弹跳实验表明本文提出的方法能够减小着地冲击力,同时能够对弹跳高度进行有效控制.

液压四足机器人的跳跃步态控制

针对液压四足机器人的跳跃步态控制问题,依据弹簧负载倒立摆(spring-loaded inverted pendulum,SLIP)模型理论对四足机器人跳跃过程进行分析,采用解耦的控制思想,将运动控制分为水平运动控制、竖直运动控制和机身姿态控制,通过在腾空相对触地角的调整实现水平方向上速度的控制,在触地相进行能量补偿与机身俯仰姿态调整,完成对跳跃步态的控制,并在仿真软件中建立虚拟样机进行仿真分析,得出跳跃运动过程中的运动速度、跳跃高度和足端弹簧所受力的大小。最后在液压四足机器人平台上进行验证,证明了该方法可以实现四足机器人稳定的周期跳跃运动。

变长度弹性伸缩腿双足机器人半被动起步行走仿人控制

传统双足机器人行走使用轨迹跟踪控制,而人类行走大部分时间处于被动状态。针对半被动变长度弹性伸缩腿双足机器人从静止状态开始起步行走的问题,提出了一种起步行走仿人控制方法。首先,使用串联弹性驱动双足弹簧负载倒立摆(B-SLIP)模型;然后,利用拉格朗日方法建立行走动力学方程,并利用模型的自稳定性在双支撑阶段采用能量误差比例积分(PI)反馈控制与惰性控制方法控制后腿伸缩,在单支撑阶段采用摆动腿回摆方法控制机器人的高度和前向速度。仿真结果表明,所提出的控制策略可使双足机器人在水平面上实现起步行走过程,并且对应的控制系统对于外部周期扰动力具有抗干扰能力。

变刚度半被动双足机器人行走的仿人控制

研究了变刚度半被动双足机器人行走控制问题。采用仿人的行走控制策略,使用变刚度双足弹簧负载倒立摆模型,利用模型自稳定性,在双支撑阶段调整后腿刚度使机器人的能量保持在期望能量附近,在单支撑阶段调整摆动腿落地位置控制质点的高度和前向速度。仿真结果表明:本文采用的控制策略可以实现双足机器人在水平面上的稳定行走,无扰动时可以使机器人实现零输入的被动周期行走,有外部扰动时腿部变刚度控制可使机器人总能量恢复平衡并重新进入稳态行走,控制系统具有鲁棒性。

基于三次贝塞尔曲线的轨迹规划方法

四足机器人在复杂环境下既能够实现静态行走,又能够以动态方式高速运动,具有较高的研究价值。而足端轨迹研究则是四足机器人运动的基础。对四足机器人建立了简化模型,并对单腿的运动学和动力学进行建模。然后在运动学上根据弹簧负载倒立摆模型选取落脚点,轨迹上选取三次贝塞尔曲线进行改进由弹簧负载倒立摆模型和三次贝塞尔曲线生成足端轨迹,弹簧负载倒立摆模型获取足端落地平衡点保证机器人支撑相与摆动相切换时的平稳。

基于摄动理论的SLIP模型解析化研究及其运动控制

弹簧负载倒立摆(spring loaded inverted pendulum,SLIP)模型动力学分析缺乏有效解析化处理手段,为此提出一种基于摄动理论的SLIP模型支撑相动力学近似解求解方法.建立了飞行相顶点高度的Poincare映射,从而获得了SLIP模型动力学完整的解析化描述,通过误差分析验证了基于近似解析解的顶点高度预测值具有良好的数值逼近精度.在此基础上针对SLIP弹跳系统的运动控制,设计了基于Poincare逆映射的SLIP系统顶点高度无差拍控制器,并进行了阶跃期望轨迹跟踪实验.实验结果表明:本文所提出的算法具有快速跟踪期望轨迹的控制效果,同时可以有效抑制系统超调.此外,对质心水平速率实验曲线的分析证明算法在控制弹跳速率与高度间具有等效性,扩展了算法的应用范围.

四足机器人跳跃步态控制方法

针对四足机器人的奔跑控制问题,提出一种基于跳跃(Bound)步态的奔跑控制方法,通过腿部的快速小幅度摆动实现四足机器人的Bound步态。使用有限状态机将机器人的一个运动周期分为6个阶段,其中前腿与后腿各3个阶段,触地缓冲阶段采用竖直弹簧阻尼模型,蹬地阶段使用虚拟模型调整腿部对地推力方向,摆动相使用贝赛尔曲线规划足端轨迹。通过在动力学仿真软件中构建与液压驱动四足机器人SCalf-II同尺寸、同质量的虚拟样机对所提出的方法进行仿真验证与测试,结果表明机器人在5个周期后形成了有较强周期性的Bound步态,前进方向速度波动较小,各关节运动范围、速度、力矩均在SCalf-II设计指标之内,从而验证了该方法的正确性和有效性。

一种多模型融合的仿猎豹四足机器人复杂运动控制方法

针对具有2自由度主动脊柱关节的仿猎豹四足机器人,基于任务分解思想和生物神经系统机理,提出多模型融合的控制方法。该方法以弹簧负载倒立摆模型实现单腿跳跃控制,通过中枢模式发生器(CPG)实现4条腿之间以及脊柱―腿之间的协调控制,利用虚拟模型控制实现机器人与环境交互,采用基于CPG输出的有限状态机来融合3个控制模型,构建仿猎豹四足机器人的多模型分层运动控制器。参考猎豹脊柱运动特征,设计了机器人脊柱关节运动模式,给出脊柱与腿的协调控制策略。最后,在Webots仿真环境中搭建了仿猎豹四足机器人虚拟样机,实现了不同步态下的脊柱―腿的协调控制、在崎岖地形上稳定奔跑,以及平滑的对角―疾驰―对角步态转换,仿真结果验证了所提出的多模型融合的四足机器人运动控制方法的有效性。

高机动足式越野行走技术

针对足式机器人面临的挑战和具体应用需求,首先提出了高机动足式越野行走技术的基本概念,分析了越野环境对行走机构和步态行为产生的影响;其次,从腿/足/壤地面力学、步态行为和动力学模型等角度揭示了足式越野行走的基本原理;然后总结了为适应战场越野环境足式机器人所需的关键技术,并提出了相应的技术手段;最后展望了未来高机动足式越野行走关键技术的研究热点,为足式机器人军事化应用奠定了基础。