基于MPC的双足机器人质心与足端联合步态规划

为探索双足机器人在农业环境中的应用,研究双足机器人在复杂环境下的步态规划与稳定性控制问题,提出一种结合简化模型与模型预测控制(MPC)的控制方案。该方案包括离线和在线2个阶段。离线阶段,基于MPC通过三维线性倒立摆模型规划质心的轨迹和速度;在线阶段,根据质心的规划结果,基于MPC通过简化刚体动力学模型计算支撑腿的足端稳定力与力矩,由雅各比矩阵映射为关节驱动力矩,摆动腿由五次多项式生成的足端轨迹联合质心轨迹,通过逆运动学和关节PD控制生成驱动力矩。仿真结果表明,与关节角度控制方法相比,该方案在步行过程中质心前向轨迹的跟随精度提升了71.1%,并且降低了步态相位切换时足端冲击的影响,确保了双足机器人的步行稳定性,为双足机器人在复杂农业环境下的工作提供可能。

四足仿生机器人仿生足端轨迹规划研究

基于自主设计的电驱四足仿生机器人实物本体,借鉴仿生学思想,提出一种基于哺乳动物运动轨迹的仿生步态策略来规划四足机器人足端轨迹.该方法首先利用视频分析技术提取四足哺乳动物大型犬在平坦地面以Trot步态行走时的骨骼三维数据,将获取的数据建立足端点坐标系;然后利用三次曲线拟合方法生成轨迹线,获得拟合度高、稳定性强、更加接近四足哺乳动物的实际运动状态的足端轨迹方程;最后通过Matlab软件进行仿真.实验结果表明,基于仿生步态策略驱动控制下,电驱四足仿生机器人行走过程连续平稳,足端轨迹平滑,仿生度高,比传统函数轨迹规划方法具有更好的性能,证明了该足端轨迹规划方法的合理性和有效性.

基于三维空间曲线的四足机器人轨迹规划

四足机器人在对角小跑运动下的稳定性问题是当前四足机器人研究的热点,故分析了机体力矩对机体运动过程中稳定性的影响,提出一种新的足端轨迹函数。首先对机器人进行运动学分析,参照优宝特型四足机器人建立三维模型并搭建了仿真环境;然后分析机体力矩,得出机体翻转原因,即机体腿部摆动对机体产生的反作用力矩和重力产生的倾覆力矩以及运动中足端所受到的冲击力矩。在此基础上,通过利用机器人摆动腿侧摆关节运动提供一个力矩以平衡部分反作用力矩和倾覆力矩,提出了一种基于三维空间曲线的足端轨迹规划。最后,通过对比仿真实验验证了所提足端轨迹规划的有效性和正确性。

基于样条插值的仿壁虎机器人足端脱附轨迹规划

针对仿壁虎机器人足端粘附脱附运动,提出了Spline三次样条插值与Matlab/Simulink半实物仿真相结合的足端轨迹生成及优化的方法。合理选取关键节点,利用三次样条插值,可快速得到所需复杂的光滑轨迹曲线。设计了测试平台并进行半实物仿真,通过分析数据采集卡采集的脱附力的变化趋势,并合理调整三次样条插值数据节点,优化脱附轨迹及其法向力与切向力,使仿壁虎机器人单足脱附过程切向力和法向力保持在较小范围。验证了该方法在单腿运动轨迹生成中的有效性和可行性,为四足步态生成与爬壁实验奠定基础。

基于足端轨迹规划的四足机器人运动学分析与仿真

为了减少四足机器人在行走过程对地面的冲击,提出一种改进动静步态的五次多项式的足端轨迹规划。推导了改进五次多项式的数学公式,利用机器人运动学知识计算机器人的运动学逆解。根据数学推导,分析机器人足端速度和加速度的理论曲线。利用ADAMS对机器人在三角步态和对角步态下进行运动仿真,对比了足端轨迹的理论结果和仿真结果,分析了仿真情况下机器人质心变化和RPY角变化。理论分析和仿真结果一致,验证了改进足端轨迹的正确性。

复杂环境中四足步行机动平台的足端轨迹规划

本文首先进行了四足步行机动平台的正逆运动学求解。然后分析了复杂地形中步行机动平台的步态参数。接着基于三次B样条曲线进行了对其足端轨迹规划。最后利用Matlab对足端轨迹曲线进行仿真分析,验证了足端轨迹规划的合理性。

基于零力矩点的四足机器人非平坦地形下步态规划与控制

为提升四足机器人在非平坦地形中的行走能力,根据零力矩点理论分析机器人行进过程的稳定条件,利用稳定裕度的概念,在支撑多边形中求取最优稳定点来规划零力矩点.为避免walk步态中频繁调整躯干姿态导致的能耗和行进速度损失,提出了在次优支撑三角形中求取最优稳定点的方法.针对斜坡地形中机器人运动性和稳定性的矛盾,设计了综合性能更高的躯干姿态和支撑点位置.为适应不同坡度和躯干角度,通过对零冲击足端轨迹规划方法进行改进,实现了以目标支撑点为中心的斜坡零冲击规划目标.仿真试验结果表明,该规划控制方法能够实现机器人在不同斜坡中的稳定行走.

新型四足步行机器人串并混联腿的轨迹规划与仿真研究

为了提高四足机器人的载重自重比,综合了一种新型串并混联四足步行机器人,并针对其运动过程的冲击问题,使用了一种基于高次多项式的零冲击足端轨迹规划算法.该机器人每条腿均是由3-RRR并联机构串联一个转动机构组成.此机构利用D-H的方法建立坐标系,利用足端轨迹规划算法在世界坐标系对串并混联腿的摆动相进行足端轨迹规划,支撑相利用匀速直线运动进行规划.根据反解模型,计算出足端在髋关节全局坐标系下的足端轨迹.然后,基于混联腿的运动学逆解用Matlab编程计算得出串并混联腿的四个驱动函数.最后,把单腿模型导入到ADAMS中,添加约束、驱动后,利用ADAMS对串并混联腿进行运动仿真.结果显示,该混联腿的足端实现了零冲击规划的目标,且足端轨迹的速度、加速度平滑.由此表明仿真结果与理论结果相符,验证了该算法的合理性和有效性,为进一步研究四足机器人的步态规划和运动控制奠定了基础.

四足机器人足端复合轨迹运动特性研究

为提高四足机器人的运动平稳性和地形适应能力,使其顺利通过复杂崎岖地面,提出了一种四足机器人分段复合足端轨迹规划方法,将足端轨迹规划分为起步、跨步、落地三个部分。针对机器人足端在起步阶段碰撞未知不规则凸台、跨步阶段越障效率低及足端落地适应地形问题进行了足端轨迹曲线优化设计。在仿真环境下,通过虚拟模型控制方法控制机器人以对角步态分别在平地环境、复杂崎岖地形环境下运动,仿真结果表明,四足机器人以设计的足端轨迹在复杂崎岖地形上运动具有更小的机身波动和方向偏移,可在一定程度上适应崎岖地形,抵御运动环境中未知障碍干扰。

基于改进粒子群算法的四足机器人步态研究

为使四足机器人在不配备视觉传感器的情况下,依然能根据地形崎岖的程度调整自身步态规划,以提高在复杂未知地形的稳定性与适应性,提出了基于改进粒子群算法的步态规划方法。对于四足机器人实现快速小跑的过程中,首先提出了一种类椭圆的轨迹生成方法,保证机器人可以在摆动相支撑相相互交换的整个迈步过程连续运动。然而,模仿动物小跑的椭圆轨迹不能保证机体运动的稳定性,基于机体稳定性提出改进粒子群算法,为这种高度非线性系统提供了全局优化的解决方案。最后,在Simlink中建立动态仿真模型,实现在一个运动周期内的对角步态运动。仿真结果表明了对角步态规划方法的可靠性。

新型轮腿机器人步态规划策略

设计了一种新型步态可切换轮腿机器人。该机器人步态切换机理易于实现且不存在冗余机构,驱动系统置于封闭空间内,可在两栖环境下应用。基于模型控制步态的策略,规划了轮腿机器人的足端轨迹;利用运动学模型分析求解出各关节变量,对步态控制策略进行研究,并利用实验样机验证了基于足端轨迹规划的机器人步态控制策略的可行性。

可行走着陆器的牛顿-欧拉法动力学研究

基于一种具有串并联混合腿足机构的四足可行走着陆器,为摸清其行走过程中的关节能耗问题,采用牛顿-欧拉方法进行了动力学建模研究。首先,采用D-H法建立串并联混合腿足机构的关节坐标系,进行正向运动学和逆向运动学的推导;然后在运动学模型的基础上,采用牛顿-欧拉方法建立着陆器整机的全状态动力学模型,该模型以足端相对轨迹为输入,获取着陆器在运动过程中各关节受力情况的变化曲线;最后,采用五次样条插值法规划一段运动轨迹,用ADAMS仿真软件进行着陆器虚拟样机仿真。经验证,该动力学模型理论计算数值和虚拟样机仿真数值具有相同的变化趋势,证明了模型的有效性,可以作为后续能耗模型建立和优化的基础。

基于CPG控制的六足爬壁机器人自主越障研究

针对基于混沌CPG(central pattern generation)模型控制的六足爬壁机器人在幕墙上自主越障爬行的问题,本文提出了一种融合障碍探测模块、位姿调整模块以及简单神经环路混沌CPG的运动控制方法,并根据幕墙障碍特点和由传感器采集到的机器人方位信息及障碍距离信息,设计了合理的越障策略。实验显示该机器人可据环境自主切换三足行进步态、四足越障步态和五足原地旋转步态,并能够调整重心与幕墙间的距离以增加稳定性,最后完成了机器人在幕墙上自主爬壁和越障。

四足步行机动平台单腿结构设计

选定了机动平台单腿自由度数,设定了关节的活动范围。在此基础上,利用单腿运动学分析的结果,研究了大腿和小腿长度比例不同时足端工作空间的变化,确定了两者最优的比例关系。最后基于三次B样条曲线进行了摆动腿足端轨迹的规划。