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Analysis on the Performance of the SLIP Runner with Nonlinear Spring Leg 被引量:8
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作者 YU Haitao LI Mantian CAI Hegao 《Chinese Journal of Mechanical Engineering》 SCIE EI CAS CSCD 2013年第5期892-899,共8页
The spring-loaded inverted pendulum(SLIP) has been widely studied in both animals and robots.Generally,the majority of the relevant theoretical studies deal with elastic leg,the linear leg length-force relationship of... The spring-loaded inverted pendulum(SLIP) has been widely studied in both animals and robots.Generally,the majority of the relevant theoretical studies deal with elastic leg,the linear leg length-force relationship of which is obviously conflict with the biological observations.A planar spring-mass model with a nonlinear spring leg is presented to explore the intrinsic mechanism of legged locomotion with elastic component.The leg model is formulated via decoupling the stiffness coefficient and exponent of the leg compression in order that the unified stiffness can be scaled as convex,concave as well as linear profile.The apex return map of the SLIP runner is established to investigate dynamical behavior of the fixed point.The basin of attraction and Floquet Multiplier are introduced to evaluate the self-stability and initial state sensitivity of the SLIP model with different stiffness profiles.The numerical results show that larger stiffness exponent can increase top speed of stable running and also can enlarge the size of attraction domain of the fixed point.In addition,the parameter variation is conducted to detect the effect of parameter dependency,and demonstrates that on the fixed energy level and stiffness profile,the faster running speed with larger convergence rate of the stable fixed point under small local perturbation can be achieved via decreasing the angle of attack and increasing the stiffness coefficient.The perturbation recovery test is implemented to judge the ability of the model resisting large external disturbance.The result shows that the convex stiffness performs best in enhancing the robustness of SLIP runner negotiating irregular terrain.This research sheds light on the running performance of the SLIP runner with nonlinear leg spring from a theoretical perspective,and also guides the design and control of the bio-inspired legged robot. 展开更多
关键词 spring-loaded inverted pendulum legged locomotion apex return map nonlinear spring
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柔性双段腿的SLIP模型参数敏感性分析 被引量:1
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作者 冯华山 李勇政 +1 位作者 王润孝 李军 《中国科技论文》 CAS 北大核心 2014年第4期470-473,488,共5页
为了反映腿部多段串联的多参数耦合特性,以SLIP(spring loaded inverted pendulum)模型为基础,建立了小腿含有串联线性伸缩弹簧的机器人柔性双段腿动力学模型。通过仿真分析其运动,获得柔性双段腿弹簧刚度、触地角度、虚拟腿长、膝关节... 为了反映腿部多段串联的多参数耦合特性,以SLIP(spring loaded inverted pendulum)模型为基础,建立了小腿含有串联线性伸缩弹簧的机器人柔性双段腿动力学模型。通过仿真分析其运动,获得柔性双段腿弹簧刚度、触地角度、虚拟腿长、膝关节角度、质量分布等参数的稳定域。通过对各个参数稳定域进行归一化处理和曲线拟合,获得参数稳定域变化曲线及参数敏感度排序。最后基于ADAMS与MATLAB联合仿真验证了柔性双段腿模型中参数敏感度排序的正确性。 展开更多
关键词 机器人学 柔性机构 slip 模型 参数敏感性分析
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单腿三维跳跃机器人动力学建模及控制
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作者 高美妍 许勇 +4 位作者 郑佳乐 李俊楠 张晨阳 施浩然 刘凌霄 《轻工机械》 CAS 2023年第5期22-28,共7页
在三维环境中实现连续、稳定和准确地跳跃是单腿跳跃机器人的研究难点,课题组设计了一种质心可准确抵达三维空间中目标位置点的单腿跳跃机器人。基于弹簧加载倒立摆(SLIP)动力学模型,实现了对机器人起跳速度的控制,使可控连续跳跃成为可... 在三维环境中实现连续、稳定和准确地跳跃是单腿跳跃机器人的研究难点,课题组设计了一种质心可准确抵达三维空间中目标位置点的单腿跳跃机器人。基于弹簧加载倒立摆(SLIP)动力学模型,实现了对机器人起跳速度的控制,使可控连续跳跃成为可能;基于反作用轮倒立摆(RWP)动力学模型和角动量守恒定律,实现了在3个惯性尾辅助下的三维姿态实时控制;集成SLIP模型,RWP模型和课题组提出的落地后转向策略,设计了机器人质心可精确到达预期三维目标点的连续跳跃算法。仿真结果表明:该单腿跳跃机器人可实现在三维环境中的连续、稳定和准确跳跃,从而验证了课题组提出的三维跳跃动力学模型及其控制算法的可行性。 展开更多
关键词 单腿机器人 三维动态跳跃 弹簧加载倒立摆模型 反作用轮倒立摆模型
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液压四足机器人的跳跃步态控制 被引量:4
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作者 邵俊鹏 迟涵威 孙桂涛 《哈尔滨理工大学学报》 CAS 北大核心 2021年第1期45-51,共7页
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... 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。 展开更多
关键词 四足机器人 液压驱动 运动控制 弹簧负载倒立摆 跳跃步态
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变长度弹性伸缩腿双足机器人半被动起步行走仿人控制 被引量:5
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作者 张瑞 张奇志 周亚丽 《计算机应用》 CSCD 北大核心 2022年第1期252-257,共6页
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... 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。 展开更多
关键词 半被动 双足机器人 起步行走 仿人控制 弹簧负载倒立摆模型
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变刚度半被动双足机器人行走的仿人控制 被引量:2
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作者 张瑞 张奇志 周亚丽 《力学与实践》 北大核心 2020年第5期551-557,共7页
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... 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。 展开更多
关键词 双足机器人 仿人控制 弹簧负载倒立摆模型 变刚度 半被动行走
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基于神经网络的仿人跑步机器人步态规划 被引量:4
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作者 王诗瑶 郭祖华 《计算机仿真》 北大核心 2020年第3期319-323,413,共6页
为了快速生成仿人机器人跑步运动轨迹,研究了一种用于仿人机器人跑步步态生成的步态规划器。采用三维弹簧倒立摆模型描述跑步过程中仿人机器人质心运动规律,奔跑时机器人质心轨迹及落脚点位置可以由四个步态参数来确定,从而将步态规划... 为了快速生成仿人机器人跑步运动轨迹,研究了一种用于仿人机器人跑步步态生成的步态规划器。采用三维弹簧倒立摆模型描述跑步过程中仿人机器人质心运动规律,奔跑时机器人质心轨迹及落脚点位置可以由四个步态参数来确定,从而将步态规划问题转化成步态参数优化问题,求解了500余种不同运动状态下的步态参数。建立了基于三层BP神经网络的步态规划器,将优化结果作为训练样本训练神经网络。用上述规划器实现了仿人机器人跑步步态规划并对规划结果进行了仿真验证。研究结果表明,基于BP神经网络的步态规划器可以实现步态参数的快速计算,生成的跑步步态逼真;提出的跑步运动步态规划方法可行,为仿人机器人实时轨迹生成提供了一种解决方法。 展开更多
关键词 仿人机器人 步态规划 三维弹簧倒立摆 神经网络
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足式机器人弹簧负载倒立摆模型控制方法研究 被引量:4
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作者 徐贝贝 李艳杰 王争 《机械工程与自动化》 2014年第4期141-143,共3页
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... 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。 展开更多
关键词 足式机器人 弹簧负载倒立摆模型 三分控制算法
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Bionic Quadruped Robot Dynamic Gait Control Strategy Based on Twenty Degrees of Freedom 被引量:4
9
作者 Dawei Gong Peng Wang +2 位作者 Shuangyu Zhao Li Du Yu Duan 《IEEE/CAA Journal of Automatica Sinica》 SCIE EI CSCD 2018年第1期382-388,共7页
Quadruped robot dynamic gaits have much more advantages than static gaits on speed and efficiency, however high speed and efficiency calls for more complex mechanical structure and complicated control algorithm. It be... Quadruped robot dynamic gaits have much more advantages than static gaits on speed and efficiency, however high speed and efficiency calls for more complex mechanical structure and complicated control algorithm. It becomes even more challenging when the robot has more degrees of freedom.As a result, most of the present researches focused on simple robot, while the researches on dynamic gaits for complex robot with more degrees of freedom are relatively limited. The paper is focusing on the dynamic gaits control for complex robot with twenty degrees of freedom for the first time. Firstly, we build a relatively complete 3 D model for quadruped robot based on spring loaded inverted pendulum(SLIP) model, analyze the inverse kinematics of the model, plan the trajectory of the swing foot and analyze the hydraulic drive. Secondly, we promote the control algorithm of one-legged to the quadruped robot based on the virtual leg and plan the state variables of pace gait and bound gait. Lastly, we realize the above two kinds of dynamic gaits in ADAMS-MATLAB joint simulation platform which testify the validity of above method. 展开更多
关键词 Degree of freedom dynamic gait foot trajectory quadruped robot spring loaded inverted pendulum(slip)
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基于双弹簧负载倒立摆模型的步态模拟
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作者 赵炳炎 陈宗华 刘伟俊 《河北北方学院学报(自然科学版)》 2021年第1期10-15,22,共7页
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... 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。 展开更多
关键词 弹簧负载倒立摆 步态模拟 走路模拟 跑步模拟 切换系统
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基于摄动理论的SLIP模型解析化研究及其运动控制 被引量:8
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作者 李满天 于海涛 +2 位作者 郭伟 王鹏飞 蔡鹤皋 《机器人》 EI CSCD 北大核心 2012年第6期689-696,共8页
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... 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. 展开更多
关键词 足式机器人 弹簧负载倒立摆 摄动理论 POINCARE映射 无差拍控制
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Approximate Perturbation Stance Map of the SLIP Runner and Application to Locomotion Control 被引量:4
12
作者 Haitao Yu Mantian Li +1 位作者 Pengfei Wang Hegao Cai 《Journal of Bionic Engineering》 SCIE EI CSCD 2012年第4期411-422,共12页
This paper presents a novel method of perturbation to obtain the analytic approximate solution to the Spring-Loaded Inverted Pendulum (SLIP) dynamics in stance phase with considering the effect of gravity. This pert... This paper presents a novel method of perturbation to obtain the analytic approximate solution to the Spring-Loaded Inverted Pendulum (SLIP) dynamics in stance phase with considering the effect of gravity. This perturbation solution achieves higher accuracy in predicting the apex state variables than the typical existing analytic approximations. Particularly, our solution is validated for non-symmetric trajectory of hopping in a large angle range. Furthermore, the stance controller of the SLIP runner is developed to regulate the apex state based on the approximate apex return map. To compensate the energy variation between the current and desired apex states, a stiffness adjustment of the leg spring in stance phase is presented. The deadbeat controller of the angle of attack is designed to track the regulated apex height and velocity. The simulation demonstrates that the SLIP runner applying the proposed stance controller reveals higher tracking accuracy and more rapidly converges to the regulated apex state. 展开更多
关键词 legged locomotion spring-loaded inverted pendulum PERTURBATION apex return map stiffness adjustment
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四足机器人跳跃步态控制方法 被引量:10
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作者 孟健 李贻斌 李彬 《山东大学学报(工学版)》 CAS 北大核心 2015年第3期28-34,共7页
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... 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。 展开更多
关键词 四足机器人 跳跃步态 控制方法 弹簧负载倒立摆模型 弹簧阻尼模型 贝赛尔曲线
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一种多模型融合的仿猎豹四足机器人复杂运动控制方法 被引量:4
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作者 张秀丽 王琪 +1 位作者 黄森威 江磊 《机器人》 EI CSCD 北大核心 2022年第6期682-693,707,共13页
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... 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。 展开更多
关键词 四足机器人 中枢模式发生器(CPG) 弹簧负载倒立摆(slip)模型 虚拟模型控制(VMC) 有限状态机
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高机动足式越野行走技术
15
作者 苏波 许威 +1 位作者 江磊 闫曈 《装甲兵学报》 2022年第2期71-77,共7页
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... 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。 展开更多
关键词 高机动 足式机器人 越野行走 弹簧负载倒立摆(slip) 虚拟腿
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