仿生机器鱼步态控制及闭环运动控制方法综述

鱼类所具有的推进效率高、机动性强、环境扰动小等优点引发了国内外学者对仿生机器鱼的研究。底层步态控制方法和闭环运动控制方法是当前机器鱼控制研究的两大热点。按照推进模式的分类方法概述各类机器鱼的样机研制情况以及其性能优劣,介绍机器鱼的推进机理及其水动力学研究进展,进而重点探讨轨迹逼近方法和中枢模式发生器这2种底层步态控制思路,综述机器鱼的典型闭环运动控制方法。中枢模式发生器具有更强的灵活性、稳定性和可操作性,易于引入反馈项而实现闭环控制,在机器鱼底层步态控制中占主导地位。针对机器鱼的显著特点改进后的基于学习的控制方法与多种方法相结合后的混合控制方法具有更为广阔的发展前景,符合仿生机器鱼智能化的发展方向。根据工作条件和运动要求建立合理的步态控制系统以及准确高效的闭环运动控制系统可提高机器鱼的整体性能。

基于仿蟹刚柔耦合机构的搜救机器人设计

搜救机器人是重要的探测仪器平台。针对现有搜救机器人的刚性结构环境适应性差的问题,本文提出一种基于仿蟹刚柔耦合机构的搜救机器人设计方法。本文首先进行了机器人的机构设计;其次根据螃蟹运动实验结果设计了机器人的横向运动步态,并通过仿真验证了步态设计的可行性;再次设计了机器人的软硬件系统;最后对机器人在多种地形下的行走能力进行了实验测试,并开展了暗光环境适应性、人员探测和避障能力等功能测试实验。结果表明,该体积小巧、控制简单的机器人可以实现基本的运动功能,横向运动中最大速度约为3.4 cm/s,最小功耗约为8.6 W,转向运动的角度范围为±90°。机器人具有良好的地形和环境适应性,并可以完成环境感知和人员探测等搜救功能。

基于仿生蛇形机器人的智能蜿蜒运动控制方法

蜿蜒步态控制是特种仿生蛇形机器人的基础运动控制之一。针对蜿蜒运动中蛇形机器人进行跟踪存在目标丢失、头部晃动及方向不稳定的问题,结合滑模变结构控制和Canny多级边缘检测算法,提出了一种智能蜿蜒运动控制方法。首先,基于滑模控制理论设计了直线跟踪控制器;其次,提出一种新的蜿蜒步态控制函数,解决了蛇形机器人的头部晃动问题;最后,结合Canny算法、直线跟踪控制器和蜿蜒步态控制函数,建立蛇形机器人完整的控制回路,实现机器人的定向控制。实验结果表明,所提出的智能蜿蜒步态控制方法相对于传统的蜿蜒运动更具稳定性和鲁棒性。

踝关节柔性助行机构设计与控制系统的研究

由于踝关节柔性助行机构结构较为复杂,使用者需求多样化,使其控制效果和应用性能较差。为此,提出踝关节柔性助行机构设计与控制系统。根据使用者需求设计踝关节柔性助行机构总体方案、驱动单元、执行单元与变刚度构件,并确定各个单元参数的计算公式。采用足底压力传感器与陀螺仪传感器识别与预测使用者的步态,应用LabVIEW软件开发助力控制程序,实现踝关节柔性助行机构的控制。实验数据表明,设计系统获得的步态周期长度预测结果与实际步态周期长度保持一致,具有较好的应用性能。

新型轮腿式机器人研究

设计与研制了一种新型小尺寸、轻体重、多用途的轮腿式机器人,集中了腿式机器人地形适应性强和轮式机器人机动速度高的优点,可在复杂地形条件下以多种行进步态和运动方式完成特殊的机动任务.开发了上位机人机交互系统和基于ARM的嵌入式运动控制系统,实现了多轴伺服运动控制技术,在控制、反馈各环节之间以及机器人视觉系统中采用了无线数据通信方式,实现了机器人的远程遥控.并辅助以超声波探测器阵列,用多传感器信息融合技术配以实时避障算法和数字图像处理技术实现了机器人的自主运动及探测.仿真分析和原理样机实测表明,该机器人具有良好的越野行驶能力和稳定可靠的探测性能,为进一步研究小型多用途机器人理论和实践奠定了基础.

基于CPG的六足机器人运动步态控制方法

中枢模式发生器(CPG)在六足机器人的运动步态控制中起着至关重要的作用。为了研究六足机器人的运动控制方法,首先基于仿生学原理设计了六足机器人的机械结构,并在虚拟样机软件ADAMS中搭建其三维模型;其次选择Hopf振荡器作为CPG单元,并改进了振荡器模型;然后设计了六足机器人的CPG网络拓扑结构,包含单腿关节映射函数方案和腿间CPG环形耦合网络方案,并对其进行了改进;最后通过ADAMS和MATLAB联合仿真实验,验证了所设计六足机器人的运动稳定性和CPG控制方案的可行性与有效性。仿真结果表明,该方法能够满足六足机器人不同运动步态的控制需求,对六足机器人的运动控制具有一定的实际应用价值。

六足仿生机器人运动控制系统的设计

以目前在各种领域得到广泛应用的机器人为研究对象,通过实践中对六足昆虫的观察,得出三角步态的稳定性分析,构建出六足机器人的基本运动模型。用Atmel系列单片机作为控制器,采用模块化递阶控制技术融合传感器技术完成对六足仿生机器人的运动控制策略的设计和试验。试验结果表明该机器人具有良好的稳定性和机动性。

基于迭代学习控制算法的下肢外骨骼机器人跟随特性

目前下肢外骨骼机器人存在的运动控制算法追踪人体髋关节和膝关节期望轨迹时存在误差,从而导致人机系统随动性能差。因此,提出迭代学习控制算法追踪人体髋关节和膝关节期望轨迹。首先,结合人体下肢结构分析,建立下肢外骨骼机器人动力学模型;其次,基于迭代学习控制算法建立下肢外骨骼机器人随动控制模型;最后,利用Matlab软件设计指数变增益闭环D型运动控制系统,分析收敛速度与谱半径的关系,追踪得到人体下肢髋关节和膝关节期望轨迹。仿真结果表明该算法能够有效提高下肢外骨骼机器人步态轨迹跟踪精度,提升人机系统随动性能。

一种辅助足下垂步态训练的功能电刺激器控制方法

设计并搭建一个创新性的功能电刺激器控制方法,用于矫正脑卒中患者偏瘫后的足下垂步态,改善下肢运动质量。功能性电刺激器控制方法由运动捕捉系统和单片机控制器组成,实时采集行走过程中的运动学信息,从运动学信息中提取特征,来判断测试者所处的步态时相,当检测到处在最优的电刺激时相时,启动对胫骨前肌的电刺激。目前,已在正常人身上验证控制方法的可行性。相对于传统的控制方式,该方法可以更准确地找到最优电刺激时相,对改善足下垂患者的异常步态效果更明显,而所采集的数据可作为训练结束后的康复效果评估。

基于STM32的六足机器人运动控制系统研究

本文主要研究基于STM32的六足机器人运动控制系统,通过建立六足机器人的运动学模型,对摆动腿和支撑腿进行运动学分析,并按照六足机器人典型步态,进行步态运动规划。同时,根据六足机器人的运动学和步态分析结果,设计了基于18个舵机协调运动的六足机器人运动控制系统,实现远程监控和机器人的直线路径、转弯步态的规划和控制等功能。

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。

NSGA-Ⅱ在蛇形机器人中的优化与控制

研究蛇形机器人蜿蜒运动步态的优化与控制问题。结合摩擦力模型,并分析蛇形机器人运动步态模型,根据基于闭环反馈的控制系统结构运用PID控制器对其步态进行跟踪控制,在此基础上采用基于非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)对步态进行优化,该优化方法实现对闭环反馈跟踪控制系统的参数优化。仿真结果表明,NSGA-Ⅱ算法能达到变量优化目的,在功率和速度之间寻找最优值,对于解决蛇形机器人运动步态多目标优化问题是可行有效的。

四足机器人Trot步态的偏航运动控制

为解决四足机器人Trot步态的偏航运动控制问题,借鉴两轮差速驱动的原理将机身的运动分解为两着地腿的运动,再基于弹簧倒立摆模型对单个着地腿的前进速度和侧移速度进行控制,最后通过控制两着地腿的运动来控制机器人整体的运动,从而实现对机器人偏航角的控制。基于这种思想,可以对偏航角、前进速度和侧移速度的控制进行统一设计,简化了基于三维模型的四足机器人运动控制的难度。在虚拟样机中进行仿真实验,发现控制方法在前进速度为零和非零时都能对偏航角进行很好的控制。

步态康复机器人意向运动补偿控制策略

下肢康复机器人的设计包括结构设计、康复策略设计两部分。唯有做好这两部分工作,才能帮助患者更好地进行康复训练。良好的、有效的康复控制策略,能够极大地帮助病人进行下肢康复锻炼,并能够满足各个阶段患者的运动训练需求。

新型六足机器人机构与控制系统设计

六足机器人的研究对于崎岖地形的无人探测具有重要意义。为了开发可靠实用的六足机器人,设计了一种新型六足机器人的机构与控制系统。该机器人腿部由三个四杆机构复合而成,具有结构紧凑、传动可靠的优点。对机器人进行了运动学分析,并在Matlab和ADAMS中进行了步态规划及仿真实验,以此为基础建立了机器人的"动作库",供控制系统调用。并为机器人设计了基于ARM和FPGA的多层次控制系统。

基于生物力学的虚拟人运动控制及行走仿真

为使虚拟人运动控制产生的运动行为更加接近真实人体运动,构建了一个基于生物力学的虚拟人运动控制系统.该控制系统主要包含3层:高层策略控制层,用于监控环境变化和虚拟人自身状态,并依据给定的控制策略向中间层送出控制信号;中间脊椎反射层,可接收来自高层的控制信号和感知到的虚拟人自身状态及环境信息,并映射为肌肉的激励信号;底层肌肉驱动层,通过引入肌腱模型来产生与真实人体肌肉力特性相同的驱动力.为了提高仿真行走运动的逼真性,在控制参数优化过程中引入步态相似度作为评价标准.在Matlab中的Simulink环境下进行虚拟人行走运动仿真实验的结果表明,文中系统能够自主控制虚拟人平稳行走且运动有很好的逼真性;仿真结果表明,该系统可行性强,且在优化过程中加入步态相似度评价标准获得的控制参数能够产生更为逼真的虚拟人行走运动.

煤矿救援蛇形机器人的研制与控制

针对煤矿灾后复杂的特殊环境,研制了一种具有内圆箍无外圈的叶片轮式蛇形救援机器人。该机器人总长度为1 m,共5节。由蛇头、蛇身和蛇尾组成,其中,蛇头部分由传感器组和夜视仪组成;蛇身部分由5个单元模块、5个连接板、4个正交关节、2个速度舵机组成;蛇尾部分由主控制器、避障模块、通信模块和动力源组成。通过控制正交关节处的方向舵机实现机器人蜿蜒、直线、伸缩、抬头等位姿的改变。机器人的移动机构采用自制叶片轮驱动,具有更好地翻越、攀爬障碍物的能力。通过2个速度舵机驱动10个直流减速电机带动10个叶片轮前进,从而实现控制蛇形机器人运动速度的目的;在此基础上建立机器人运动步态数学模型,分析模型中各个参数对机器人不同运动步态的影响,找到最佳运动参数。在模拟的煤矿巷道中,将仿真得到最佳运动参数运用到对蛇形机器人的运动控制实验中。实验测试表明当蛇形曲线初始角为π/4,机器人偏转角的比例系数为2π时,蛇形机器人蜿蜒和伸缩运动效果最佳。当参数在5到15之间时,蛇形机器人抬头运动效果最佳。该研究为蛇形机器人进一步完成煤矿救援任务奠定了基础。

一种步行机器人举重运动的步态规划

提出了类人机器人的一种举重运动生成方法,并在此基础上设计了一组举重的姿态,利用机器人的全身运动使举重变得轻松。该方法让机器人执行一个基本运动来产生即刻传到重物上的冲力,使机器人能举起在持续力作用下举不起的物体,但冲力可能导致机器人站立不稳。基于此,本文进一步给出了类人机器人的支撑面内质心投影的计算方法,为机器人动态控制提供依据,实验证明了该方法的有效性。

步态训练机器人骨盆运动控制机构研究

提出一种欠驱动4自由度骨盆运动控制机构结构形式,定性分析了机构运动原理和补偿弹簧的作用,并建立了力学平衡方程。利用SimMechanics建立了机构模型,针对正常人步态过程中骨盆的运动状态进行了机构控制仿真,仿真结果表明了该机构实现期望运动控制的可行性。研制了实验样机,针对空载和主动真人不同负载情况进行了实验研究,分析了约束弹簧在不同负载时对控制机构运动的影响情况,结果验证了该样机实现步态中骨盆运动控制的可行性,为进一步完善步态训练机器人提供依据。

半轮足式机器人的设计及研究

为了保证火灾、地质灾害及煤矿事故等非规整地形下的移动机器人的运动效率和越障能力,提出一种半轮式越障结构并设计一种半轮足式移动机器人。其控制系统采用两块AT89C52芯片,一块用于接收控制信号,一块用于控制步态运动,两块芯片采用串口交换控制信息;对半轮足的运动控制及状态采集分别采用L298N芯片及反射型光电探测器RPR220,它们均受控于步态控制的AT89C52芯片。文中采用静态和动态分析相结合的方式分析了半轮足的越障能力和半轮足式移动机器人的越障能力及影响因素。为了折中运动效率和越障能力,规划四足步态和五足步态,依据静态稳定裕度法对半轮足机器人的稳定性进行分析。实验结果表明,所提出并设计的半轮足式移动机器人的越障能力和规划的步态与理论分析一致;验证了步态、弧度与越障能力之间的关系;步态中驱动力越大,越障能力越优;弧度越大(最大为π2),越障能力越优。