一种空间吸附式爬行机器人设计及其步态规划

针对可在空间飞行器表面吸附爬行和自主可控飞行的空间机器人爬行过程进行控制与仿真问题,在某系统方案和机构设计基础上,基于机器人行走稳定裕度的要求,设计了一种稳定快速爬行的步态,对其足端步态运动轨迹采用三次多项式插值的方法进行规划,并通过逆运动学求解出各个关节的运动轨迹,基于Adams软件对机器人进行动力学建模及仿真,结果表明在空间零重力环境下,四足吸附式爬行机器人能够快速稳定的行走,验证其机构设计和步态规划的合理性。     

一种多旋翼多功能空中机器人及其腿式壁面行走运动规划

 提出了一种既可实现飞行功能又可实现壁面运动的多旋翼多功能空中机器人。设计了机器人的结构,分析了其工作原理,研究了机器人腿式壁面行走模式下腿/足与壁面接触时的机体动力学。结合多旋翼推进的机理对机器人在壁面运动模式下的步态进行了规划,基于非线性轨迹线性化控制(TLC)法设计了空中机器人在步态过程中的姿态稳定控制器。在MATLAB环境下对机器人的腿式壁面运动进行了仿真分析研究,仿真结果表明了所设计的步态及其稳定控制方法的可行性。     

障碍地形下的机器人轮足复合越障步态规划方法

为提高轮足复合机器人在障碍地形下的稳定性与通行效率,提出了一种轮足复合越障步态规划方法。首先基于轮足复合运动模式提出了一种机器人位姿调整算法,并给出了相应的足端轨迹方程与重心轨迹方程。其次基于轮足复合运动的运动学方程,给出了位姿调整阶段的轮速规划算法,使得每条腿足端轮子的滚动速度与足端的轨迹相匹配,以确保轮子在地面滚动时不发生滑动。虚拟样机仿真结果表明,应用该步态规划算法,机器人能够自主平稳地穿越障碍地形,从而验证了方法的有效性。     

一种星球探测六足轮腿机器人的设计与运动规划

针对星球探测,设计了一种具有高度对称性的六足轮腿机器人。为适应星球表面的复杂环境,该机器人具有不仅在机身水平面内中心对称而且关于机身水平面对称的结构,同时能够通过腿部构型的变化实现两种运动方式：轮行模式和足行模式。机器人的膝关节采用双平行四边形的传动机构,克服了现有足式机器人膝关节平行四边形机构传动的奇异问题,增加了膝关节的转动范围,实现了单腿关于机身水平面的对称运动。设计了一种基于指数坐标在SE （3）空间上规划的自适应步态,机器人可以利用该自适应步态在没有视觉传感器和局部地图的条件下,仅依靠足底力传感器和机身的惯性测量单元,实现自主连续稳定的行走。利用该机器人结构的高度对称性,提出了一种倾倒恢复策略以适应星球探测过程中的需求。以Adams和MATLAB为虚拟的仿真环境,对六足轮腿机器人的运动模式切换、自适应步态及倾倒恢复进行了仿真,验证了可行性。     

小质量不规则物体质心测量方法研究

航天器的质心位置对分析系统外部干扰、姿态和轨迹控制有显著影响。对于航天服之类的小质量软硬结合的不规则航天器,经典的质心测试方法不适用。以航天服为例,在研究经典质心测试方法的基础上,充分考虑小质量不规则物体的结构特点,提出一种称重与力矩平衡相结合的测试方法,给出了理论计算模型并研制了测量装置。通过标准砝码、标准样块的试验测量值和标定值,验证了该方法的正确性和装置的准确性,可用于航天服、不同姿态下的人-服系统的质心测量,为系统姿态、轨迹控制和舱外作业活动提供基础数据。     

基于ADAMS平台的四足机器人越障仿真与测试

针对四足机器人在静步态行走过程中面对非平坦路面上障碍物的情况,提出一套完整的四足机器人翻越障碍物的步态理论分析方法,同时使用ADAMS虚拟样机软件对该步态进行运动仿真与测试。文中详细叙述了机器人膝关节与髋关节的运动轨迹规划,将规划的轨迹离散化后导入ADAMS和利用ADAMS/PostProcessor得到仿真测试结果。该研究通过虚拟样机平台弥补了前期客观条件限制下的测试局限,测试结果验证了四足机器人翻越障碍物的理论分析。四足机器人翻越障碍物的步态理论对未来四足机器人实物样机的设计和制造工作有着指导意义。     

飞机表面爬行机器人轨迹跟踪控制方法研究

针对飞机蒙皮铆钉缺陷无损检测移动机器人进行了运动学和动力学建模,并且基于该移动机器人的模型,设计了双闭环轨迹线性化控制器(trajectory linearization control,TLC)。同时设计了逻辑控制算法保证机器人运动轴在达到完整约束临界点时进行状态切换。该方法解决了在飞机特殊表面环境下,对基于X-Y平台的新型爬行机器人如何完成轨迹跟踪控制的问题。实验结果表明,该控制器具有较好的动态性能,能够在满足系统实时性要求的前提下实现爬行机器人距离精确性和速度稳定性控制。     

惯性参数不确定的自由漂浮空间机器人自适应控制研究

针对自由漂浮空间机器人系统惯性参数不确定问题,提出一种笛卡儿空间内的自适应轨迹跟踪控制方法。采用扩展机械臂模型建立了自由漂浮空间机器人关节空间动力学方程,进而推导笛卡儿空间中的自由漂浮空间机器人动力学方程。在基于逆动力学法的自由漂浮空间机器人自适应控制器设计中,利用标称控制器离线固定控制参数与补偿控制器在线补偿方法,既可以保证惯量矩阵可逆,又可以使控制参数实时估计。采用Lyapunov方法的稳定性分析表明系统是稳定且渐进收敛的。最后,应用该控制方法对两杆平面自由漂浮空间机器人进行了仿真研究。仿真结果显示自由漂浮空间机器人末端执行器在笛卡儿空间具有良好的轨迹跟踪能力。     

外骨骼辅助行走中平衡控制技术的研究

外骨骼辅助行走中平衡控制是低重力环境下保持正常的平稳行走姿态以及行走安全性的关键,针对这一问题阐述了外骨骼辅助行走中基于位置控制与ZMP(零力矩点)控制相结合的综合平衡控制策略。首先通过建立ADAMS虚拟仿真模型,为控制策略的研究提供仿真模型和参考数据;建立了支撑域模型和ZMP检测模型,并设计了平衡控制策略,在基于地面外骨骼系统的演示验证中,将人机系统等效为两连杆支撑质点的模型,通过控制膝关节液压杆,使系统的ZMP始终处于稳定支撑域内,由此保证人机系统处于平衡状态;同时将位置控制与改进的ZMP控制结合在一起,设计综合控制策略,采用分段控制方式,不仅提高了人机系统的柔顺性及穿戴者的舒适度,同时也提高了人机系统运动的稳定性和安全性。     

面向等离子熔射制模的机器人轨迹生成系统的实现

构建了面向等离子熔射制模的机器人轨迹生成系统。该系统能由CAD实体模型直接生成机器人所带喷枪的运行轨迹 ,并能精确地控制喷枪的运行轨迹、角度、速度以及喷枪与原型之间的距离     

基于滚动时域的舰载机甲板运动轨迹跟踪最优控制

针对单机滑行、无杆牵引系统以及有杆牵引系统的轨迹跟踪问题进行了研究。首先，将这3种系统的轨迹跟踪问题转化为最优控制问题，并建立了连续非线性舰载机系统的轨迹跟踪模型。然后，基于第3类生成函数，提出了适用范围更广的全状态保辛伪谱算法，并结合滚动时域理论提出了基于滚动时域（RHC）的在线跟踪最优控制方法，证明了所提算法是一种保辛算法。基于所提出的在线跟踪算法，对单机滑行、无杆牵引系统、有杆牵引系统在存在初始偏差和持续外界扰动情况下的轨迹跟踪问题分别进行了研究，并与BackwardSweep方法进行对比分析，结果表明本文所提出的跟踪算法可以有效地解决具有控制约束和状态约束的轨迹跟踪问题，并可以更高的跟踪精度和计算效率对标准轨迹进行跟踪，可完全满足实时跟踪的要求。最后，分别从初始偏差和持续外界扰动的角度研究了这3种不同方式的跟踪特性。     

串联机器人运动控制方法的研究

通过对某型串联机器人进行运动学分析,从而确定了此串联机器人的工作空间,应用绘图软件Aulo CAD,利用其方便的数据文件生成功能,探索出了一种串连机器人模型轨迹数据的生成方式.采用面向硬件的控制方式,主要通过向PCL-839板卡写命令的方式实现控制功能.软件应用Visual C++语言写成.利用C++语言中的地址操作函数向PCL-839步进电机控制卡接口中写入指令,从而完成控制机器人运动的功能.     

双框架飞机蒙皮检测机器人切换运动控制方法

针对一种双框架飞机蒙皮检测机器人,通过分析该机器人在飞机表面上的受力情况,在飞机表面该机器人受到了非完整约束,基于牛顿-欧拉法建立了机器人非完整约束动力学模型。根据机器人机械结构和运动步态分析,将该非完整机器人系统分为子系统A和子系统B。为了实现机器人在飞机表面运动,采用反演技术和快速Terminal滑模控制相结合的思想对系统设计了控制器,提出了一种反演-滑模控制方法;对于非完整机器人子系统A和子系统B,设计了一种基于事件驱动的切换策略,实现了机器人对期望轨迹的全局渐近跟踪,并利用Lyapunov稳定性证明系统的跟踪误差收敛。仿真和试验表明,采用该切换策略和反演-滑模控制方法,双框架飞机蒙皮检测机器人可以在飞机表面自由运动并进行损伤检测,具有良好的可靠性和稳定性。     

基于动力学RRT*的自由漂浮空间机器人轨迹规划

针对自由漂浮空间机器人（FFSR）轨迹规划问题,提出了一种基于动力学RRT^*算法的FFSR轨迹规划方法。首先,建立了FFSR的运动学与动力学模型,将系统模型伪线性重构为状态空间模型,并设计了考虑位姿调整时长和能量消耗的加权目标函数;然后,针对机械手初末位置间的障碍,简化避障方法,提出了机械臂避障与机械手避障两层次避障策略,提高碰撞检测效率;接着,给出了多体系统的动力学RRT^*逼近最优轨迹的方法;最后,为验证算法有效性并不失一般性,选取平面2连杆FFSR模型进行数值仿真并用经典RRT^*算法和高斯伪谱法与之对比。仿真结果表明,该方法能够以较快的速度生成可行的机器人移动轨迹。     

基于深度强化学习的四足机器人后空翻动作生成方法

四足机器人灵巧运动技能的生成一直受到机器人研究者们的广泛关注,其中空中翻滚运动既能展现四足机器人运动的灵活性又具有一定的实用价值.近年来,深度强化学习方法为四足机器人的灵巧运动提供了新的实现思路,利用该方法得到的闭环神经网络控制器具有适应性强、稳定性高等特点.本文在绝影Lite机器人上使用基于模仿专家经验的深度强化学习方法,实现了仿真环境中四足机器人的后空翻动作学习,并进一步证明了设计的后空翻闭环神经网络控制器相比于开环传统位置控制器具有适应性更高的特点.     

基于螺旋理论的机械手最优位姿轨迹规划方法研究

提出了一种在笛卡儿空间实现机器人操作手最优位姿轨迹规划新方法。基于欧拉刚体有限转动定理,根据旋量理论和计算几何中三维直纹面路程参数生成原理,求以等效角位移矢量在空间的运动轨迹形成的直纹曲面面积及其变化率并考虑运动时的灵活性为泛函的泛函极值来实现以路径最短、运动灵活性最好、或动力学性能最优为目标的机器人位置和姿态轨迹优化生成,建立了相应的优化数学模型及求解方法。最后,用该法对三自由度平面机器人操作手进行了仿真计算。     

多UAV集群固定拓扑分布式控制方法研究

通过定高飞行假设,建立了集群运行的简化空间模型、基于静止坐标系和运动坐标系的集群控制模型和分布式控制结构。将既定加速度量和势差加速度量按比例结合,控制UAV跟踪轨迹形成并保持集群状态。基于UAV模型和智能体的仿真结果表明,该模型及算法能够实现稳定的UAV固定拓扑集群行为,且具有优越的队形保持和速度控制性能。     

重复使用运载器基于轨迹线性化的俯仰角控制

为了改善重复使用运载器末端区域能量管理段的控制系统性能,提出了一种基于轨迹线性化的俯仰角控制回路结构,该结构由伪逆模型前馈和反馈控制组成.根据瞬时平衡的定义,沿轨迹剖面线性化,获得了伪逆模型的设计方法,形成俯仰控制结构.以高空超声速飞行为例,进行了俯仰角控制设计,并与常规反馈控制相比较.结果表明,基于轨迹线性化的俯仰角控制,可以改善控制系统的动态性能,减小反馈回路的负担,降低积分饱和的可能性.      

单自由度有限循环行走机构运动控制及参数识别

针对机器人物理参数的辨识会对目标状态控制产生影响的问题,设计了一种基于模型的反馈控制器,以克服物理参数辨识误差从而实现目标速度的有限循环行走。首先,设计一种组合式无框轮,通过动态规划运动方程进行反馈控制。其次,当假定物理参数未知并改为使用预测参数时,进行数值模拟以分析目标的行走速度和其他属性。控制器具有一定的预测误差适应性,所实现的运动速度与目标速度的误差可以控制在0.001%,通过提出的神经网络模型预测物理参数,预测参数的平均误差为1.1%。     

飘浮基两杆柔性空间机械臂的振动分析与振动抑制

对载体位置无控、姿态受控的飘浮基两杆柔性空间机械臂操作过程中的振动进行了分析,并提出了对振动进行有效抑制的方法。首先利用拉格朗日方程并结合系统总质心定义,得到系统的动力学方程。然后对该系统操作过程中的振动进行了分析。接着利用奇异摄动法,将两杆柔性空间机械臂系统分解为一个关于载体姿态、杆件关节轨迹跟踪的慢变子系统和一个描述柔性臂变形的快变子系统。以此为基础,提出了一个由慢变控制项和一个快变控制项组成的复合控制器,使得机械臂在操作过程中跟踪上载体姿态和关节期望轨迹的同时柔性臂的振动得到了有效的抑制。该控制方案的显著优点为不需要测量反馈载体的位置、移动速度、移动加速度。