四足步行机运动机构及步态参数对行走稳定性影响分析

本文研究了四足步行机的行走稳定性问题,建立了考虑运动机构包括腿机构及其传动系统影响的稳定性模型;分析了各步态参数对稳定性的影响,并以研制的四足步行样机为例进行了计算机仿真。     

四足步行机器人的弯道行走探讨

本文根据地面情况,先拟定出能使步行机稳定行走的步态,然后找出可实现的步态可行集,只要在这个可行集内按转弯步态行走,就能保证步行机器人沿弯道稳定行走。本文给出了转弯步态的拟定方法,同时还给出了步行机器人步态可行性的判别条件。     

四足步行机的对角小跑步态及能耗仿真分析

步行机需自身携带能量如电池实现步行及探测任务,研究其能量消耗有重要的意义.步行机的行走步态与能量消耗密切相关,采用对角小跑步态,分析能量消耗与相关影响参数间的关系.介绍了四足步行机的对角小跑步态及多链串并联复合机构的特点,建立步行机的运动学方程及拉格朗日动力学方程.采用虚拟样机技术建立系统的考虑足与地面接触的三维仿真模型,进行完整对角小跑步态周期中的能量消耗分析,获得步行机的动态特性.以移动能耗率为评价指标,分别仿真分析3种步距及3种接触材料的能量消耗,研究步距、接触刚度和摩擦系数对步行机能量消耗的影响,建立移动能耗率与步行机步行速度间的关系曲线,为物理样机的设计提供依据.      

基于输入解耦特征模型的四足机器人运动控制

摘要： 针对四足机器人腿部关节控制和转弯步态规划问题,建立四足机器人单腿动力学模型,分析其多输入多输出、时变、耦合和非线性等特性,建立并推导一种具有输入解耦形式的多输入输出特征模型;在此基础上设计由多变量黄金分割自适应控制律和微分控制律组成的控制器;其次提出一种对角转弯步态,通过修正左右腿的迈步步长实现机器人的转弯,进一步分析步长修正量与转弯半径的关系;最后通过虚拟样机技术,分别进行机器人零负载和50 kg负载情况下的直行和转弯步态仿真,仿真结果验证所提方法的有效性.     

基于能耗最优的多足机器人综合步态优化方法

为综合研究步态参数、摆动腿足端轨迹和机身运动轨迹对多足机器人步态稳定性和能耗的影响,文章提出一种基于能耗最优的多足机器人综合步态优化方法,将步态优化过程转换为两个嵌套的子优化问题。首先,采用一种基于零力矩点稳定性理论的机身运动轨迹规划方法,针对给定的下一步落足点和支撑多边形,规划机身运动轨迹,在保证机身轨迹连续平滑的同时,确保机器人在迈步过程中的稳定性。其次,提出一种基于能耗指标的周期性步态优化方法,建立足式机器人虚拟样机模型作为步态优化模型,对步态参数、摆动腿足端轨迹和机身运动轨迹同时进行优化,保证机器人的步态稳定性,得到使机器人前进单位距离能耗最小的步态。最后,搭建足式机器人虚拟样机仿真平台,仿真结果表明,采用本文的步态优化方法,在保证机器人平稳前进的同时,机器人前进单位距离能耗与优化前相比降低了约14%。     

一种腿臂融合四足机器人设计与分析

设计了一种腿臂融合的四足机器人,其具有腿臂功能复用的分支,不仅可以实现行走,还可以进行操作。对该机器人的行走模式和操作模式进行了研究,首先,建立了机器人单腿运动学模型,推导出机身整体的逆运动学;其次,对腿臂功能复用分支的5自由度操作臂模型进行了运动学分析,提出了欠自由度操作臂保证末端位置和末端姿态2种情况下的逆运动学最优求解方法,并分别给出了位置或姿态偏差;然后,建立了支撑面、支撑腿、本体、操作臂所组成的串并混联机构的运动学模型,利用本体位移补偿操作臂末端位置偏差,从而实现操作臂末端精确操作;最后,对机器人本体、操作臂以及串并混联机构的工作空间进行了仿真,并利用实验验证了该机器人腿行走和臂操作的功能。     

基于近端策略优化算法的四足机器人步态控制研究

足式机器人步态控制是机器人研究领域的难点问题,应用强化学习让机器人自主学习策略提供了一种很好的解决思路.基于ROS机器人操作系统搭建了四足机器人仿真平台,将近端策略优化算法用于四足机器人步态控制,并与其他深度强化学习算法进行了对比分析.仿真实验结果表明,近端策略优化算法在实际应用中具有更好的训练效果.     

面向复杂曲面的爬壁机器人机构及运动学分析

针对表面附有轨道的复杂曲面,提出了一种能够沿轨道移动的爬壁机器人机构.由于环境约束的复杂性,提出了功能分离的模块化机构设计思想,将机器人的功能划分为攀爬及姿态调整和沿轨道移动两种功能,并相应地设计了两套运动机构.四足爬行机构实现机器人的攀爬及姿态调整功能;轮轨机构完成沿轨道快速移动功能.对抓持与姿态调整运动进行了详细分析,并以球形曲面为例,得出相关关节控制变量的解析表达式.定性地分析了机构在其它曲面下,相关关节的变化形式.理论分析及设计实例表明机构对布有轨道的复杂曲面具有较好的适应性.     

一种柔性机器人的神经网络控制方法

提出了一种末杆为柔性杆的机器人的新型神经网络控制方法.它将末杆为柔性杆的机器人分解成刚性前端和柔性末端两部分,使用传统的机器人控制方法控制刚性前端,采用神经网络辩识柔性末端部分的逆模型,将末端的期望轨迹实时分解成末关节转角及末关节轴位姿的期望轨迹再分别进行控制.这一方法将传统的基于模型的控制方法和神经网络方法有机结合在一起.通过对平面3杆柔性机器人的数值仿真,初步验证了这一方法的有效性和良好效果.     

基于四元数表示法的机器人基坐标系标定方法

在多机器人协同、运动学参数辨识和机器人离线编程等作业任务下,需要标定出机器人基坐标系在世界坐标系中的精确位姿.提出和实施了一种利用四元数表示法进行机器人基坐标系精确标定的方法.利用指数积公式,建立机器人的运动学模型.利用外部测量设备,测量出5个不共面的工具中心点,并记录对应的机器人关节位形.以基坐标系位姿对应的旋转矩阵元素为变量,建立不相容方程组,并求出基坐标系位姿的初步齐次矩阵.由于测量误差和截断误差,初步齐次矩阵的旋转矩阵部分不能满足单位正交阵的性质.利用四元数的几何约束条件,建立罚函数形式的目标方程,将初步齐次矩阵进行正交化修正.通过一系列的实际机器人的标定试验,验证了该标定方法的正确性,并提高了机器人末端的定位精度.      

腿臂融合型在轨装配机器人运动建模与步态规划

针对目前机器人在轨装配存在的作业效率低、空间操作受限、环境感知不完全等问题,提出一种腿臂融合型在轨装配机器人。首先,使用D-H法建立了腿臂融合型装配机器人运动学模型,并对其单个腿部进行正逆运动学分析,得到单个腿各个关节角和足端之间的运动关系;其次,分析了腿臂融合型装配机器人的行走步态和装配步态,行走步态中分析了二步态和三步态,装配步态中分析了单臂装配和双臂装配,使机器人达到平稳的行走和装配;最后,基于ROS(robot operating system)搭建仿真平台并对行走步态进行了仿真验证,结果表明提出的方法能够有效用于该机器人的行走。     

基于微多普勒特征的人体上肢运动参数估计

人体行走的雷达特征研究是近年发展起来的新的研究方向,基于雷达的人体目标探测在安全防护、灾害救援、生物力学和运动学研究等方面具有广阔的应用前景。人体走动时手和腿的摆动对回波信号产生调制,回波信号的微多普勒特征能精细地刻画体动规律,将有效地探测并估计人体的运动规律。主要研究人体上肢的雷达特征,首先以人体上肢的运动模型为基础,建立了其雷达回波模型,通过理论分析得到了参数估计的方法,通过广义Radon变换提取行人摆臂的微多普勒。最后通过仿真实验,验证了算法的有效性。     

演绎数据库的研究与实现

讨论了演绎数据库研究的必要性,然后分析了与其相关的理论和实现方法,提出了一种有效的演绎数据库系统DDBASE的实现方法。该系统在功能上分为一般DB操作和演绎推理两部分,并为用户提供一种数据结构独立、非过程化的自主型演绎查询语言(Deductive Qcerg Language),该系统已建立在IBM PC微型机上,实验结果表明:这种实验方法是行之有效的。     

六轮腿式机器人结构设计与运动模式分析

复合运动模式机器人是移动机器人研究的热点之一。轮腿复合式机器人综合了轮式机器人的快速性和腿式机器人的灵活性,能更好地适应复杂地面环境。设计了一种圆周对称的六轮腿式机器人,其新型的轮腿组合方式使其在不增加多余驱动的基础上,通过改变自身构态实现轮腿运动模式的切换,降低了结构的复杂性,避免了轮子当作足在行走过程中磨损造成的不良影响。给出4种典型\"3+3\"三角周期步态和不同步态行走过程中的等效机构,建立了单腿正运动学和逆运动学模型,分析了不同步态间切换过程。根据机器人的特殊轮腿结构进行了轮腿运动模式切换规划,并分析了轮式运动和轮行过程中的转向问题,建立了4种轮行转弯运动学模型。通过轮腿式机器人样机试验,验证了其步行运动、轮行运动以及不同运动模式切换的能力。      

仿生爬壁蠕虫运动步态控制算法

设计了一种基于仿生原理的爬壁蠕虫机器人,分析了这种机器人的结构,并利用仿生学原理设计了基于三角波和梯形波特点的两种运动步态.在分析现有神经中枢控制CPG(Central Pattern Generator)算法基础上,应用循环抑制CPG模型和相互抑制CPG模型,构建了爬壁蠕虫机器人的三角波步态CPG控制网络和梯形波步态CPG控制网络,并结合吸盘状态,加入反馈信号,实现了带有反馈的CPG控制算法.利用爬壁蠕虫机器人模型,仿真验证了这种控制算法对蠕动运动步态控制的有效性,通过在爬壁蠕虫机器人原理样机上的步态实验,证明了该算法的可行性.     

单人行走运动参数估计方法

人体运动雷达微多普勒能够为目标识别提供特征。由于行人雷达回波的复杂性,从雷达回波中提取运动参数难度很大。为了实现目标精确识别,提出了一种估计单人行走平动速度、步态周期和步长的方法。首先应用广义S变换(GST)得到雷达回波的微多普勒谱,然后提取出躯干部位的微多普勒分量,并将此分量转为一维时间频率序列,最后从序列中直接估计行走的平动速度和步态周期,用这2个估计值间接估计步长。仿真实验证明:本文方法抗噪声性能好,当信噪比大于4 dB时,估计精度高。      

人—机—环境系统设计中人的性能研究

为了提高人－机－环境系统的性能特性,目前发展了以人为核心的人－机－环境系统设计思想,本文结合该设计思想,进一步分析了人－机－环境系统中人的性能研究的主要方面,提出了多因素耦合作用下人机特性模型将成为今后的主要研究方向。