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基于激光雷达的SLAM方法综述

数字制造科学 2024年第2期 100-105页

作者：郑成基郭敏周超吴超群蒲茜柴汇杜晓辉武汉理工大学机电工程学院北京交通大学机械与电子控制工程学院山东大学控制科学与工程学院机械工业仪器仪表综合技术经济研究所

工业技术革新使得机器人对自主导航和路径规划的要求日趋严格，基于激光雷达的同步定位和地图构建作为一种高效、成熟的自主导航方案，已成功在多种场景中实现智能作业。本文针对激光同步定位与建图SLAM的发展现状，系统分析基于滤波器... 详细信息

工业技术革新使得机器人对自主导航和路径规划的要求日趋严格，基于激光雷达的同步定位和地图构建作为一种高效、成熟的自主导航方案，已成功在多种场景中实现智能作业。本文针对激光同步定位与建图SLAM的发展现状，系统分析基于滤波器和基于图优化的两种激光SLAM的经典方案，并围绕激光SLAM的基本框架分别对近年来较高效的SLAM算法进行详细介绍，最后对激光SLAM的发展趋势进行了展望。

关键词：激光雷达同步定位与建图地图构建扫描匹配闭环检测后端优化

基于全身力矩控制的双腿轮机器人跳跃方法研究

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自动化学报 2023年第8期49卷 1635-1644页

作者：辛亚先李贻斌柴汇荣学文李彬山东大学控制科学与工程学院济南250061 山东大学机器人研究中心济南250061 齐鲁工业大学(山东省科学院)数学与统计学院济南250353

双腿轮机器人由于内在不稳定性以及强耦合非线性特性,其运动控制尤其是高动态运动控制非常困难.为此,提出基于最优力分配的全身力矩控制框架,可同时实现双腿轮机器人的自平衡与躯干位姿控制;为提高双腿轮机器人在高速运动时跨越垂直障... 详细信息

双腿轮机器人由于内在不稳定性以及强耦合非线性特性,其运动控制尤其是高动态运动控制非常困难.为此,提出基于最优力分配的全身力矩控制框架,可同时实现双腿轮机器人的自平衡与躯干位姿控制;为提高双腿轮机器人在高速运动时跨越垂直障碍物的能力,提出应对垂直障碍的跳跃动作规划方法,并基于全身力矩控制框架进行控制与实现;通过分析简化的轮式倒立摆模型,得到腾空时飞轮转动对俯仰姿态的动力学影响,实现腾空阶段俯仰姿态的调整.设置连续跳跃仿真实验与有无飞轮调整的俯仰姿态对比实验,其仿真结果证明所提方法的有效性与鲁棒性.

关键词：双腿轮机器人自平衡最优力分配动态控制全身力矩控制

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轻质液压机械臂的机构优化

济南大学学报（自然科学版） 2022年第4期36卷 470-475页

作者：朱晓蕙赵鑫宇刚宪约柴汇山东理工大学交通与车辆工程学院山东淄博255000 山东大学机器人研究中心山东济南250061

针对轻质液压机械臂载荷质量比小、关节工作范围小的研究现状,对某轻质液压机械臂进行机构优化;基于向量代数和线性变换原理,建立机械臂机构的显式分析方程和准静态力平衡方程,并提出机械臂构型的优化设计模型;以机械臂工作范围、连杆... 详细信息

针对轻质液压机械臂载荷质量比小、关节工作范围小的研究现状,对某轻质液压机械臂进行机构优化;基于向量代数和线性变换原理,建立机械臂机构的显式分析方程和准静态力平衡方程,并提出机械臂构型的优化设计模型;以机械臂工作范围、连杆机构尺寸、驱动油缸的伸缩单调性为约束条件,以极小化油缸驱动力峰值为目标函数,对机械臂各关节铰接点位置进行优化设计。结果表明,优化设计后的机械臂运动范围幅度大,承载能力强,有效减小了关节铰接点载荷。

关键词：轻质液压机械臂机构优化显式分析油缸驱动力载荷质量比

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电动力液压驱动四足双臂机器人的设计与实现

机器人 2022年第6期44卷 649-659页

作者：刘松柴汇李贻斌宋锐李剑荣学文付鹏刘建利侯晋冕胡加银山东大学控制科学与工程学院山东济南250061 山东大学机器人研究中心山东济南250061 公安部第一研究所北京100048

针对定基座机器人在复杂环境下作业能力不足的问题,研制出电动力液压四足双臂机器人,将浮动基座与双臂系统的优势有机结合,能够代替人员完成复杂环境下应急处置、工程作业等任务。详细阐述了四足双臂机器人的机械结构、机载电液动力系... 详细信息

针对定基座机器人在复杂环境下作业能力不足的问题,研制出电动力液压四足双臂机器人,将浮动基座与双臂系统的优势有机结合,能够代替人员完成复杂环境下应急处置、工程作业等任务。详细阐述了四足双臂机器人的机械结构、机载电液动力系统、分布式控制系统以及仿真与操作训练平台的设计与实现。提出基于全身虚拟模型的足底力分配方法与足臂协调运动规划方法,实现了躯干浮动基座与双臂系统的联动,大大提升了机器人的作业能力和效率。通过搭建的仿真与操作训练平台完成单臂作业以及双臂协同作业的仿真,验证了所提出控制方法的有效性,并对机器人操作员进行操作训练。在实际样机实验中,测试了单臂抓取以及双臂协同抓取的能力,证明了四足双臂机器人能够满足复杂环境下移动作业的需求。

关键词：四足机器人足臂协调电液动力源分布式控制浮动基座

连续不规则台阶环境四足机器人步态规划与控制

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机器人 2015年第1期37卷 85-93页

作者：孟健李贻斌柴汇李彬山东大学控制科学与工程学院山东济南250061

为了实现四足机器人在无崎岖地形先验知识情况下的自主爬行,提出了一种四足机器人运动控制方法.该方法采用间歇爬行步态作为主步态,将爬行运动分解为若干任务分别进行控制:基于NESM(normalized energy stability margin)判据计算内外倾... 详细信息

为了实现四足机器人在无崎岖地形先验知识情况下的自主爬行,提出了一种四足机器人运动控制方法.该方法采用间歇爬行步态作为主步态,将爬行运动分解为若干任务分别进行控制:基于NESM(normalized energy stability margin)判据计算内外倾的稳定裕度并根据其比值进行质心位置调整;使用坐标映射的方式调整足端坐标进行地面坡度适应;通过调整各腿长度控制机器人的高度;利用姿态传感器信息进行姿态恢复.仿真和实验表明,机器人仅依赖内部传感器即实现了在崎岖地形稳定行走,验证了本文方法的有效性和可靠性.

关键词：四足机器人台阶间歇爬行步态崎岖地形

高性能液压驱动四足机器人SCalf的设计与实现

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机器人 2014年第4期36卷 385-391页

作者：柴汇孟健荣学文李贻斌山东大学控制科学与工程学院山东济南250061

详细阐述了液压驱动的四足仿生机器人SCalf的结构组成、机载动力系统、液压驱动器和实时控制系统.利用基于姿态解耦的运动控制方法,实现了机器人的平稳、快速运动.开发了基于足底接触力的腿部柔顺控制方法,提高了机器人对复杂地形的适... 详细信息

详细阐述了液压驱动的四足仿生机器人SCalf的结构组成、机载动力系统、液压驱动器和实时控制系统.利用基于姿态解耦的运动控制方法,实现了机器人的平稳、快速运动.开发了基于足底接触力的腿部柔顺控制方法,提高了机器人对复杂地形的适应能力.在实际运行实验中,验证了SCalf机器人在非平整路面、易打滑路面、上下坡及上楼梯状况下的运动能力,以及受到侧向冲击时的抗扰动能力和自主平衡能力,证明了SCalf四足机器人能够满足较为复杂地面环境下的行走需求.

关键词：四足机器人液压驱动柔顺控制平衡控制

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基于力反馈的液压柔顺驱动器补充能量控制

机械工程学报 2018年第6期54卷 203-214页

作者：齐海涛刘子龙柴汇北京航空航天大学工程训练中心北京航空航天大学机械工程及自动化学院山东大学机械工程学院

在大型足式机器人的驱动系统中,使用液压柔顺驱动器进行补充能量控制可以极大地提高机器人的续航能力,因此具有很强的实用价值。首先通过扫频的方式分别得到驱动器输出端空载状态位置频率特性曲线和输出端静止状态力频率特性曲线,然后通... 详细信息

在大型足式机器人的驱动系统中,使用液压柔顺驱动器进行补充能量控制可以极大地提高机器人的续航能力,因此具有很强的实用价值。首先通过扫频的方式分别得到驱动器输出端空载状态位置频率特性曲线和输出端静止状态力频率特性曲线,然后通过MATLAB的ident系统辨识工具箱进行模型辨识得到较准确的驱动器数学模型。基于上述模型采用自抗扰力控制器,实时估计扰动及对其进行有效的补偿,取得了较好的力控制效果,进而通过力控制将液压缸等效为变刚度弹簧。建立液压柔顺驱动器中液压能、驱动器能量和热能三种能量的动态模型,并对简化运动过程中三种能量之间的转换规律进行分析。基于变刚度策略对运动过程进行了补充能量控制,提高了能量使用效率。不同负载质量和不同液压缸刚度情况下的水平方向运动试验结果验证了上述控制策略的有效性。

关键词：液压伺服控制柔顺驱动器自抗扰控制补充能量控制

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基于虚拟模型控制的四足机器人缓冲策略

机器人 2016年第6期38卷 659-669页

作者：刘斌荣学文柴汇山东大学控制科学与工程学院山东济南250061

提出了一种基于虚拟模型控制的四足机器人缓冲策略.根据机器人落地过程中的触地状态和躯干纵向速度,将机器人的落地过程分为下落阶段、缓冲阶段和恢复阶段.在下落阶段,通过虚拟"弹簧-阻尼"元件驱动足端沿期望轨迹运动.在缓冲阶段和恢复... 详细信息

提出了一种基于虚拟模型控制的四足机器人缓冲策略.根据机器人落地过程中的触地状态和躯干纵向速度,将机器人的落地过程分为下落阶段、缓冲阶段和恢复阶段.在下落阶段,通过虚拟"弹簧-阻尼"元件驱动足端沿期望轨迹运动.在缓冲阶段和恢复阶段,控制器根据机器人下落过程中落地腿数目的不同,分别建立支撑腿与躯干质心虚拟力之间的数学关系,并通过施加在躯干质心的虚拟力的大小来控制躯干的位姿.躯干质心所施加的虚拟力通过主动变刚度控制实现,控制器根据机器人所处的落地阶段,给出合理的虚拟刚度和阻尼,从而减小机器人落地的冲击.由仿真实验可以看出,此缓冲策略是有效的.

关键词：四足机器人虚拟模型控制力控制主动变刚度控制

履带式井下探测机器人底层控制系统研究与设计

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履带式井下探测机器人底层控制系统研究与设计

作者：柴汇山东大学

学位级别：硕士

中国作为世界产煤大国，也是世界煤矿事故高发国家，需要非常重视煤矿生产的安全。在灾害发生前如何对隐患进行准确及时的检测与预防，灾后如何尽最大的可能性进行施救，将是一个具有重大意义的课题。本文将描述针对目前的这种现实需求... 详细信息

中国作为世界产煤大国，也是世界煤矿事故高发国家，需要非常重视煤矿生产的安全。在灾害发生前如何对隐患进行准确及时的检测与预防，灾后如何尽最大的可能性进行施救，将是一个具有重大意义的课题。本文将描述针对目前的这种现实需求研究的井下探险探测机器人移动平台样机的控制系统的设计过程。在文章开始介绍了课题的来源、背景、意义及国内外研究的现状。为了使大家对机器人平台有直观的认识，介绍了一下机器人的机械结构。同时，介绍了课题设计的方案及指标。机器人移动平台使用了基于CAN总线的分布式控制系统。文中分为硬件、算法和程序设计三部分描述了该控制系统的设计过程。同时制定了一套基于行为的机器人指令系统，通过试教和机器人自身的专家规则优化形成机器人的行为。行为形成后，机器人可以通过对行为的配合完成任务。控制系统CAN节点采用FreeScale的16位微控制器MC9S12DG128B构成。控制器除了通信作用外，还完成对机器人平台的底层控制。机器人靠电机动力驱动，系统中使用了SA56和SA60两种大功率集成H桥型PWM信号功率放大电路作为直流有刷电机的驱动器。文中介绍了CAN总线网络在控制系统中的结构，并说明各部分的意义。在算法方面，机器人的动作通过人为示教形成并被封装成为一个个行为对象。在单独的行为对象中包含了基于强化学习中的Q学习及人工神经网络的优化学习算法。机器人形成行为对象后，通过学习算法使自身的行为动作更好的适应环境。在遇到类似环境时，机器人使用相同的行为仍可根据环境的变化进化自身的行为动作。程序设计方面，从控制程序中抽出4个典型的主程序和子程序，详细介绍了程序设计思路和程序流程。在文章的最后，根据实际的实验结果对控制系统进行总结，评价该设计在机器人样机的优缺点及改进思路。

关键词：移动机器人煤矿安全 CAN总线强化学习