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一种新的海底履带式采矿车动力学模型建模及采集路径模拟分析

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应用基础与工程科学学报 2014年第2期22卷 400-413页

作者：戴瑜刘少军中南大学信息科学与工程学院湖南长沙410083 中南大学机电工程学院湖南长沙410083 浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室浙江杭州310027

针对海底稀软底质特殊力学载荷下履带式采矿车的行走动力学特性分析,提出一种新的基于单刚体车体模型与网格单元接地段模型的履带车动力学模型建模方法.该方法将履带车作为一个整体系统进行建模考虑,仅有6个自由度.同时将履带接地段划... 详细信息

针对海底稀软底质特殊力学载荷下履带式采矿车的行走动力学特性分析,提出一种新的基于单刚体车体模型与网格单元接地段模型的履带车动力学模型建模方法.该方法将履带车作为一个整体系统进行建模考虑,仅有6个自由度.同时将履带接地段划分为一定数量的网格单元,履带与地面之间的相互作用力单元包括纵向剪切力、横向剪切力和法向作用力,以参数化三分量力的形式施加于各网格单元的中心点处.该建模方法可实现海底底质等各类特殊松软地面力学载荷的加载,应用该方法构建履带式采矿车海底行走动力学模型.通过理论分析与定量计算,提出并设计两种新的采矿车海底行走采集路径,基于新的采矿车动力学模型,进行两种新采集路径的快速仿真分析,分析结果将为采矿车海底实际行走性能分析与作业操控提供重要的理论基础与技术参考.本文研究为各类特殊松软地面作业履带车行走动力学特性分析提供了一种有效方法.

关键词：深海采矿履带式采矿车单刚体模型网格单元模型采集路径动力学仿真分析

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双足机器人模型预测控制算法的研究

双足机器人模型预测控制算法的研究

作者：侯兰东齐鲁工业大学

学位级别：硕士

双足机器人作为腿足式机器人领域的重要研究对象,具有广泛的应用前景。在未来,其有望成为人类的助手,在紧急救援、物流配送等领域为人类提供帮助。然而,双足机器人的动力学非常复杂,这导致它的控制策略的设计也异常困难。所以,为双足机... 详细信息

双足机器人作为腿足式机器人领域的重要研究对象,具有广泛的应用前景。在未来,其有望成为人类的助手,在紧急救援、物流配送等领域为人类提供帮助。然而,双足机器人的动力学非常复杂,这导致它的控制策略的设计也异常困难。所以,为双足机器人设计稳定的控制策略,使其能够在地面行走、跳跃,一直是研究者们关注的焦点。本文旨在借助模型预测控制算法鲁棒性和适应性较强的特点,实现双足机器人的稳定控制。本文提出了一种正运动学模型预测控制方法作为双足机器人的逆运动学求解策略。同时,本文基于单刚体模型预测控制方法,为双足机器人提出一种改进的支撑腿控制方法和一种改进的控制框架。(1)正运动学模型预测控制方法,是一种新的基于数值迭代的逆运动学求解策略。与基于逆雅可比矩阵的数值迭代方法相比,该方法不需要对雅可比矩阵求逆,适用于雅可比矩阵无法求逆的情况。同时,与几何解析法相比,它的设计和求解过程固定且简单,不依赖于设计者对机械结构的理解,具有很强的通用性,因此可以降低双足机器人逆运动学算法的设计复杂度。(2)基于虚拟腿的单刚体模型预测控制方法,是一种改进的双足机器人支撑腿控制方法。在双足机器人的整体控制框架中,支撑腿控制策略很大程度上决定了机器人的稳定性。单刚体模型预测控制方法适用于四条腿的点状足机器人,而双足机器人只有两条腿,导致该方法的稳定性不高。特别是在静止站立时,因为此时双足机器人无法调整落足点位置。双足机器人具有线状足或者矩形足,与地面的接触较为稳定,但是该方法对腿部末端关节的利用率不高,无法发挥此项优势。实验结果表明,基于虚拟腿的单刚体模型预测控制方法,可以同时解决上述两个问题,增强站立时的稳定性。(3)基于扰动预测学习的双足机器人整体控制框架,将单刚体模型预测控制方法与深度强化学习算法相结合,是一种基于学习的控制方法。该方法将双足机器人摆动腿对躯干运动的影响建模为躯干的质心加速度扰动和旋转加速度扰动。并通过深度强化学习算法得到一个可以根据双足机器人运动状态输出扰动的预测策略。模型预测算法根据扰动预测值和单刚体动力学,给出地面反作用力的最优解,以抵抗摆动腿对躯干运动的影响,增强行走时的稳定性。新的框架放宽了单刚体模型对腿部质量占比的限制,拓宽了单刚体模型在双足机器人中的适用范围。

关键词：双足机器人单刚体模型模型预测控制深度强化学习虚拟腿

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深海采矿系统整体联动作业模式动力学分析

华中科技大学学报（自然科学版） 2012年第S2期40卷 39-43页

以我国深海采矿海试系统设计方案为工程背景,构建基于海底履带式集矿机单刚体模型、扬矿管线多体离散元模型与水面采矿船运动学模型组合的深海采矿整体系统三维动力学模型.提出一种新的由纵向直线联动、转向联动与横向直线联动相结合的... 详细信息

以我国深海采矿海试系统设计方案为工程背景,构建基于海底履带式集矿机单刚体模型、扬矿管线多体离散元模型与水面采矿船运动学模型组合的深海采矿整体系统三维动力学模型.提出一种新的由纵向直线联动、转向联动与横向直线联动相结合的整体联动作业模式,实现该新型作业模式的动力学仿真分析,获得联动过程中各主要子系统运动轨迹、子系统间相互作用力、扬矿硬管偏角等关键动力学特性结果.仿真结果表明:在该新型联动作业模式下各子系统均能保持在允许范围内稳定运动,证明了提出的整体联动作业模式的合理性与可行性.

关键词：深海采矿系统单刚体模型多体离散元模型新型联动模式动力学分析

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仿人机器人跳跃运动的轨迹优化研究

仿人机器人跳跃运动的轨迹优化研究

作者：孙俊宝哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

高自由度仿人机器人系统作为机器人技术的重要方向之一，其具备的高动态运动能力和环境适应性在医疗、救援等领域有着广泛的应用前景。为了提高机器人的运动能力和环境适应性，本文将开展仿人机器人的跳跃运动轨迹优化研究，并通过仿人... 详细信息

高自由度仿人机器人系统作为机器人技术的重要方向之一，其具备的高动态运动能力和环境适应性在医疗、救援等领域有着广泛的应用前景。为了提高机器人的运动能力和环境适应性，本文将开展仿人机器人的跳跃运动轨迹优化研究，并通过仿人机器人平台HIT-HU开展跳跃运动实验验证。　　针对仿人机器人HIT-HU平台，分析了机器人的运动学和动力学模型。为了提高轨迹优化问题的求解速度，本文建立了简化的质心动力学模型以及单刚体模型(Single Rigid Body Model, SRBM)。分析了跳跃运动过程中不同相位的接触动力学，并采用互补约束的方法对机器人与环境的接触进行建模，建立了统一的仿人机器人动力学模型。这种方法能够避免针对不同接触模式分别建立机器人动力学模型。　　将仿人机器人的跳跃运动规划建模成带约束的轨迹优化问题，各种运动约束建模成轨迹优化问题的约束条件。采用微分动态规划(Differential Dynamic Programming, DDP)对轨迹优化问题求解，采用罚函数法处理上述约束。机器人跳跃过程中的角动量变化影响机器人离地过程中的稳定性，通过质心动量矩阵(Centroidal momentum matrix, CMM)计算机器人质心角动量，将机器人的关节角度和角动量约束在一起。基于Crocoddyl开源库构建微分动态规划轨迹优化算法，针对仿人机器人垂直跳跃运动等高动态运动轨迹，通过人工给定初始轨迹，进行数值优化实验。　　为了克服微分动态规划对初始点的选择十分敏感的问题，本文提出了一种基于直接配点法的分层轨迹优化框架。采用基于单刚体模型的直接配点法(Direct Collocation Methods)，生成足式机器人HIT-HU简化单刚体模型的质心轨迹、足端轨迹和足端地面反作用力轨迹等，将其作为初始轨迹猜测，带入到微分动态规划法求解最优全身关节轨迹。本文开展了基于该框架的垂直跳跃数值仿真，采用CasADi进行直接配点法优化算法的搭建，基于IPOPT的求解器求解。针对不同难度的高动态跳跃运动，轨迹优化框架算法的收敛时间比微分动态规划轨迹优化算法平均节省49.59%。　　基于Drake对机器人进行垂直跳跃仿真，在仿人机器人HIT-HU物理样机上对算法生成的垂直跳跃轨迹进行了跟踪测试以及起跳相实验。结果表明，通过该算法生成的跳跃运动轨迹可以有效地转化为仿人机器人的运动，并且可以在物理样机上有效执行，验证了该算法的有效性。垂直跳跃实验表明本文采用的轨迹优化算法能够在实际应用中发挥重要作用。

关键词：仿人机器人跳跃运动轨迹优化质心动力学模型单刚体模型互补约束

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外力扰动下四足机器人鲁棒平衡控制策略研究

外力扰动下四足机器人鲁棒平衡控制策略研究

作者：何祜宁南京理工大学

学位级别：硕士

本文针对外力扰动下四足机器人的鲁棒平衡控制问题,研究了四足机器人在对角小跑步态下的平衡稳定控制策略以及对角腿支撑站立态下的线平衡控制策略,并通过仿真实验,验证了控制策略的可行性。首先,基于旋量理论建立了四足机器人三自由度... 详细信息

本文针对外力扰动下四足机器人的鲁棒平衡控制问题,研究了四足机器人在对角小跑步态下的平衡稳定控制策略以及对角腿支撑站立态下的线平衡控制策略,并通过仿真实验,验证了控制策略的可行性。首先,基于旋量理论建立了四足机器人三自由度开链单腿的正逆运动学模型,然后基于曲柄摇杆机构的分析,对工程中常用的闭链机构腿进行正逆运动学分析;其次基于空间矢量理论建立四足机器人单腿开链动力学模型以及全身动力学模型,并基于虚功原理建立闭链单腿动力学模型以及含闭链机构的全身动力学模型,在Webots中建立四足机器人闭链单腿虚拟样机,实现基于逆运动学与逆动力学的足端轨迹跟踪控制,验证了运动学与动力学建模的准确性,为后续展开实物样机实验建立模型基础。其次,针对侧向推搡扰动下的平衡恢复问题,基于腿足式机器人虚拟腿原理,将四足机器人对角小跑运动抽象为线性倒立摆的运动,并基于线性倒立摆的运动发散量(Divergent Component of Motion,DCM)理论,建立二次规划问题,保证DCM在支撑平面的投影与下一时刻落足点距离始终在步捕获域半径内,在摆动相对落足位置和迈步时间同时进行控制。当机器人受到较大侧向推搡力时,机器人快速提高迈步频率进行侧向迈步以实现从较大推搡中恢复稳定,支撑力的控制采用成熟的虚拟模型控制器。最后通过Webots仿真验证了该策略的有效性。然后,针对上述基于线性倒立摆模型的落足点控制策略未考虑姿态扰动的问题,利用单刚体模型考虑机身姿态扰动的特点,考虑离散落足点变化对机身姿态动力学的影响,将单刚体模型视为混杂系统,并基于此建立线性模型预测控制器,该线性模型考虑了落足点对机身姿态动力学的影响,对支撑力与落足点同时进行求解,其中参考落足点由基于线性倒立摆模型的控制策略求解。该落足点同时考虑了对机身姿态和机身速度的影响,在一定程度上提高了机器人行走过程中的姿态扰动抵抗能力。并通过Webots仿真验证该策略在姿态扰动力下的平衡恢复能力。最后,针对四足机器人处于对角支撑态下的线平衡控制问题,基于变分法对单刚体模型进行线性化,建立考虑摩擦锥约束的LQR控制器,求解对角支撑腿足端力的变分。针对考虑摩擦锥约束的HJB偏微分方程中代价函数最优解求解困难的问题,使用无约束情况下的代价函数最优值进行近似,从而将HJB偏微分方程求解转换为一个二次规划问题,保证控制的实时性,其中参考足端支撑力由虚拟模型控制器生成。基于该策略,在Webots仿真中实现了对角支撑态下的线平衡,并具备姿态扰动抵抗能力,验证了该策略的有效性。

关键词：四足机器人运动发散量理论单刚体模型模型预测控制线平衡

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面向台阶地形的四足机器人运动规划方法研究

面向台阶地形的四足机器人运动规划方法研究

作者：高立宇南昌大学

学位级别：硕士

本文基于自主设计的四足机器人实验平台,针对四足机器人在无外部感知传感器的条件下面向台阶地形如何稳定行走的问题进行了研究。设计出了一套高稳定性、高鲁棒性的控制系统,有效的提高了四足机器人在台阶地形中行走的稳定性,其具体包... 详细信息

本文基于自主设计的四足机器人实验平台,针对四足机器人在无外部感知传感器的条件下面向台阶地形如何稳定行走的问题进行了研究。设计出了一套高稳定性、高鲁棒性的控制系统,有效的提高了四足机器人在台阶地形中行走的稳定性,其具体包括以下内容:(1)根据机器人的功能需求,设计了软硬件控制架构。选择以UP board为核心的硬件设备,并确定了使用SPI转CAN通讯方式与关节电机进行通讯。此外,还按照功能实现的需求,将控制算法分为底层通讯和上层控制等不同的模块来实现。(2)根据四足机器人的结构参数列出D-H表,并求解其运动学正逆解。其次根据运动学模型设计基于腿里程计的机器人质心导航算法,成功估计机器人质心的位置与速度;最后完成四足机器人单刚体动力学建模,从而完成四足机器人的建模工作。(3)设计了具有较高稳定裕度的四足机器人攀爬步态,并采用多项式拟合的方法设计了具有避障特性的足端轨迹。此外,通过分析台阶地形的特点,提出一种结合足端位姿的三维平面拟合坡度估计算法。最后,利用获得的地形信息调整机器人足端位置与机体姿态;通过模型预测控制(MPC)算法计算出满足攀爬任务的足端反力,成功实现了四足机器人在台阶地形中稳定行走。(4)在仿真和实体机器人平台上部署本文所提出的坡度估计算法和运动控制策略,成功实现了机器人在10cm高度的台阶地形中平稳行走,且横滚波动小于3.6°。从而验证了本文所提出的运动控制算法的可行性与有效性。本文所提出的四足机器人控制系统,有效地实现了机器人在台阶地形下的稳定行走,为四足机器人在非结构化地形中的行走提供了一定的参考价值。

关键词：四足机器人台阶地形单刚体模型模型预测控制控制策略

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轮式双足机器人的建模与稳定性控制研究

轮式双足机器人的建模与稳定性控制研究

作者：沈悰华中科技大学

学位级别：硕士

随着工厂无人化的持续推进,目前机械臂式的工业机器人无法满足众多高复杂度的工作,轮式和足式等移动机器人逐渐进入研究人员的视野。但是轮足混合机器人在能量利用率以及运动速度上有着较大的优势。所以,融合了足式与轮式移动机器人优... 详细信息

随着工厂无人化的持续推进,目前机械臂式的工业机器人无法满足众多高复杂度的工作,轮式和足式等移动机器人逐渐进入研究人员的视野。但是轮足混合机器人在能量利用率以及运动速度上有着较大的优势。所以,融合了足式与轮式移动机器人优势的轮足混合机器人得到了越来越多的关注,如轮式双足机器人。然而,由于轮式双足机器人的研究刚刚起步,对其运动控制的研究还不完善。为此,本文对轮式双足机器人的建模与控制进行了研究。主要工作如下:1)构建了使用准直驱力控电机的轮式双足机器人Mini Nezha。研究了目前轮式双足机器人的各种构型,设计了可以独立控制基体姿态的6自由度轮式双足机器人,使得搭载机械臂的操作能力得到提升。搭建了高速传输数据的CAN通讯网络,使得机器人可以准确迅速的获得传感器信息反馈。2)对构建的轮式双足机器人进行了运动学以及动力学的建模。研究了旋量法用于机器人运动学建模,并设计出轮式双足机器人的正运动学与逆运动学算法。提出了考虑轮子转动的轮式单刚体模型并进行了线性化,解决了单刚体模型无法准确描述轮式双足机器人的问题。研究了轮式双足机器人的全身动力学的计算方法,实现了轮式双足机器人的全身动力学参数计算。3)首次提出使用轮式单刚体模型对轮式双足机器人进行预测控制。在使用二次规划求解模型预测问题基础上,设计了考虑外界扰动影响的预测轨迹生成方法,增强了机器人的抗扰动能力。最后,在搭载机械臂的轮式双足机器人上,进行了一系列实验,验证了所提算法在抗扰动方面的有效性和优越性。4)研究了基于任务空间规划轨迹,进行轮式双足机器人全身控制的算法。提出了基于小车极点模型的线性二次调节器输出平衡轨迹,给予了全身控制算法一定的预测能力。最后,在Mu Jo Co仿真引擎上验证了所提算法,多组实验展现所提算法提高了轮式双足机器人面对未知地形的通过性。

关键词：轮式双足机器人模型预测控制全身控制任务空间控制单刚体模型

电驱动仿生四足机器人的运动稳定控制方法研究

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电驱动仿生四足机器人的运动稳定控制方法研究

作者：范德阳厦门大学

学位级别：硕士

四足机器人是按照仿生学原理,通过模仿大自然中四足动物而设计出来的,因此,在复杂、多变的非结构地形环境中具有很强的适应能力,能够灵活完成许多轮式和履带式机器人所无法完成的作业任务。在地震灾后搜救、核电厂核辐射检测、军事侦察... 详细信息

四足机器人是按照仿生学原理,通过模仿大自然中四足动物而设计出来的,因此,在复杂、多变的非结构地形环境中具有很强的适应能力,能够灵活完成许多轮式和履带式机器人所无法完成的作业任务。在地震灾后搜救、核电厂核辐射检测、军事侦察等高危复杂场景有着广阔的应用空间。然而,四足机器人是一个非线性、强耦合的运动系统,要想实现较好的多地形场景适应能力,简单高效的运动稳定控制技术是关键,也是目前国内四足机器人研究人员面临的一大难点。本文基于实验室自主研制的电驱动仿生四足机器人“ZeroGo2.0”样机平台,以无视觉条件下面向多场景地形的运动稳定控制为研究目标,主要围绕仿生四足机器人的机械结构设计、控制系统硬件设计、运动稳定控制软件算法、算法的仿真验证及物理样机的测试等内容开展研究。主要工作内容和成果包含以下几部分:(1)设计了电驱动仿生四足机器人平台,并对其进行理论建模分析,求解了三维空间下仿生四足机器人单腿的正逆运动学方程,通过解算单腿雅可比矩阵将四足机器人足端笛卡尔空间和关节空间进行了关联映射。(2)基于单刚体简化模型的虚拟模型控制。在第一部分理论建模基础上,进一步地考虑机器人运动的柔顺性、鲁棒性及抗扰性。假设机器人质心位于几何中心,且四条腿的质量相对于机身质量可忽略,将运动中的四足机器人简化成单刚体模型,从静力学和动力学层面对其进行分析,建立了支撑腿的PD力控制器,并针对状态矩阵无法求逆的问题进行改进,实现了在支撑腿阶段机身全方向均可控。(3)基于虚拟弹簧阻尼的摆动腿力控制。采用Raibert基于速度规划的方法计算足端落足点位置;为减小足端触地冲击力带给机身不稳定的影响,提出一种基于五阶贝塞尔曲线的改进足端轨迹设计方法;最后通过在摆动腿足末端施加等效的虚拟弹簧阻尼器件,建立了摆动腿的力控制器,实现摆动腿的跟踪控制。(4)通过SolidWorks软件建立物理样机的3D模型,并在Simscape Multibody仿真平台下搭建物理样机的可视化模型及运动控制系统,初步验证仿生四足机器人的运动控制算法的有效性。(5)从物理样机的机械结构、动力与通信系统硬件、软件算法设计等方面自主研制出真实的物理样机平台,对其进行组装调试,并对其进行行走测试,验证机器人的稳定性和适应性。

关键词：仿生四足机器人虚拟模型控制贝塞尔曲线运动控制单刚体模型

基于自适应模糊算法的四足机器人全身运动控制

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应用科技 2024年第5期51卷 141-147页

作者：夏怡寒杨忠卓浩泽游雨龙眭耀宇何乃峰南京航空航天大学自动化学院江苏南京211106 广西电网有限责任公司电力科学研究院广西南宁530023

针对传统四足机器人运动控制器增益固定,极易造成控制系统控制精度较差、动态性能稳定性不足等问题,设计了一种基于模糊理论与全身运动控制(whole body control,WBC)相结合的新型控制器。首先,根据四足机器人的质量分布特性,建立单刚体... 详细信息

针对传统四足机器人运动控制器增益固定,极易造成控制系统控制精度较差、动态性能稳定性不足等问题,设计了一种基于模糊理论与全身运动控制(whole body control,WBC)相结合的新型控制器。首先,根据四足机器人的质量分布特性,建立单刚体质心动力学模型,将贝塞尔曲线作为足端轨迹的规划曲线并结合机器人质心曲线规划策略,增强机器人运动的稳定性与安全性;其次,将全身运动控制系统中的位置与速度增益基于专家经验建立模糊规则库来进行自适应优化,以提高系统的鲁棒性;最后,通过三维仿真平台对该算法进行可行性验证。实验结果表明,所提出的自适应控制方法与传统的WBC相比,提高了四足机器人在轨迹跟踪过程中的稳定性和准确性。

关键词：四足机器人单刚体模型质心曲线规划策略模糊控制全身运动控制自适应鲁棒性稳定性