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基于运动发散分量动力学的双足机器人行走策略研究

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西北工业大学学报 2019年第6期37卷 1285-1293页

作者：董胜袁朝辉张建锐马尚君西北工业大学自动化学院陕西西安710129 陇东学院机械工程学院甘肃庆阳745000 西北工业大学机电学院陕西西安710072

基于线性倒立摆(LIP)模型,将双足机器人的多步行走等效成三维倒立摆的多次摆动,在运动发散分量(DCM)概念的基础上,研究了以质心(COM)和DCM表示的动力学方程。设计了2种DCM闭环控制器:一步DCM终值不变抗扰动控制器和实时DCM轨迹跟踪闭环... 详细信息

基于线性倒立摆(LIP)模型,将双足机器人的多步行走等效成三维倒立摆的多次摆动,在运动发散分量(DCM)概念的基础上,研究了以质心(COM)和DCM表示的动力学方程。设计了2种DCM闭环控制器:一步DCM终值不变抗扰动控制器和实时DCM轨迹跟踪闭环控制器。2种控制器都可以有效地抑制扰动,使实际机器人的DCM不发散,并使用其规划出了双足行走过程中的COM轨迹。依据COM轨迹和双腿末端轨迹推导了求解双足机器人逆运动学的数值方法,整体上完成了双足行走过程中从输入脚印到输出关节角度的整套求解问题,使双足步态规划的方法体系化。最后,结合一个普适机器人模型,针对文中的算法在MATLAB平台上进行了仿真,仿真结果验证了该新方法的有效性。

关键词：双足机器人线性倒立摆运动发散分量步态规划逆运动学

使用零力矩点轨迹规划的四足机器人步态进化方法

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机器人 2010年第3期32卷 398-404页

作者：刘飞陈小平中国科学技术大学计算机科学与技术学院安徽合肥230027

通过对AIBO机器人行走时身体摇摆现象的研究,提出一种使用零力矩点轨迹规划的步态控制方法.与此同时,使用基于遗传算法的进化学习方法对步态控制参数进行优化.实验使用AIBO机器人进行测试,机器人使用该进化学习方法可自主地得到最优步态... 详细信息

通过对AIBO机器人行走时身体摇摆现象的研究,提出一种使用零力矩点轨迹规划的步态控制方法.与此同时,使用基于遗传算法的进化学习方法对步态控制参数进行优化.实验使用AIBO机器人进行测试,机器人使用该进化学习方法可自主地得到最优步态,其最优步态在保证稳定性的基础上最大速度达到了455mm/s.实验结果表明,应用该方法进行步态控制,机器人获取的最优步态不仅满足稳定性要求,而且对不平地形也具有较好的适应能力.

关键词：四足步行机器人线性倒立摆零力矩点曲线拟合遗传算法

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基于步行单元组合的双足动步行样本生成方法

机械设计与研究 2010年第6期26卷 45-49页

作者：吴伟国王超哈尔滨工业大学机电工程学院哈尔滨150001

仿人双足机器人的动步行需要考虑机器人的动力学特性,规划起来较为复杂。为了减少生成机器人步行样本时的计算量,本文提出了基于步行样本单元组合的运动样本生成方法。通过对步行运动进行分析,得到构成步行运动的基本单元;通过样本组合... 详细信息

仿人双足机器人的动步行需要考虑机器人的动力学特性,规划起来较为复杂。为了减少生成机器人步行样本时的计算量,本文提出了基于步行样本单元组合的运动样本生成方法。通过对步行运动进行分析,得到构成步行运动的基本单元;通过样本组合方法生成了含有后退步行的步行运动样本,仿真平均步速达到1.607 km/h。

关键词：动步行步行单元单元样本组合线性倒立摆

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液压驱动双足机器人步态规划及动力学仿真

机械设计与制造 2020年第4期 248-252,257页

作者：唐火红丁婧严启凡合肥工业大学机械工程学院安徽合肥230009 江苏省产业技术研究院智能制造研究所江苏南京211800

为实现双足机器人步行运动,提出了一种双足机器人平地行走步态规划算法并对其进行动力学仿真验证。首先利用二维倒立摆模型以及五次多项式分别对机器人质心、踝关节运动轨迹进行规划,再通过建立机器人运动状态几何模型,对运动过程中机... 详细信息

为实现双足机器人步行运动,提出了一种双足机器人平地行走步态规划算法并对其进行动力学仿真验证。首先利用二维倒立摆模型以及五次多项式分别对机器人质心、踝关节运动轨迹进行规划,再通过建立机器人运动状态几何模型,对运动过程中机器人腿部关节运动轨迹进行规划,得到关节角运动轨迹,借助MATLAB仿真获取机器人下肢各个关节运动曲线。然后利用动力学仿真软件Adams对虚拟样机进行仿真,实现了机器人虚拟环境下的平地稳态行走,仿真验证了步态规划算法的可行性。

关键词：双足机器人线性倒立摆五次样条插值步态规划 MATLAB Adams

室内环境下基于三维地图的双足机器人步态规划与控制

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室内环境下基于三维地图的双足机器人步态规划与控制

作者：何治成哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着驱动器和传感器制造技术的进步,使用高性能的驱动器和高精度传感器的双足机器人已经能实现稳定的行走。除了高校和科研院所对双足机器人展开技术研究之外,教育竞赛领域也广泛应用双足机器人进行多样化的教育和竞赛活动。本文在运动... 详细信息

随着驱动器和传感器制造技术的进步,使用高性能的驱动器和高精度传感器的双足机器人已经能实现稳定的行走。除了高校和科研院所对双足机器人展开技术研究之外,教育竞赛领域也广泛应用双足机器人进行多样化的教育和竞赛活动。本文在运动规划和定位导航两方面展开研究。希望能结合基于线性倒立摆模型的步态规划技术与SLAM技术,增强小型双足机器人的运动能力与环境感知能力,实现更多样化的运动形式。在运动规划方面,本文基于线性倒立摆模型,进行了双足平面步态规划和转向步态规划。进行了软件仿真,调试了不同步态规划参数,对比规划得到的双足行走步态运动效果。同时通过仿真,获取了机器人关节力矩-转速等性能需求信息,用于机器人硬件选型。针对台阶与斜坡,提出了适用于该两种地形的步态规划方法。实验验证了规划方法的有效性。且可以通过改变规划方式,调试规划参数,得到具有稳定性或流程性等不同特点的行走步态。基于开源的SLAM方案ORB-SLAM搭建了机器人建图定位与导航系统。通过改进地图存储、转换3D地图和2D地图、改进路径规划方式等,完成了基于视觉SLAM的小型双足机器人低成本定位导航系统搭建。基于intel sr300摄像头,robotis公司mx28舵机和intel Up Board单板计算机等硬件,搭建了双足机器人实验样机。采用本文的双足步态规划方法和定位导航系统,实现了机器人自主的导航避障行走。

关键词：线性倒立摆步态规划稠密点云地图路径规划

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基于ROS的辅助运动装置控制系统研究

基于ROS的辅助运动装置控制系统研究

作者：陈立新北方工业大学

学位级别：硕士

下肢辅助运动装置是一种固定在人体下肢且智能化的设备,结合了控制和信息融合等多种技术,主要应用于康复医疗与负重助力等领域。现阶段国内外在辅助运动装置步态规划及稳定性分析方面做了许多研究,其中倒立摆模型是辅助运动装置步态研... 详细信息

下肢辅助运动装置是一种固定在人体下肢且智能化的设备,结合了控制和信息融合等多种技术,主要应用于康复医疗与负重助力等领域。现阶段国内外在辅助运动装置步态规划及稳定性分析方面做了许多研究,其中倒立摆模型是辅助运动装置步态研究方面较为常用的模型之一。仿真技术是机器人研发不可或缺的手段,可以有效的降低科研支出并提高研发效率,本文围绕辅助运动装置仿真平台以及控制系统进行研究,主要研究内容如下:针对目前适用下肢辅助运动装置的仿真平台相对较少,这一领域的仿真研究也相对匮乏,本文通过对机器人仿真技术以及各类仿真环境的研究,分析辅助运动装置的功能需求,基于ROS-Gazebo机器人仿真系统建立了面向下肢辅助运动装置仿真平台的总体框架设计方案。机器人运动学分析是开发辅助运动装置控制算法的基础,下肢辅助运动装置是多连杆模型,本文研究了D-H法来建立装置运动学模型,但该方法要求随连杆而改变局部坐标系的姿态从而造成误差累积。针对这一情况,本文对辅助运动装置的结构进行分解,采用一种树形结构建立运动学模型,完成模型正逆运动学分析。考虑到倒立摆模型与辅助运动装置真实的物理模型之间存在误差,因此使用七连杆模型对线性倒立摆模型进行补偿。然后根据预观控制理论,使用未来ZMP的信息对当前质心轨迹进行调整,提升ZMP的跟踪精度。仿真结果表明,经过补偿之后的ZMP跟踪性能有显著提高,实际ZMP轨迹可以很好的跟踪参考轨迹。通过ROS搭建了下肢辅助运动装置的仿真平台,结合多连杆补偿倒立摆的预观控制算法使人机仿真模型完成稳定步行。仿真结果表明辅助运动装置可以实现直线及转向行走,验证了控制算法的正确性和有效性。

关键词：下肢辅助运动装置机器人操作系统线性倒立摆预观控制

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液压驱动双足机器人动步态行走研究

液压驱动双足机器人动步态行走研究

作者：吴坤坤哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

双足机器人灵活性较好且具备越障能力;液压驱动具有大功率质量比、高动态性等优点。这两者的结合,能够使双足机器人具备更强的动态性能和适应能力,并且具备高负载的特性。双足机器人关节自由度多,结构形式复杂,是一个多变量、强耦合的系... 详细信息

双足机器人灵活性较好且具备越障能力;液压驱动具有大功率质量比、高动态性等优点。这两者的结合,能够使双足机器人具备更强的动态性能和适应能力,并且具备高负载的特性。双足机器人关节自由度多,结构形式复杂,是一个多变量、强耦合的系统,如何实现与人类相媲美的高动态的稳定行走一直以来都是双足机器人领域最具挑战性和吸引力的问题之一。随着新一代Atlas机器人的问世,液压驱动双足机器人将会在世界范围引起更多的关注。本文以液压驱动双足机器人为研究对象,搭建液压驱动双足机器人实验平台,研究具备负重能力的双足机器人动步态稳定行走算法。从仿生学的角度对人体下肢结构和运动机理进行研究,确定双足机器人的整体方案设计,包括自由度配置、尺寸参数、液压驱动系统。对机器人整体结构设计进行分析,膝关节和髋关节结构采用四连杆形式,踝关节采用并联形式,液压驱动器采用缸阀分离的形式,从而保证机器人整体的紧凑型和轻量化。完成正逆运动学分析,推导并拟合出关节角度和液压缸伸长量的关系,用于实现关节角度的控制。从低维的模型空间进行分析,基于线性倒立摆模型(LIPM)和弹簧负载倒立摆模型(SLIP)分别研究基于模型的质心规划方法,提出基于LIPM模型的离线规划方法和预观控制在线规划方法;并分析抬腿加速度产生的惯性力和落地过程的冲击力对机器人稳定性的影响,将贝塞尔曲线进行优化,用于规划摆动腿末端的轨迹。运用机器人逆运动学,将模型空间的质心轨迹映射到机器人空间的关节轨迹。基于样机结构和理论分析,在Matlab中完成运动学仿真,验证机器人行走中前向平面和侧向平面运动的相位的配合以及算法的合理性。搭建完成实际的物理样机,进行单缸位置伺服实验,研究油压、伺服阀增益、频率对跟随精度的影响;结合以上的理论和仿真结果,分别进行原地踏步、动步态行走、不平地面行走、负重行走实验。通过数据分析,验证动步态行走和稳定控制算法的有效性,以及机械设计的合理性。

关键词：双足机器人液压驱动动步态行走线性倒立摆

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双足机器人步态规划与控制研究

双足机器人步态规划与控制研究

作者：于文成吉林大学

学位级别：硕士

随着人工智能产业化进程加快,机器人成为智能领域的一个重要研究方向。双足机器人由于自身的独特性和拟人性,相比其他机器人而言具有更好的环境适应能力。然而,双足机器人是一个复杂的内在不稳定系统,且在运动过程中易受到外界多种干扰... 详细信息

随着人工智能产业化进程加快,机器人成为智能领域的一个重要研究方向。双足机器人由于自身的独特性和拟人性,相比其他机器人而言具有更好的环境适应能力。然而,双足机器人是一个复杂的内在不稳定系统,且在运动过程中易受到外界多种干扰,因此双足机器人步态规划与控制研究对实现机器人稳定行走具有重要的意义。本文以Aldebaran Robotics公司的双足机器人NAO为实验平台研究双足机器人的步态规划方法。在Aldebaran官方步态系统分析的基础上,采用三维线性倒立摆模型的步态规划算法实现了 NAO机器人稳定行走,并对其进一步改进,提高了机器人行走速度和动态性。论文主要研究内容如下:1、运动学分析及仿真。通过将NAO机器人简化成连杆模型,利用运动学分析求解出各关节的正运动学方程以及腿部的逆运动学方程。并基于MATLAB软件构建NAO机器人的运动学仿真模型。通过姿态实验,验证了所建立的运动学模型的准确性。2、步态规划。基于MATLAB构建的NAO机器人运动学模型对Aldebaran官方步态系统进行模拟分析。根据分析得到的结论,最终选定了三维线性倒立摆模型的方法对双足机器人NAO进行步态规划。此外,针对传统三维线性倒立摆模型步态规划方法中存在的问题,提出了一种步态周期范围内最大化单脚支撑阶段的改进方法,最后通过平台实验验证了该方法的有效性。3、平衡控制。针对机器人行走过程中存在偶尔失衡的问题,本文对模型进一步优化,同时采用卡尔曼滤波算法对质心运动轨迹进行估计,对倒立摆参数重新矫正。实验结果表明,与Aldebaran官方步态系统相比,本文采用的步态方法在动态性和抗扰性方面有较大的提高。

关键词：双足机器人步态规划线性倒立摆平衡控制动态步行

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基于双足机器人步态规划的研究

基于双足机器人步态规划的研究

作者：陈林中国科学院大学(中国科学院深圳先进技术研究院)

学位级别：硕士

随着人工智能技术与产业链的快速发展,机器人已经广泛的应用到我们生活中的各个领域,发挥着巨大作用。双足机器人具有灵活高,运动能力强等特点,具有广阔的应用前景。然而双足机器人结构复杂、系统耦合度高,步态行走易受到外部环境的干扰... 详细信息

随着人工智能技术与产业链的快速发展,机器人已经广泛的应用到我们生活中的各个领域,发挥着巨大作用。双足机器人具有灵活高,运动能力强等特点,具有广阔的应用前景。然而双足机器人结构复杂、系统耦合度高,步态行走易受到外部环境的干扰,快速稳定的步态规划方法显得尤其重要。因此,研究双足机器人步态规划方法具有重要意义。当前优必选公司Alpha EBot机器人采用三维线性倒立摆步态规划方法,步行速度慢、效率低,无法满足快速行走的要求。本文重点是研究双足机器人的步态规划方法和摆动腿运动轨迹的规划方法,在分析原有Alpha Ebot步态规划方法的基础上,提出优化双足支撑阶段时间和优化摆动腿运动轨迹的改进方法,并应用到机器人上,提高机器人的行走速度和稳定性。本文主要的研究内容如下:1.提出了基于三维线性倒立摆步态规划的优化方法:分析影响机器人快速行走和稳定性因素,在三维线性倒立摆步态规划方法的基础上,采用缩短双足支撑阶段时间,保持倒立摆原点接近其最佳位置的优化方法,提升效率与稳定性。2.提出了基于贝塞尔曲线摆动腿运动轨迹的优化方法:分析摆动腿运动轨迹对双足机器人步行稳定性的影响,采用牛顿切线法求解贝塞尔曲线匀速运动摆动腿轨迹的插值点,保持摆动腿匀速运动,减少机器人快速行走时稳定性问题,提升步态行走的稳定性。3.研发了基于Alpha Ebot机器人的步态控制行走:将基于三维线性倒立摆步态规划优化方法和基于贝塞尔曲线摆动腿路径优化方法,利用机器人SDK开发Alpha Ebot机器人的步态规划行走并进行实验分析,实验结果表明该方法可行、有效。本论文研究了传统步态行走方法并分析存在问题,提出优化方法,借助Alpha Ebot实验平台进行实验分析并应用到目标平台上,有效地提升了步行速度和效率。

关键词：步态规划线性倒立摆贝塞尔曲线双足机器人