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中枢模式发生器与足端轨迹的非线性映射

仪器仪表学报 2024年第4期45卷 258-271页

作者：陈久朋陈治帆伞红军祖永斌昆明理工大学机电工程学院昆明650500 云南省先进装备智能制造技术重点实验室昆明650500

控制的仿生性和行走的稳定性是四足机器人步态研究中重要的两个方面。为了提高四足机器人运动的稳定性,本文通过Hopf振荡器搭建了CPG模型,分别实现了多种步态及步态之间的转换。比较了基于CPG的步态控制方法和轨迹规划的步态规划方法在... 详细信息

控制的仿生性和行走的稳定性是四足机器人步态研究中重要的两个方面。为了提高四足机器人运动的稳定性,本文通过Hopf振荡器搭建了CPG模型,分别实现了多种步态及步态之间的转换。比较了基于CPG的步态控制方法和轨迹规划的步态规划方法在行走上的优劣性。为了同时利用CPG控制和轨迹规划的优点,提出采用神经网络将CPG控制曲线与足端轨迹逆运动学获得的驱动曲线进行非线性映射,使得四足机器人在控制上具备仿生特性,在足端接触上具备零冲击特性。仿真和实验结果表明,采用CPG的步态生成方法和轨迹规划方法四足机器人的行走速度理论行走速度80 mm/s相近,但采用CPG的步态生成方法四足机器人侧向位移在±10 mm以内且俯仰角在±1.5°之间,而采用轨迹规划的控制方法四足机器人侧向位移在±35 mm以内且俯仰角在±4°之间,可见两种控制方式对侧向偏移和俯仰运动的表现不一致。通过实验测量可知,机器人采用walk步态行走速度为18.57 mm/s,与理论行走速度20 mm/s接近,步态转换后以trot步态行走,行走速度为76.15 mm/s,与理论行走速度80 mm/s接近,少许误差可能是装配和行走过程打滑导致的。测量其侧向偏移程度可知,其侧向的偏移量左侧在15 mm内,右侧在25 mm内,其侧向偏移量均在合适的范围内,证明所提算法的有效性。

关键词：四足机器人 CPG模型足端轨迹非线性映射行走稳定性

未知环境的四足爬壁机器人足端轨迹双向蚁群规划方法

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机械设计与研究 2024年第1期40卷 125-128,141页

作者：王坚贺建军辽宁对外经贸学院辽宁大连116000 大连民族大学辽宁大连116000

针对未知环境中的障碍物导致四足爬壁机器人爬壁作业的运动协调角度变化程度较大,加大了单向蚁群规划算法下爬壁机器人轨迹规划执行难度,设计一种双向蚁群规划方法,并应用到未知环境的四足爬壁机器人足端轨迹规划中。基于四足爬壁机器... 详细信息

针对未知环境中的障碍物导致四足爬壁机器人爬壁作业的运动协调角度变化程度较大,加大了单向蚁群规划算法下爬壁机器人轨迹规划执行难度,设计一种双向蚁群规划方法,并应用到未知环境的四足爬壁机器人足端轨迹规划中。基于四足爬壁机器人结构,结合运动协调角度获取更新后的信息素浓度。通过构建正向蚂蚁群体和反向蚂蚁群体两个蚂蚁群体,分别从起点和终点开始搜索最优路径,并通过信息素浓度更新和转移概率计算不断更新路径。根据轨迹选择概率并添加启发式函数促使两个蚂蚁群体路径交叉,形成一条完整的足端轨迹,实现四足爬壁机器人足端轨迹双向蚁群规划。经过实验证明,所提方法能有效地实现四足爬壁机器人在未知环境中足端轨迹规划,规划结果具有较高的可行性和优越性,迭代收敛速度快。

关键词：爬壁机器人轨迹规划双向蚁群搜索路径规划足端轨迹

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仿真四足机器人足端轨迹分析及步态规划研究

中国科技期刊数据库工业A 2024年第2期 83-87页

作者：成芳芳大连博涛文化科技股份有限公司辽宁大连116000

本研究旨在分析仿真四足机器人的足端轨迹,并进行步态规划研究,以实现更稳定和高效的机器人运动。本研究目标主要聚焦于四足机器人足端轨迹的规划研究,考虑关节角度、支撑腿和摆动腿的协调,以获得平稳的步态。研究结论表明,不同类型的... 详细信息

本研究旨在分析仿真四足机器人的足端轨迹,并进行步态规划研究,以实现更稳定和高效的机器人运动。本研究目标主要聚焦于四足机器人足端轨迹的规划研究,考虑关节角度、支撑腿和摆动腿的协调,以获得平稳的步态。研究结论表明,不同类型的足端轨迹对机器人的步态和运动效果有显著影响,曲线轨迹能提供更平滑的运动过程。本研究的意义在于为四足机器人的设计与控制提供了重要参考,为实现更高水平的机器人移动能力和应用提供了理论基础和技术支持。

关键词：仿真四足机器人足端轨迹步态规划

基于贝塞尔曲线的四足机器人足端轨迹规划研究

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机械强度 2023年第3期45卷 708-714页

作者：许超斌李霖智杜俊龙李明志湖北工业大学机械工程学院武汉430068 郑州机械研究所有限公司郑州450001

为了提高四足机器人对角小跑步态的平稳性,提出一种基于贝塞尔曲线的足端轨迹规划方法。针对四足机器人的对角小跑步态,建立了四足机器人并联腿运动学模型,运用几何法求解了正逆运动学,并基于零冲击原则和比例微分(Proportion and Diffe... 详细信息

为了提高四足机器人对角小跑步态的平稳性,提出一种基于贝塞尔曲线的足端轨迹规划方法。针对四足机器人的对角小跑步态,建立了四足机器人并联腿运动学模型,运用几何法求解了正逆运动学,并基于零冲击原则和比例微分(Proportion and Differentiation,PD)控制器对摆动相和支撑相的足端轨迹进行优化;利用Webots仿真平台和实验样机进行对比试验。结果表明:当X方向上比例系数取20,微分系数取0.75 s,Y方向上比例系数取20,微分系数取0.5 s时,四足机器人的足端轨迹平滑且无速度、加速度突变,对角小跑步态更为稳定。

关键词：四足机器人对角小跑 Webots 贝塞尔曲线足端轨迹

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基于最优时间间隔的足式机器人足端轨迹规划

制造技术与机床 2022年第5期 23-28页

作者：辛玉红章永年金陵科技学院机电工程学院江苏南京211169 南京农业大学工学院江苏南京210031

在任务空间进行足式机器人足端轨迹规划时,由于任务空间与关节空间的非线性映射关系会导致关节电机的速度、加速度超限或发生突变,影响机器人的运动平稳性。针对该问题,提出了一种基于最优时间间隔的足式机器人足端轨迹规划算法。首先... 详细信息

在任务空间进行足式机器人足端轨迹规划时,由于任务空间与关节空间的非线性映射关系会导致关节电机的速度、加速度超限或发生突变,影响机器人的运动平稳性。针对该问题,提出了一种基于最优时间间隔的足式机器人足端轨迹规划算法。首先对任务空间规划出的足端轨迹离散点反解计算得到对应的关节角度,然后以关节角度为约束,以轨迹点之间的时间间隔为优化对象,建立机器人关节速度、加速度、加加速度与时间间隔的函数关系,构建面向最优时间间隔的多目标优化模型,引入分段式染色体片段变异处理对传统的遗传算法进行改进,得到机器人运动性能最优解。样机试验表明关节空间加速度峰值最大降低73.58%,加加速度峰值最大降低77.15%,任务空间中Y方向加速度最大降低61.82%。

关键词：足端轨迹任务空间最优时间间隔遗传算法

复杂地形下六足机器人落足点及足端轨迹规划方法研究

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复杂地形下六足机器人落足点及足端轨迹规划方法研究

作者：郭建武长安大学

学位级别：硕士

腿足式机器人在各关节的协调作用下,能够根据需要变换各腿的运动方式,并借助与地面接触的足端来适应不同地形。这种优势使得腿足式机器人相比于其他类型的机器人而言,能够在保持自身稳定性的基础上更灵活地适应各种地形。而这之中,六足... 详细信息

腿足式机器人在各关节的协调作用下,能够根据需要变换各腿的运动方式,并借助与地面接触的足端来适应不同地形。这种优势使得腿足式机器人相比于其他类型的机器人而言,能够在保持自身稳定性的基础上更灵活地适应各种地形。而这之中,六足机器人又凭借其更为稳定的结构与负载能力,使其能够更为容易地在实际环境中得到应用。目前,六足机器人虽然已经能够在平坦地面上实现稳定的行走,但在面对复杂的地形环境时,仍然无法很好的根据环境做出适应性调整,而这也将成为后续机器人研究的重要阻碍因素。因此,本课题对复杂地形下六足机器人的落足点及足端轨迹规划方法开展研究,并从仿生六足机器人运动平台、地形估计与落足点规划方法、足端轨迹规划、平台构建与实验分析这四个部分进行阐述。第一部分通过对蜘蛛结构特点的分析,建立起仿生六足机器人的数学模型。然后结合机器人腿部关节与运动学的关系,对机器人的D-H模型进行分析。最后在D-H模型的基础上,对落足点选择与足端轨迹规划所需的正逆运动学、足端运动空间进行推导。第二部分结合环境建模对地形估计与落足点规划方法进行算法设计。仿生六足机器人对周围环境的地形估计是基于随机器人运动而更新的高程图模型进行实现的。地形估计考虑了凹凸度、高度差、距离等影响落足点选择的因素。这些因素的分析结果也将作为后续落足点综合评价中的一项重要考虑因素。最后,结合仿生六足机器人的实际应用需求,对应用过程中所使用的框架思路进行总结,并就关键的坐标转换内容进行阐述。第三部分对仿生六足机器人足端轨迹规划方法进行研究。首先是对结合感知、建图、落足点规划的机器人控制方案以及CPG节律信号的相关内容进行论述。然后根据机器人在复杂地形下需要灵活调整轨迹的需求以及两种轨迹规划方法的特点,选择神经贝塞尔曲线作为机器人的足端轨迹规划方案。最后以凸起、凹陷两种地面为例,阐述以碰撞检测和CPG节律信号为基础的复杂地形下的足端轨迹调整策略。第四部分利用所搭建的仿生六足机器人实验平台进行地图建模实验、凸起地面轨迹调整实验、凹陷地面轨迹调整实验、落足点规划实验。从实验结果得出,地图建模精度与地形评估结果能够为后续研究内容提供有效参考。复杂地形下的轨迹调整策略能够帮助机器人根据环境做出适应性调整。结合所用地图建模、落足点规划、足端轨迹调整策略来进行的落足点规划实验,则做到了利用感知到的地形信息来帮助机器人稳定行走。

关键词：六足机器人环境建模地形估计落足点规划足端轨迹

金属矿山井下采场六足机器人运动分析及步态规划

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金属矿山 2024年第4期 193-201页

作者：张旭飞王运森孟祥凯王瑜周红李元辉山东黄金矿业(莱州)有限公司焦家金矿山东莱州261441 深部金属矿山安全开采教育部重点实验室辽宁沈阳110819

六足机器人因其结构特殊带来的良好越障能力成为仿生机器人研究的热点,然而,金属矿山井下采场矿石堆积、崎岖不平的特点,给这类机器人的行走稳定性、越障性带来更多的挑战。因此,为使六足机器人在井下具有更好的通过性,对其运动能力和... 详细信息

六足机器人因其结构特殊带来的良好越障能力成为仿生机器人研究的热点,然而,金属矿山井下采场矿石堆积、崎岖不平的特点,给这类机器人的行走稳定性、越障性带来更多的挑战。因此,为使六足机器人在井下具有更好的通过性,对其运动能力和步态规划进行了相关研究。首先仿照自然界六足生物,设计六足机器人结构,对其腿部进行运动学分析;然后规划了用于采场的直行步态,结合采场路面环境设计了一种直线—摆线复合轨迹提升越障性,同时分析了机器人爬坡稳定性,对爬坡步态进行了优选;最后对规划步态进行仿真和现场模拟试验。仿真和试验结果表明,所规划的足端轨迹能跨越抬腿高度85%的障碍物,并且对矿石堆积形成的采场路面有更好的避障能力;三角步态爬坡时在坡底和坡顶过渡阶段容易打滑,而横向步态可以实现平滑的过渡,爬坡性能更佳。

关键词：足式机器人六足机器人步态规划采矿机器人足端轨迹

基于足端轨迹规划算法的液压四足机器人步态控制策略

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机械工程学报 2013年第1期49卷 39-44页

作者：王立鹏王军政汪首坤何玉东北京理工大学复杂系统智能控制与决策重点实验室北京100081

设计一种液压四足机器人仿生机构,通过设定相应的坐标系为机器人进行运动学建模,并对行走过程中单腿的相位关系进行了分析。针对行走过程中足端的拖地、滑动和接触冲击等问题,提出一种零冲击的足端轨迹规划改进算法,并实现了步态规划算... 详细信息

设计一种液压四足机器人仿生机构,通过设定相应的坐标系为机器人进行运动学建模,并对行走过程中单腿的相位关系进行了分析。针对行走过程中足端的拖地、滑动和接触冲击等问题,提出一种零冲击的足端轨迹规划改进算法,并实现了步态规划算法设计。步态规划根据步态中各腿间的相位关系,借助四足机器人运动学模型进行逆运动学解算,求出各腿的关节角度函数,利用机构的几何关系得到各液压缸伸缩量控制函数,对试验样机各腿进行伺服驱动控制,从而实现液压四足机器人的步态规划行走。仿真试验结果表明,在该策略驱动控制下液压四足机器人行走过程连续平稳,样机足端轨迹较为平滑,躯干起伏较小,证明了该足端轨迹规划方法用于四足机器人步态设计的合理性和有效性。

关键词：足端轨迹接触冲击步态规划四足机器人运动控制

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面向未知地形的四足机器人足端轨迹优化

青岛大学学报（自然科学版） 2022年第3期35卷 51-57页

作者：柴琦杨杰青岛大学机电工程学院青岛266071

在未知地形行走时,由于地形突变,采用常见步态算法的四足机器人容易受到冲击,导致失稳,为此,提出一种改进的四足机器人足端轨迹规划的算法。将足端运动轨迹分段优化,减小机器人在水平地面、上坡和下坡地形的足端力矩变化,增加四足机器... 详细信息

在未知地形行走时,由于地形突变,采用常见步态算法的四足机器人容易受到冲击,导致失稳,为此,提出一种改进的四足机器人足端轨迹规划的算法。将足端运动轨迹分段优化,减小机器人在水平地面、上坡和下坡地形的足端力矩变化,增加四足机器人运动的稳定性。实验选用斯坦福四足机器人,记录俯仰角pitch、横滚角roll及足端力矩在机器人通过不同地形时的变化。实验结果表明,足端轨迹优化后的机器人在未知地形中行走的稳定性得到有效提升。

关键词：四足机器人足端轨迹未知地形