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Disturbance rejection control based on acceleration projection method for walking robots

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Journal of Zhejiang University-Science A(Applied Physics & Engineering) 2008年第11期9卷 1531-1538页

作者： Xu-yang WANG Zhao-hong XU Tian-sheng LU School of Mechanical Engineering Shanghai Jiao Tong University Shanghai 200240 China

This paper presents a disturbance rejection scheme for walking robots under unknown external forces and moments. The disturbance rejection strategy, which combines the inverse dynamics control with the acceleration projection onto the zmp (zero moment point)-plane, can ensure the overall dynamic stability of the robot during tracking the pre-computed trajectories. Under normal conditions, i.e., the system is dynamically balanced, a primary inverse dynamics control is utilized. In the case that the system becomes unbalanced due to external disturbances, the acceleration projection control (APC) loop, will be activated to keep the dynamic stability of the walking robot through modifying the input torques. The preliminary experimental results on a robot leg demonstrate that the proposed method can actually make the robot keep a stable motion under unknown external perturbations.

关键词：倒置动力学 zmp 正交投影步行式机器人

A New Method of Desired Gait Synthesis for Biped Walking Robot Based on Ground Reaction Force

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High Technology Letters 2000年第4期6卷 33-38页

作者：张永学 Harbin Inst of Technology Harbin China

A new method of desired gait synthesis for biped walking robot based on the ground reaction force was proposed. The relation between the ground reaction force and joint motion is derived using the D’Almbert principle. In view of dynamic walking with high stability, the zmp(Zero Moment Point)stability criterion must be considered in the desired gait synthesis. After that, the joint trajectories of biped walking robot are decided by substituting the ground reaction force into the aforesaid relation based on the zmp criterion. The trajectory of desired zmp is determined by a fuzzy logic based upon the body posture of biped walking robot. The proposed scheme is simulated and experimented on a 10 degree of freedom biped walking robot. The results indicate that the proposed method is feasible.

关键词： Biped walking robot Desired gait synthesis zmp Ground reaction force Fuzzy logic

zmp-based Gait Optimization of the Biped Robot

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Journal of Donghua University(English Edition) 2003年第4期20卷 83-86页

作者：窦瑞军马培荪谢玲 Robot Institute Shanghai Jiao Tong University Shanghai 200030 University of Shanghai for Science and Technology 200093he gait of the biped robot is described using six parameters such as stature velocity length of the step etc. The algorithm of the Newton-Euler is actualized by object-oriented idea and then the zero moment point (ZMP) of the dynamically walking biped is calculated. Finally the gait of biped is optimized using gene algorithm and the optimized result prove the correctness of the algorithm.

The gait of the biped robot is described using six parameters such as stature,velocity,length of the step,etc.The algorithm of the Newton-Euler is actualized by object-oriented idea,and then the zero moment point (zmp) of the dynamically walking biped is calculated.Finally,the gait of biped is optimized using gene algorithm,and the optimized result prove the correctness of the algorithm.

关键词：两足机器人参数高度速度步长牛顿-费德算法反向思维运算因子正确性遗传运算零力矩点 zmp

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矿用外骨骼机器人的稳定性研究

机械设计与制造 2023年第6期388卷 296-299,304页

作者：刘耀忠梁义维赵利平刘泽鹏太原理工大学机械与运载工程学院山西太原030024

稳定行走是外骨骼机器人研究的一个关键问题,也是实现其他功能的根本前提。基于人体步态研究和双足机器人zmp(零力矩点)理论,推导出zmp的计算公式;通过Adams软件仿真和外骨骼穿戴实验得出平地行走、越障两个特征动作下的人体和外骨骼人... 详细信息

稳定行走是外骨骼机器人研究的一个关键问题,也是实现其他功能的根本前提。基于人体步态研究和双足机器人zmp(零力矩点)理论,推导出zmp的计算公式;通过Adams软件仿真和外骨骼穿戴实验得出平地行走、越障两个特征动作下的人体和外骨骼人-机系统的zmp轨迹;分别对比同一动作下的人体和外骨骼人-机系统的稳定裕度研究外骨骼人-机系统的稳定性。仿真和实验结果表明:外骨骼人-机系统稳定裕度较人体差,但完全可以满足平地行走、越障两个动作的稳定性要求。

关键词：矿用外骨骼机器人 zmp 稳定性

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伤员搬运机构与控制

伤员搬运机构与控制

作者：满文镖沈阳理工大学

学位级别：硕士

从古到今,自然灾害对于国家的影响都是不可轻视的,作为世界上自然灾害频发的国家之一,我国深受自然灾害的威胁,自然灾害具有突发性、高破坏性的特点。灾害发生具有不可逆性,所以,灾害发生后,对于受灾人员的救助是第一位的。当灾难发生,... 详细信息

从古到今,自然灾害对于国家的影响都是不可轻视的,作为世界上自然灾害频发的国家之一,我国深受自然灾害的威胁,自然灾害具有突发性、高破坏性的特点。灾害发生具有不可逆性,所以,灾害发生后,对于受灾人员的救助是第一位的。当灾难发生,搜救人员要尽快赶到灾害现场,在恶劣环境下进行高强度人员救援。对于救援人员的挑战是巨大的,因此,使用救援机器人对于救援过程中重复性高、任务量重的工作进行替代,极大提高效率,减轻救援人员体力消耗,保证救援人员安全。针对伤员转运过程,中科院沈阳自动化研究所联合大连理工开发一款用于救援的伤员搬运机器人。本文主要针对伤员搬运机器人从以下几个方面开展研究:(1)根据伤员搬运的需求,进行搬运装置的设计,分别对伤员安全和机构运动可行性进行分析,先对实验假人进行配重,分析机构实际受力情况,对搬运装置在实际运动时遇到的问题进行分析,进而完成控制单元的选择以及搬运装置的方案设计及选择。(2)机器人控制系统分为硬件控制系统的搭建与软件系统的设计。(3)为实现机器人的运动控制,对机械臂和车体二者分别进行运动学建模,并给出机械臂的几何解与解析解,通过将机械臂和车体融合,得到机器人整体的运动学模型,将其化为七自由度的机器人,并且根据其末端操作空间和机器人关节空间之间的关系,得出对于该七自由度冗余机器人的求逆解方法。(4)根据机器人整体运动学,计算机器人末端和各关节之间的雅可比矩阵,然后计算机器人的动力学方程,结合实际数据进行动力学建模。进而建立机器人的稳定性模型,给出机器人运动中的动态稳定性判定依据。(5)结合运动学、动力学,对机器人进行运动规划.针对机器人搬运伤员运动时发生的倾翻、末端加速度突变过大、关节抖动,使得导致伤员的安全受到威胁等问题,对末端轨迹进行安全性规划,通过目标函数,计算该七自由度机器人稳定性最优解,对于关节抖动问题设计合适滤波器进行滤波使得关节运动平滑,最后得到伤员搬运机器人安全稳定的运动规划算法,并使用MATLAB编写代码,进行伤员搬运实验仿真验证。为本文研究设计的伤员搬运运动规划提供了算法验证。

关键词：救援机器人冗余自由度机器人运动学轨迹规划动力学 zmp

Clock-turning gait synthesis for humanoid robots

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控制理论与应用（英文版） 2007年第1期5卷 23-27页

作者： Zhe TANG Zengqi SUN Hongbo LIU Meng Joo ER Intelligent Systems Centre Nanyang Technological University 637553 Singapore Department of Computer Science and Technology Tsinghua University Beijing 100084 China

Turning gait is a basic motion for humanoid robots. This paper presents a method for humanoid tuming, i.e. clock-turning. The objective of clock-turning is to change robot direction at a stationary spot. The clock-turning planning consists of four steps： ankle trajectory generation, hip trajectory generation, knee trajectory generation, and inverse kinematics calculation. Our proposed method is based on a typical humanoid structure with 12 DOFs （degrees of freedom）. The final output of clock-turning planning is 12 reference trajectories, which are used to control a humanoid robot with 12 DOFs. zmp （zero moment point） is used as stability criterion for the planning. Simulation experiments are conducted to verify the effectiveness of our proposed clock-turuing method.

关键词： Humanoid robots Turning gait zmp Clock-turning

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四足巡检机器人步态规划及摩擦补偿控制研究

四足巡检机器人步态规划及摩擦补偿控制研究

作者：刘志国北京石油化工学院

学位级别：硕士

四足巡检机器人因腿足式结构与地面接触点离散的特点,具有出色的地面适应能力和灵活性,是当前巡检机器人领域的研究热点。本课题就四足巡检机器人稳定行走和稳定精度两大关键技术,从步态规划和摩擦补偿控制的角度,进行了以下几个方面的... 详细信息

四足巡检机器人因腿足式结构与地面接触点离散的特点,具有出色的地面适应能力和灵活性,是当前巡检机器人领域的研究热点。本课题就四足巡检机器人稳定行走和稳定精度两大关键技术,从步态规划和摩擦补偿控制的角度,进行了以下几个方面的研究:本课题针对一种串联腿全肘式四足巡检机器人,介绍了机器人系统的整体架构,并以机器人的右前腿为例,建立了等效连杆模型,简述了位姿与齐次变换等分析方法。基于改进型DH参数法构建了四足巡检机器人单腿正逆运动学模型,推导了雅克比矩阵和静力学模型,并采用牛顿-欧拉法得出机器人单腿的动力学模型,为后续的步态规划和摩擦补偿控制奠定了理论基础。针对复杂工况引起的四足巡检机器人稳定性问题,采用蒙特卡洛数值法绘制了机器人的工作空间,在已知足端可达范围的基础上,利用分段多项式进行了足端轨迹规划,设计了使用zmp零力矩点稳定性判据的步态规划方法,并在MATLAB中搭建了机器人的虚拟仿真环境,设计了机器人对角小跑步态仿真,结果表明该步态规划方法能实现四足巡检机器人对角小跑步态的稳定运动。针对非线性摩擦对四足巡检机器人运动精度的影响,提出了一种机器人关节摩擦参数辨识与补偿控制方法,采用带有自适应系数的改进型Lu Gre摩擦模型对关节摩擦力矩建模,设计了摩擦静态参数和动态参数的离线辨识方法,通过关节摩擦力矩测试实验辨识出摩擦参数值,基于李雅普诺夫渐近稳定判据设计了反步自适应补偿控制器,摩擦补偿仿真实验结果表明采用自适应摩擦补偿控制的机器人关节跟踪性能得到明显提升。最后,基于四足巡检机器人物理样机进行了实验验证。介绍了样机机械结构与控制系统,并采用与虚拟样机仿真相同的控制参数进行了四足巡检机器人步态生成与摩擦补偿实验,实验数据与仿真结果基本一致,为四足巡检机器人的工程应用提供了方案支持。

关键词：四足巡检机器人 zmp 步态规划摩擦补偿反步自适应

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轮足复合球形机器人的设计及运动控制研究

轮足复合球形机器人的设计及运动控制研究

作者：崔玉振太原理工大学

学位级别：硕士

近年来,移动机器人行进方式迅速发展以增强其多场景适应能力,多种行进方式相结合的应用可增强机器人的运动能力以及灵敏性。与常见的足式移动机器人相比,球形机器人在移动速度方面优于足式机器人,同时还可实现原地转向。因此,本文设计... 详细信息

近年来,移动机器人行进方式迅速发展以增强其多场景适应能力,多种行进方式相结合的应用可增强机器人的运动能力以及灵敏性。与常见的足式移动机器人相比,球形机器人在移动速度方面优于足式机器人,同时还可实现原地转向。因此,本文设计并完善了一种轮足复合球形机器人,该机器人同时具备了球形机器人行进速度快以及足式机器人越障能力强的特点。本文的研究工作具体内容如下:(1)基于机器人在各运动模式下的功能及性能指标要求,首先规划了机器人的整体系统框架,之后根据运动模式分别设计了滚动行进及爬行行进机械结构。在设计过程中,对两种运动模式的关键件分别进行了优化设计,提出了采用V字型轴承构成四点支撑的差速轮驱动结构以及球壳-四足耦合的四足爬行结构。最后基于CATIA完成数字样机设计,并使用其内置的DMU运动仿真功能对数字样机模型进行运动干涉分析,避免结构干涉。(2)对已设计优化后的数字样机模型开展运动学分析。首先基于牛顿-欧拉法对机器人滚动模式进行了受力分析用于后续电机选型;基于D-H法对机器人的爬行结构建立单腿运动学模型,最后形成了正逆运动学方程用于后期的舵机控制。然后根据zmp稳定性判据对机器人爬行行进方式做出步态规划,并提出了机器人位于斜坡时的运动姿态切换控制算法。最后基于ROS环境下的Gazebo软件平台进行了坡面运动模式切换仿真,验证了所提算法的有效性。(3)基于机器人整体功能需求设计了机器人控制系统整体框架,将控制系统分为控制系统硬件设计、控制系统软件设计。其中控制系统硬件分为四个模块:主控模块、通信模块、动力模块以及惯性导航模块。对以上四个模块分别进行设计,以树莓派ZERO作为通信模块,使用WIFI接收控制指令下发至以STM32芯片为核心的主控模块,主控模块接收控制指令后结合惯性导航模块采集的实时数据对机器人运动进行规划,控制动力模块执行相应运动。(4)将机器人的机械结构、硬件系统进行集成,搭建物理样机模型,对机器人的爬行模块舵机关机变量进行标定,并开展了滚动及爬行试验,通过试验验证了球形机器人具备滚动行进能力、爬行行进能力,转向性能以及坡面姿态自主切换能力。

关键词：球足复合机器人运动模式控制移动机器人四足机器人 zmp

面向外部扰动的自平衡外骨骼机器人站立控制研究

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面向外部扰动的自平衡外骨骼机器人站立控制研究

作者：肖杨重庆邮电大学

学位级别：硕士

目前国内外研究开发的外骨骼机器人大多数是欠自由度的助力辅助机器人。该类机器人不仅需要穿戴者借助拐杖等辅助物来保持身体的平衡,也不适用于上肢失能或半失能的高位瘫痪病人。为了帮助高位瘫痪的残疾人能够正常生活,研究具有自平衡... 详细信息

目前国内外研究开发的外骨骼机器人大多数是欠自由度的助力辅助机器人。该类机器人不仅需要穿戴者借助拐杖等辅助物来保持身体的平衡,也不适用于上肢失能或半失能的高位瘫痪病人。为了帮助高位瘫痪的残疾人能够正常生活,研究具有自平衡功能的外骨骼机器人是未来的趋势。本文以自平衡外骨骼机器人Auto LEE-II为研究对象,针对自平衡外骨骼机器人平台的零力矩点(zmp,Zero-Moment Point)不准确的问题和抗击外部冲击扰动的站立平衡控制性能较差的问题展开课题研究。本文主要的研究工作内容如下:1.采用神经网络的策略校正自平衡外骨骼机器人Auto LEE-II平台的zmp。机器人平台的zmp的准确性会直接影响机器人平衡稳定的判断。由于自平衡外骨骼机器人的脚底板采用了双层设计结构,其机械性耦合会导致机器人平台的zmp不准确。针对这一问题,利用四种传统的神经网络校正机器人平台的zmp,得到zmp校正前后的位置分布图和平均误差,对比结果表明四种神经网络均能较好的校正zmp,其中广义神经网络校正zmp的效果最好。2.建立外骨骼机器人的运动学和动力学模型。建立外骨骼机器人的运动学和动力学模型是研究自平衡外骨骼机器人站立平衡控制的基础。本课题利用机器人躯干质心位置作为浮动基座,结合齐次坐标变换建立外骨骼机器人的浮基运动学模型。分析了机器人关节角度变化对姿态的影响,通过MATLAB软件仿真分析,验证了运动学模型的正确性。利用达朗贝尔原理的动静法建立外骨骼机器人的动力学模型。通过计算连杆质心动量,结合动量矩定理分析,验证了动力学模型的正确性。3.采用动量平衡控制策略实现外骨骼机器人的静态站立控制。首先采用动量调节控制的策略设计质心动量平衡控制器,并搭建仿真实验平台。然后完成了平面环境和斜面环境的静态站立仿真实验,并以外骨骼机器人的质心动量趋于零为控制指标,进行平面和斜面的静态站立控制对比分析,验证了质心动量平衡控制器的可控性。最后依次使用0-250N大小的冲击作用力作为干扰源,完成了在平面和斜面环境下的干扰实验。实验结果表明,本文所设计的质心动量平衡控制器能够使外骨骼机器人在平面环境下具有较好的抗干扰能力,并有效的改善了外骨骼机器人在斜面环境下的抗干扰能力。

关键词：自平衡外骨骼机器人 zmp 神经网络质心动量平衡控制器