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中国乳品工业 2005年第9期33卷 61-64页

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机器人下肢外骨骼系统稳定性分析和步态控制研究

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组合机床与自动化加工技术 2016年第4期 76-79页

作者：周东栋樊军新疆大学机械工程学院乌鲁木齐830047

针对人在穿戴下肢外骨骼行走的过程中,人的不稳定扰动作用造成系统实际与规划的zmp轨迹之间存在较大误差的现象。文章基于传统的zmp稳定性判定理论,首先建立了人的物理干扰因素对系统稳定性影响的数学模型;然后对于人体侧向运动过程中,... 详细信息

针对人在穿戴下肢外骨骼行走的过程中,人的不稳定扰动作用造成系统实际与规划的zmp轨迹之间存在较大误差的现象。文章基于传统的zmp稳定性判定理论,首先建立了人的物理干扰因素对系统稳定性影响的数学模型;然后对于人体侧向运动过程中,上肢的物理参数变化对系统稳定性的影响进行仿真;进而研究了踝关节角度校正对系统失稳的补偿控制,并进行了仿真;最后的仿真结果证明,在系统中引入校正关节角度补偿后,下肢外骨骼系统的稳定性得到了显著的提高。

关键词：下肢外骨骼 zmp 稳定性步态控制

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2008年世界乳业形势(续)

中国乳品工业 2009年第12期 54-58页

作者：沙淼全国乳品工业信息中心

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2006年世界乳业形势(续)

中国乳品工业 2007年第12期35卷 52-57页

作者：沙淼全国乳品工业信息中心

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下肢康复外骨骼步态规划方法研究

下肢康复外骨骼步态规划方法研究

作者：王益凯南京理工大学

学位级别：硕士

随着老龄化进程的加剧,下肢运动障碍患者不断增加,对于下肢康复外骨骼的需求不断增加。步态规划技术作为下肢康复外骨骼的关键技术之一受到越来越多科研工作者的关注。到目前为止,下肢康复外骨骼的步态规划技术领域依然存在步态稳定性... 详细信息

随着老龄化进程的加剧,下肢运动障碍患者不断增加,对于下肢康复外骨骼的需求不断增加。步态规划技术作为下肢康复外骨骼的关键技术之一受到越来越多科研工作者的关注。到目前为止,下肢康复外骨骼的步态规划技术领域依然存在步态稳定性不足、步态轨迹对患者的适应性不足等问题。针对存在的这些问题,本文进行下肢康复外骨骼步态规划方法的研究。主要研究内容如下:(1)对下肢外骨骼选择了10自由度的配置,通过分析人体骨骼结构相关参数和步行特点,建立下肢外骨骼简化多连杆模型。运用D-H分析法对支撑腿和摆动腿进行运动学分析并使用Matlab对结果进行验证。运用拉格朗日法分析摆动腿的动力学,为了动力学的准确性,从Solidworks中导入下肢外骨骼机械模型,采用Simulink中的Simscape模块进行动力学分析。(2)为了获得稳定的步态轨迹,设计了基于质心修正控制的步态规划方法。首先通过多项式插值规划出零力矩点(zmp)参考轨迹和足部摆动轨迹;其次针对倒立摆模型采用质心修正控制的方法修正质心轨迹,结合足部摆动轨迹进行运动学逆解,得到关节轨迹。(3)为了能够得到符合人体特征的步态轨迹,设计了基于广义回归神经网络-动态运动基元(GRNN-DMP)的步态学习方法。捕捉与患者具有相近下肢生理结构的健康者的步态并进行滤波插值处理,作为参考轨迹输入到GRNN-DMP系统中,得到的学习结果与全局回归-动态运动基元(GR-DMP)和径向基函数神经网络-动态运动基元(RBFNN-DMP)对比。(4)为了提高人体在步态生成过程中的参与度,加强步态轨迹对人体的适应性,设计了主被动相结合的自适应步态规划方法。首先采用GRNN-DMP学习患者历史步态数据,获取患者的步行特征。其次,采用主被动意图估计的方法分别估计此时人体的主动意图和被动意图,综合两种意图估计出下一步步长,GRNN-DMP根据步长模拟出相应的足部摆动轨迹。然后,结合zmp参考轨迹,采用预览控制生成质心轨迹,通过运动学逆解规划出关节轨迹。最后,采用RBFNN-PID控制方法控制下肢外骨骼追踪规划出的关节轨迹。在Simulink进行虚拟样机仿真,结果说明了该方法的有效性。

关键词：下肢康复外骨骼运动学动力学 zmp DMP 意图估计

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基于预测控制的四足机器人walk步态研究

基于预测控制的四足机器人walk步态研究

作者：许佳奇国防科学技术大学

学位级别：硕士

四足机器人可以稳定灵巧地执行军事运输、科学探索、灾难救援等野外任务,在执行这些任务时,它们展现了自身的大负载能力、柔顺性、稳定性以及环境适应性。四足机器人在台阶、障碍、斜坡等极端复杂环境下运动时,采用walk步态行走会拥有... 详细信息

四足机器人可以稳定灵巧地执行军事运输、科学探索、灾难救援等野外任务,在执行这些任务时,它们展现了自身的大负载能力、柔顺性、稳定性以及环境适应性。四足机器人在台阶、障碍、斜坡等极端复杂环境下运动时,采用walk步态行走会拥有巨大优势。本文首先提出了四足机器人walk步态运动机理。在walk步态运动过程中,机器人的惯性力是影响机器人运动稳定性的重要因素,因此选择zmp(零力矩点)动态稳定性判据作为衡量机器人稳定性的准则。其次,提出了基于预测控制的walk步态模式在线生成方法。通过将未来时刻期望的zmp信息引入到预测控制器的滚动优化中,为机器人生成了合适平滑的质心期望轨迹,使得zmp轨迹能够得到较好的跟踪。通过引入对外界扰动进行补偿的可变zmp,可以有效抑制环境对机器人的干扰,提升了四足机器人的自适应能力。为了提升机器人的柔顺性和稳定性,设计基于力内环的机器人位姿控制算法,包括本体位姿控制算法、力分配算法以及单腿控制算法。本体位姿控制算法将机器人本体看成分维度的弹簧阻尼模型;力分配算法中选取支撑腿力矩之和最小作为计算足端接触力的优化条件;足端力控制器的设计使机器人足端接触力能够较好地跟踪力分配算法产生的期望力。仿真中,四足机器人实现了跨越障碍、上台阶和下台阶的walk步态运动。实验中,四足机器人完成了上台阶的walk步态运动。仿真和实验证明了基于预测控制的四足机器人walk步态模式在线生成方法、机器人位姿控制算法的有效性和可行性。

关键词：四足机器人预测控制 walk步态力分配 zmp

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仿人足球机器人步态规划研究

仿人足球机器人步态规划研究

作者：吴泽琦浙江工业大学

学位级别：硕士

仿人机器人是机器人领域一个非常具有挑战性的研究方向,它涉及机器人学、人工智能、自动控制等多个领域。作为仿人机器人的一个显著特点就是能实现双足步行,因此规划稳定、快速的行走步态已经成为了仿人机器人研究的一个热点。本文以小... 详细信息

仿人机器人是机器人领域一个非常具有挑战性的研究方向,它涉及机器人学、人工智能、自动控制等多个领域。作为仿人机器人的一个显著特点就是能实现双足步行,因此规划稳定、快速的行走步态已经成为了仿人机器人研究的一个热点。本文以小型仿人足球机器人为研究对象,根据仿人足球机器人本身的硬件特性和机器人足球比赛的特点,对机器人步态进行规划仿真,最终将规划的步态在仿人足球机器人上进行验证。本文主要研究工作如下：1.采用三次样条插值和高次多项式插值算法规划步态。首先根据机器人的结构特性建立了七连杆模型。接着分析了仿人足球机器人一个完整步行周期的运动过程,将其分成起步、周期行走、止步三个阶段研究。然后根据步行过程中髋关节和踝关节不同的运动特点,分别采用三次样条插值与高次多项式插值进行轨迹插值。最后利用空间几何关系推导了膝关节的运动轨迹。2.利用遗传算法对步态参数进行优化,得到稳定裕度最大的行走步态。讨论了机器人稳定行走的zmp(Zero Moment Point)判据,并在此基础上构造了步态优化的目标函数。最后采用遗传算法优化髋关节的位置参数,得到了仿人足球机器人一个步行周期内zmp稳定裕度最大的步态。3.在ADAMS中进行虚拟样机仿真实验。首先在步态优化的基础上,利用逆运动学在MATLAB中计算出仿人足球机器人各关节角度的变化轨迹。然后,利用ADAMS虚拟样机技术,建立仿人足球机器人虚拟样机模型,并导入各关节驱动。接着在ADAMS中进行动力学仿真,根据仿真结果验证步态规划的有效性。最后,在仿人足球机器人上,进行实物验证,成功实现了机器人稳定、快速的步行运动。

关键词：仿人足球机器人步态规划 zmp 步态优化虚拟样机

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下肢康复机器人步态规划与控制研究

下肢康复机器人步态规划与控制研究

作者：曹金鑫曲阜师范大学

学位级别：硕士

随着人口老龄化的加剧,由于“脑卒中”等原因造成下肢运动障碍的患者逐渐增多,对患者本身造成不便的同时也增加了患者家庭和社会的负担。目前,使用下肢康复机器人对患者进行康复训练成为一种趋势,然而现有步态规划方法忽视了关节运动的... 详细信息

随着人口老龄化的加剧,由于“脑卒中”等原因造成下肢运动障碍的患者逐渐增多,对患者本身造成不便的同时也增加了患者家庭和社会的负担。目前,使用下肢康复机器人对患者进行康复训练成为一种趋势,然而现有步态规划方法忽视了关节运动的协调性,所设计的步态轨迹会导致步行稳定性弱;一些不合理的控制器设计导致轨迹跟踪误差大,收敛速度慢,影响康复训练效果。为解决以上问题,提出一种基于莱维飞行粒子群算法的归一型步态规划法,提高了关节运动的协调性和步行稳定性;提出一种新型模糊快速非奇异终端滑模控制算法,减小跟踪误差,提高收敛速度,增强系统鲁棒性,有效抑制抖振现象。主要研究工作如下:（1）建立下肢康复机器人运动学与动力学模型。运用D-H法建立下肢康复机器人的五连杆模型进行正逆运动学分析,通过Robotics Toolbox验证运动学模型的正确性。基于拉格朗日法建立下肢康复机器人动力学模型,推导下肢康复机器人动力学方程,通过Sim Mechanics验证其正确性。（2）下肢康复机器人步态规划。依据zmp稳定性判据,推导出zmp点计算公式。提出一种基于莱维飞行粒子群算法的归一型步态规划法,基于髋关节x方向轨迹规划其他关节轨迹,提高了关节运动的协调性,并由逆运动学分析解出关节角度。与三点步态规划法相比,zmp轨迹偏差减小43.1%,证明归一型步态规划法提高了步行稳定性。（3）下肢康复机器人控制研究。针对一些控制器轨迹跟踪误差大、收敛速度慢的问题,设计一种新型快速非奇异终端滑模控制器,构造Lyapunov函数证明了系统稳定性和有限时间收敛性。通过MATLAB仿真分析,与线性滑模控制器相比髋关节最大误差降低23.9%,平均误差降低36.0%,膝关节最大误差降低38.6%,平均误差降低26.4%,减小了系统的轨迹跟踪误差,提高收敛速度,增强系统鲁棒性。针对输入力矩的抖振问题,引进模糊控制理论,得到模糊快速非奇异终端滑模控制器,保证跟踪效果的同时有效抑制输入力矩的抖振现象。（4）实验平台搭建与实验验证。搭建下肢康复机器人平台,依托平台进行步行稳定性实验和运动轨迹跟踪实验。实验结果表明:步行过程中zmp点位于支撑域内,规划的步态轨迹可以保证步行康复训练的稳定性;轨迹跟踪误差在1°范围之内,设计的控制器能够有效地跟踪给定轨迹。

关键词：下肢康复机器人 zmp 步态规划运动控制终端滑模

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仿人机器人实时运动规划方法研究

仿人机器人实时运动规划方法研究

作者：杨庆国防科学技术大学

学位级别：硕士

近年来,仿人机器人的研究迅速发展,取得了很多成就。稳定动态步行作为人类的基本特征,已成为机器人研究的焦点之一。本论文主要进行仿人机器人实时运动规划与控制问题的研究。首先,介绍了仿人机器人平台的特点及主要结构参数,从实时性... 详细信息

近年来,仿人机器人的研究迅速发展,取得了很多成就。稳定动态步行作为人类的基本特征,已成为机器人研究的焦点之一。本论文主要进行仿人机器人实时运动规划与控制问题的研究。首先,介绍了仿人机器人平台的特点及主要结构参数,从实时性、可靠性、可扩展性等方面,分析了***操作系统应用于仿人机器人实时控制的可行性。其次,对仿人机器人平台进行了简化,在忽略前向运动与侧向运动之间耦合作用的基础上,采用Lagrange方程法建立了仿人机器人的前向动力学模型和侧向动力学模型。接着,利用安装在脚部的六维力/力矩传感器检测地面力、力矩信息,进行稳定性分析。推导出仿人机器人在单脚支撑期和双脚支撑期的实际zmp(ZeroMomentPoint)计算公式,将其作为检测仿人机器人实际行走过程的稳定性判据。然后,实现了一种可行的基于CMAC的逆运动学求解方法,并通过Matlab仿真对该方法进行了验证。该方法利用CMAC神经网络逼近仿人机器人的逆运动学模型,得到末端位姿偏差到各个关节调节量的映射关系,避免了传统解析方法面临的计算量大、解不唯一的问题。最后,以zmp稳定判据和基于CMAC的机器人逆运动学求解方法为基础,对步态进行了实时规划,并利用力/力矩传感器信息对机器人步态的实时控制算法进行了探讨和研究。

关键词：仿人机器人六维力/力矩传感器 zmp 小脑模型神经网络步态规划实时控制

下肢负重外骨骼机器人系统控制机理研究与实现

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下肢负重外骨骼机器人系统控制机理研究与实现

作者：谭先锋江西理工大学

学位级别：硕士

下肢外骨骼机器人是将人类的灵活性、智能性及其机动性同机械结构的机械动力结合起来组成的一个系统,在军事、生物医学、生活等领域得到了比较广泛的应用,结构设计遵循仿生学,骨骼比例以及运动关节位置能够很好的人体下肢匹配,能够跟正... 详细信息

下肢外骨骼机器人是将人类的灵活性、智能性及其机动性同机械结构的机械动力结合起来组成的一个系统,在军事、生物医学、生活等领域得到了比较广泛的应用,结构设计遵循仿生学,骨骼比例以及运动关节位置能够很好的人体下肢匹配,能够跟正常人一样自如的完成行走,坐下等复杂动作,与穿戴者协调运动,同时还能够增强穿戴者的负重力、速度以及耐力,具有很好的市场前景。本文运用仿生学的设计思想,从人体解剖学和外科骨骼学着手分析人体下肢各个运动关节在步行过程中的作用以及活动范围,通过对人体运动机理以及特征进行深入研究,结合人体工程学及运动学特征设计出一套能够快捷穿戴,并且腰部横梁及大小腿连杆的长度可以进行调节,能够很方便的让众多体型不同的人穿戴是外骨骼机器人样机机械结构。以零力矩点(zmp)稳定性判据为机器人稳定理论基础,提出了一种基于零力矩点稳定判据,用三次样条对关节轨迹进行插值的步态控制策略。以PC机、STM32单片机以及六轴运动控制卡为核心设计搭建了外骨骼机器人控制系统的硬件平台。通过以太网总线和485总线完成了上位机与下位机的Modbus通讯协议。在此硬件平台上研发了一套应用于该系统的控制软件,能够实现自动、手动以及位置三种运动模式,可以实时监测每台电机的功率、电压、电流、温度等相关参数,并能显示出各个参数的波形变化情况。完成了下肢外骨骼机器人样机试验平台的搭建,在此基础上对外骨骼机器人的样机系统完成了人体穿戴试验和行走步态测试试验,通过反复试验测试,验证了外骨骼机器人机械结构、硬件平台、软件平台的稳定性和可靠性,并验证了控制策略的可行性。

关键词：负重下肢外骨骼机器人 zmp 三次样条插值步态分析