液压驱动型四足机器人电液伺服控制系统仿真建模与实验分析

复杂的作业环境和艰巨的作业任务使液压驱动型四足机器人对其伺服系统的精度、速度和力量均比一般机器人在普通情况下有更高的要求。为掌握液压驱动型四足机器人在多种路况下行走时各液压缸的受力情况以及液压系统内流量、压力的变化情况,需要对其虚拟样机进行机械动力系统和液压伺服系统的联合仿真,定性分析电液伺服系统位置、速度等被控对象的特性,并分析PID控制器在四足机器人伺服控制方面的特性与不足。针对传统控制算法在四足机器人控制存在的短板问题,设计了一种非对称前馈补偿模糊自适应PID算法,并利用物理样机进行了实际验证。实验结果为四足机器人电液伺服控制系统硬件、软件和控制算法的设计与优化指明了方向,还为研究四足机器人平稳步态控制策略提供了决策依据和数据支持。     

高性能液压驱动四足机器人SCalf的设计与实现

详细阐述了液压驱动的四足仿生机器人SCalf的结构组成、机载动力系统、液压驱动器和实时控制系统.利用基于姿态解耦的运动控制方法,实现了机器人的平稳、快速运动.开发了基于足底接触力的腿部柔顺控制方法,提高了机器人对复杂地形的适应能力.在实际运行实验中,验证了SCalf机器人在非平整路面、易打滑路面、上下坡及上楼梯状况下的运动能力,以及受到侧向冲击时的抗扰动能力和自主平衡能力,证明了SCalf四足机器人能够满足较为复杂地面环境下的行走需求.     

六足步行机器人控制系统研究

六足机器人是一种具有多支链与时变拓扑结构的特种机器人,该类机器人能够在复杂环境中稳定行走,长期以来一直是国内外机器人研究领域的热点之一。本文从仿生角度出发,归纳六足机器人稳定行走的三种方式;根据六足机器人各足支撑点围成的多边形区域与机体重心在其投影的关系来评定六足机器人行走稳定性,为实现六足机器人稳定性行走提供理论依据;最后根据机器人控制精度增加和智能力减少的原则,以分级递阶的方式设计六足机器人的运动控制系统。     

动作捕捉技术在四足机器人研究中的应用

四足机器人对于复杂地形有良好适应性,比轮式机器人、履带式机器人有更强的探索能力,具有很高的实用价值.在四足机器人研究的各个阶段和不同方向,光学动作捕捉系统作为一种测量设备被广泛使用.简要介绍四足机器人的关键技术,并说明了光学动作捕捉系统在各研究中的应用.     

四足机器人步态生成算法研究与仿真

在四足机器人行走动态控制的研究中,为使四足机器人能在复杂地面状况下行走,提出了一种四足机器人在不平坦地面爬行时的平动步态生成算法.首先构建四足机器人步行机构模型,根据静态稳定性对角线原理的判定确定机器人腿的摆动顺序;以平动步态为例根据机器人前行方向、初始位姿、地面不平坦等因素计算一个步态周期后机器人的位姿从而实现平动直线行走的连续步态算法.考虑了机器人机构约束以及状态变化因素使机器人在每一个步态周期都能跨出尽可能大的步幅实现行走效率的最大化.通过仿真验证了算法的正确性.仿真结果对四足机器人步态稳定性的研究及实现具有实际的参考价值.     

一种粗糙地形下四足仿生机器人的柔顺步态生成方法

传统以刚体动力学为基础的四足机器人运动控制方法对地形误差敏感,无法适应粗糙复杂地形,因此提出一种基于虚拟模型的运动控制方法用于实现四足机器人在粗糙地形下的行走.建立了以足底接触力为约束的高层步行任务和底层运动控制的映射关系.采用弹簧-阻尼-质量虚拟模型对四足机器人进行建模,将四足机器人的步行任务用一系列作用于机体质心的虚拟力去表征,基于各足等效力矩平衡的原则,将笛卡儿空间的虚拟力矢量分配到各支撑足,利用雅可比矩阵把足端力矢量转换为机器人关节空间的关节转矩.针对崎岖的空间3维粗糙地形,建立了机器人躯干姿态与地形的关联参数,通过调整躯干姿态有效扩大了机器人对粗糙地形的适应程度.运动仿真结果表明,机器人可以实现粗糙地形下稳定连续的行走,足底接触力平稳、无冲击,证明了该柔顺步态生成方法的合理性和有效性.     

四足机器人对角小跑步态非线性控制方法仿真

针对现有的四足机器人对角小跑步态控制方法存在的机器人运动速度较慢、灵活性较差等问题,提出了一种基于虚拟模型的四足机器人对角小跑步态非线性控制方法。方法需要构建一个四足机器人模型,并在该模型的工作范围内建立一个平面直角坐标系,在不考虑机器人足端车轮滑动的情况下,将驱动四足机器人的运动方程转换成矩阵的形式,寻找有界输入平动线速度和转动角速度,使矩阵在其控制下产生的误差可以在大范围内保持稳定。求解该四足机器人在工作平面坐标系中姿态误差的微分方程,构造该微分方程的Lyapunov函数并对其求导,根据求导结果设计一个四足机器人驱动控制器,通过该驱动控制器实现对四足机器人的对角小跑步态非线性控制。仿真结果表明,所提方法能够在快速、灵活的情况下实现对四足机器人对角小跑步态的非线性控制,且鲁棒性较高,能够满足用户需求。     

面向复杂地形的四足机器人步态生成方法

为实现四足机器人在凹凸地形上稳定运动并能选择最大步长的目的,提出了基于稳定裕度的步态规划方法;基于研究对象,建立四足机器人的运动学方程及逆运动学方程,将机器人足端的位置映射为各关节的关节变量;提出工作空间矩阵的概念,将所需克服的地形高度反映到工作空间矩阵中,并选择最优步态区域;依据四足机器人的立足点在质心坐标系下的空间坐标,以纵向稳定裕度为约束条件,在工作空间矩阵中计算机器人摆动腿的最大步长并规划机械腿的运动轨迹;针对所提出的方法,分别利用MATLAB和ADAMS进行仿真验证;在MATLAB环境中计算并验证质心的水平投影是否在立足点形成支撑多变形内,而ADAMS平台分析机器人在复杂地形上的位移变化及姿态变化。仿真结果表明机器人的质心始终在支撑多边形内,机器人的躯干姿态基本保持不变且运动速度匀速,所提出的方法能够保证机器人稳定行走,为四足机器人的稳定运动提出依据。     

一种基于并联6自由度结构的电动轮足机器人

针对现有基于串联式机械腿结构的四足机器人无法同时满足承载能力大、环境适应性强、运动速度快等要求的问题,提出了一种基于并联6自由度结构的电动轮足机器人结构原理,集成了轮式运动和足式运动各自的优势.在对机器人并联式轮腿进行运动学和动力学分析基础上,建立了单腿动力学模型和机器人整体运动学模型,提出了机器人机身姿态调整算法,有效提高了机器人运动过程中姿态的平稳性.仿真与实验验证了所提出的轮足复合式机器人的可行性和轮式运动时机器人机身姿态调整策略的有效性.     

四足机器人整机非线性模型预测控制

四足机器人运动控制的研究对于推动机器人技术的发展具有重要意义。提出了一种以非线性模型预测控制（NMPC）和整机控制（WBC）结合的四足机器人运动控制算法。为了提高计算效率,将四足机器人的本体假设为一个单刚体模型(SRBD),为了使四足机器人的运动控制更为稳定和精准,使用实时迭代的方案,让NMPC以25 Hz的频率进行在线规划,WBC以500 Hz的频率实时控制机器人运动状态。通过在仿真环境中的机器人全向行走,验证了NMPC和WBC结合的四足机器人运动控制算法的有效性和优越性。     

Design of an anthropomorphic dual-arm robot with biologically inspired 8-DOF arms

From the perspective of kinematics, dual-arm manipulation in robots differs from single-arm manipulation in that it requires high dexterity in a specific region of the manipulator’s workspace. This feature has motivated research on the specialized design of manipulators for dual-arm robots. These recently introduced robots often utilize a shoulder structure with a tilted angle of some magnitude. The tilted shoulder yields better kinematic performance for dual-arm manipulation, such as a wider common workspace for each arm. However, this method tends to reduce total workspace volume, which results in lower kinematic performance for single-arm tasks in the outer region of the workspace. To overcome this trade-off, the authors of this study propose a design for a dual-arm robot with a biologically inspired four degree-of-freedom shoulder mechanism. This study analyzes the kinematic performance of the proposed design and compares it with that of a conventional dual-arm robot from the perspective of workspace and single-/dual-arm manipulability. The comparative analysis revealed that the proposed structure can significantly enhance single- and dual-arm kinematic performance in comparison with conventional dual-arm structures. This superior kinematic performance was verified through experiments, which showed that the proposed method required shorter settling time and trajectory-following performance than the conventional dual-arm robot.     

Few-experiential learning system of robotic picking task with selective dual-arm grasping

Recently, robots are introduced to warehouses and factories for automation and are expected to execute dual-arm manipulation as human does and to manipulate large, heavy and unbalanced objects. We focus on target picking task in the cluttered environment and aim to realize a robot picking system which the robot selects and executes proper grasping motion from single-arm and dual-arm motion. In this paper, we propose a few-experiential learning-based target picking system with selective dual-arm grasping. In our system, a robot first learns grasping points and object semantic and instance label with automatically synthesized dataset. The robot then executes and collects grasp trial experiences in the real world and retrains the grasping point prediction model with the collected trial experiences. Finally, the robot evaluates candidate pairs of grasping object instance, strategy and points and selects to execute the optimal grasping motion. In the experiments, we evaluated our system by conducting target picking task experiments with a dual-arm humanoid robot Baxter in the cluttered environment as warehouse.     

双臂机器人的协调控制算法综述

双臂机器人系统是当前机器人领域的研究热点,特别是随着单臂机器人在操作能力、控制等方面的局限性不断凸显,最近的研究集中在拥有协调操作能力的冗余双臂机器人.对双臂操作进行分类,然后从双臂协调运动方式、双臂协调控制问题、感知传感器、模仿学习、人机交互五个方面进行分析;综述从运动学、动力学现状入手,分析了双臂协调控制与单臂控制...     

基于运动性能分析的双臂冗余度机器人协调运动研究

为了提高双臂冗余度机器人在其交互工作空间中的协调运动能力,以ABB YuMi为例,提出了一种计算简便并且能够有效反映双臂协调运动灵活性的性能指标。利用D-H法建立了YuMi机器人的运动学模型,分析了双臂可操作度的分布情况,分别研究了两种协调运动方式的运动学约束关系以及相应的运动控制规律,基于灵活性分析构建了双臂协调装配电机转子与轴承以及字母绘制的任务,通过仿真和实验验证了本文双臂可操作度指标的有效性及协调运动规划方法的正确性。     

空间机器人抓捕目标后基于任务相容性的消旋策略

针对双臂空间机器人抓捕自旋目标后的镇定操作,在考虑机器人系统输入约束的条件下,提出了一种基于任务相容性的消旋规划与控制方法。首先,给出空间机器人抓捕目标后的组合系统的动力学模型,作为规划与控制的基础。然后,根据动力学可操作度和任务相容性设计了目标的快速消旋策略,其期望加速度的方向和大小分别取作速度的反方向和机器人系统输入约束允许的最大值。最后,基于所推导的运动学和动力学模型,通过对目标和机械臂末端分别建立柔顺度等式,提出了一种跟踪期望运动轨迹同时对末端接触力进行调节的柔顺控制方法。通过双臂7自由度空间机器人消除目标自旋运动的仿真结果,验证了所提方法的有效性。     

一种协作型机器人运动性能分析与仿真

随着制造模式的变革,协作型机器人在工业领域的应用日益广泛。本文介绍了协作型机器人的特性,并且以KUKA LBR iiwa机器人为例,进行运动性能分析,旨在为研发此类机器人提供设计理论依据。利用Denavit-Hartenberg法建立了该机器人运动学模型。基于蒙特卡洛法在MATLAB环境下对机器人灵活性和可操作性进行分析,并对其在狭小空间内作业进行轨迹规划,仿真结果表明LBR iiwa机器人具有良好的灵活性、可操作性及避障能力。     

Sensing and gait planning of quadruped walking and climbing robot for traversing in complex environment

In this paper, a general study on improving adaptability of quadruped walking and climbing robot in complex environment is presented. First, a sensing system composed of range and gyroscope sensors in a novel arrangement is developed. By combining the sensing signals and the internal state of the robot, the surface geometry of the environment is sufficiently reconstructed in real-time. Secondly, a planning algorithm for the robot to overcome the reconstructed environment is conducted. Based on the reshaped surface, the planning algorithm not only provides the exact body trajectory and foot positions but also the adaptability of the robot in a specific environment. A method to improve the adaptability of the walking and climbing robot is also introduced. Thanks to the adherent ability of the robot, the center of gravity of the robot is allowed to move outside the support polygon to increase the reach-ability of the next swing leg. Finally, the effectiveness of the proposed approach is verified by the performances of the experiments in complex environments using a quadruped walking and climbing robot named MRWALLSPECT IV.     

基于Klann连杆的球腿复合机器人的设计与研究

结合球形和四足机器人两者优势,创新性地提出一种能适应多重作业环境的球腿复合移动机器人．在滚动模式下,对其进行直线滚动和侧滚转向分析,验证机器人转向的可行性．在四足模式下,以复数矢量法求得机器人足端坐标,并用Matlab绘制的足端轨迹曲线与Adams仿真曲线对比,验证了理论的正确性．以抬腿高度作为目标函数,由非线性规划算法求得足端轨迹最优解．采用质心投影法分析了机器人四足行走时的稳定性．建立仿真模型对机器人的四足直行、四足转向、四足爬坡和球体侧滚等运动模式进行仿真试验．同时,制作一台样机,验证了该机器人方案设计及各运动模式的可行性．     

一种基于DTW-GMM的机器人多机械臂多任务协同策略

为了控制机器人完成复杂的多臂协作任务, 提出了一种基于动态时间规整?高斯混合模型(Dynamic time warping-Gaussian mixture model, DTW-GMM)的机器人多机械臂多任务协同策略. 首先, 针对机器人示教时轨迹时间长短往往存在较大差异的问题, 采用动态时间规整方法来统一时间的变化; 其次, 基于动态时间规整的多机械臂示教轨迹, 采用高斯混合模型对轨迹的特征进行提取, 并以某一机械臂的位置空间矢量作为查询向量, 基于高斯混合回归泛化输出其余机械臂的执行轨迹; 最后, 在Pepper仿人机器人平台上验证了所提出的多机械臂协同策略, 基于DTW-GMM算法控制机器人完成了双臂协作搬运任务和汉字轨迹的书写任务. 提出的基于DTW-GMM算法的多任务协同策略简单有效, 可以利用反馈信息实时协调各机械臂的任务, 在线生成平滑的协同轨迹, 控制机器人完成复杂的协作操作.