柔性双轮平衡机器人的动力学建模与分析

提出了一种柔性双轮平衡机器人,其机身具有以一段弹簧作为弹性阻尼的被动俯仰旋转关节．运用拉 格朗日方法建立了此机器人在平面运动的动力学模型．基于此模型,首先证明了柔性双轮平衡机器人在直立平衡点 不稳定和局部可控．其次,分析了关节刚度对线性二次型最优姿态平衡控制系统的影响．结果显示,关节刚度减小 在理论上能够加强系统的鲁棒性,却使得控制系统动态性能下降．本文提出的模型及相关分析为柔性双轮平衡机器 人的设计和控制提供了一定理论依据．     

球形机器人姿态模糊PID控制研究

论文尝试研制一种大尺寸球形机器人姿态控制问题,其中利用模糊PID控制算法初步解决了球形机器人的平衡及运动控制的问题。论文在大尺寸球形机器人转弯运动分析基础上,提出通过控制球形机器人姿态来控制球形机器人转弯半径的方法,建立姿态调整的动力学模型,并进行仿真分析及其运动特性分析,并针对球形机器人的控制问题,提出了相应的控制策略。通过对动力学模型的传递函数进行控制分析,找到使系统达到满意的性能指标。根据实际控制中执行机构特点,提出了一种改进的PID控制模糊PID控制算法,并进行了试验研究。通过仿真与试验表明:模糊PID控制算法对球形机器人姿态调整控制有良好效果,使该算法在外界地形保持不变时能够较好的适应该地形,并实现控制要求。     

空间机器人姿态稳定方法研究

研究机器人动态优化问题,空间机器人的动力学耦合特性会影响系统的稳定性.空间机器人由于机械运动基座产生扰动,影响姿态稳定.通过建立空间机器人的动力学模型,结合动力学耦合特性分析了空间机器人的零反作用空间.提出基于零反作用空间的基座姿态稳定方法,实现了机械臂与基座的动力学解耦.不采用反作用飞轮或反作用喷气装置,即可使空间机器人的基座姿态达到稳定,达到了节省星上能源,延长空间机器人使用寿命的目的.在Matlab上进行数值仿真实验,结果验证了方法的有效性和可行性.方法能够为空间机器人在轨操作提供理论依据.     

基于姿态识别的机器人人机交互系统设计

针对现有遥机器人人机交互系统依赖于视频信息使操控性能不稳定的问题,设计并实现一种基于姿态传感器的人机交互系统。利用姿态传感器获取人的姿态信息并对其进行解算,通过基于D‐S证据理论的信息融合法对姿态进行判定,使用语音确定动作指令的发送,对复杂动作进行组合,简化操作,通过“双虚拟模型”获取远端机器人的姿态,对运动轨迹进行修正。实验结果表明,该系统具有高稳定、高准确率及易操作的特点。     

基于模糊PID的球平衡机器人控制器设计与仿真

为了提高单球机器人的姿态控制和运动控制的能力,本文在构建单球机器人机械结构的基础上,设计了一种基于模糊比例—积分—微分(PID)控制算法的线性二次型最优控制方法的控制器,应用于机器人自平衡姿态解算和运动轨迹跟踪控制。为了提高单球机器人姿态控制的实时性、准确性和可靠性,将复杂的运动学模型简化成二维倒立摆运动学模型,并利用正运动学和逆运动学建立机器人全向轮与球移动函数,确立拉格朗日动力学模型。最后对机器人的姿态平衡和运动轨迹跟踪进行仿真。仿真结果表明:具有优化控制器的球平衡机器人在姿态控制和运动控制中,具有响应速度快、抗干扰能力强等优点。     

基于T-S模型的体操机器人系统模糊变结构控制

针对体操机器人（Acrobot）这类非线性系统，给出一种基于T—S模型的模糊变结构控制律设计．首先采用T—S模型建模,得到Acrobot的全局模糊模型;然后基于Lyapunov理论设计出保证Acrobot全局渐近稳定的模糊变结构平衡控制器．仿真结果表明，所设计的模糊变结构控制器与普通变结构控制器相比．可使Acrobot系统在垂直向上平衡点附近具有更大的吸引域和更强的鲁棒性．     

考虑姿态检测误差的两轮机器人研究

两轮机器人通过姿态反馈达到稳定状态,但需要解决其姿态检测传感器存在误差的问题。本文首先通过力学分析建立两轮机器人数学模型,采用极点配置法设计状态反馈矩阵,进而得到系统控制方法 ;然后通过分析两种普遍使用的姿态检测传感器的特性,得到各自的误差模型,并采用互补滤波方法对两种姿态检测传感器进行融合。将姿态检测传感器的误差模型和互补滤波融合后的模型分别应用到两轮机器人模型中,并对两种单独使用姿态检测传感器的机器人系统和采用互补滤波方法的机器人系统进行仿真。仿真效果和实验测试表明,采用互补滤波方法的两轮机器人姿态检测误差减小,系统更加稳定。     

基于模糊PD控制方法的两轮直立自平衡电动车研究北大核心CSCD

通过机构设计、硬件开发、软件策略等方面,搭建两轮直立电动车控制系统,满足了直立车的控制要求。设计以陀螺仪和加速计为传感器的姿态获取模块,利用卡尔曼滤波算法提高控制精度。基于系统结构模型,采用牛顿力学的分析方法构建两轮自平衡直立车动力学方程。设计了模糊PD控制器,以直立车的位移和速度为输入变量进行模糊控制器控制,倾斜角度和角速度由PD控制器控制。最后,建立了直立车实时控制系统平台,用于两轮自平衡直立车的参数调试及实时控制。实验结果表明,该系统具有较好的稳定性,实时响应性高,具有较高的市场推广价值。     

基于体感的仿人机器人步态学习与控制

针对现有理想化步态动力学模型规划方法复杂、人为指定参数过多、计算量大的问题,提出一种基于体感数据学习人体步态的仿人机器人步态生成方法。首先,用体感设备收集人体骨骼信息,基于最小二乘拟合方法建立人体关节局部坐标系;其次,搭建人体与机器人映射的运动学模型,根据两者间主要关节映射关系,生成机器人关节转角轨迹,实现机器人对人类行走姿态的学习;然后,基于零力矩点(ZMP)稳定性原则,对机器人脚踝关节转角采用梯度下降算法进行优化控制;最后,在步态稳定性分析上,提出使用安全系数来评价机器人行走稳定程度的方法。实验结果表明,步行过程中安全系数保持在0~0.85,期望为0.4825,ZMP接近于稳定区域中心,机器人实现了仿人姿态的稳定行走,证明了该方法的有效性。     

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.     

A novel trajectory-tracking control law for wheeled mobile robots

In this paper a novel kinematic model is proposed where the transformation between the robot posture and the system state is bijective. A nonlinear control law is constructed in the Lyapunov stability analysis framework. This control law achieves a global asymptotic stability of the system based on the usual requirements for reference velocities. The control law is extensively analysed and compared to some existing, globally stable control laws.     

基于神经网络的室外移动机器人前轮转向模型

针对室外移动机器人的行驶特点,将车体模型划分为前轮转向模型、速度模型和位姿 模型三个部分.提出用模糊集合与神经网络相结合来建立车体前轮转向模型的方法.首先将对 前轮转向特性影响较大的行车速度模糊化,然后利用神经网络建立各模糊速度下的前轮转向模 型,最后由逆模糊化过程求得模型的实际输出.实验结果表明,该方法能较准确地反映车体的前 轮转向特性并具有鲁棒性强和易于实现的特点.     

Posture Maintenance Control of 2-Link Object By Nonprehensile Two-Cooperative-Arm Robot Without Compensating Friction

In this paper, a method to posture maintenance control of 2-link object by nonprehensile two-cooperative-arm robot without compensating friction is proposed. In details, a mathematical model of the 2-link object is firstly built. Based on the model, stable regions for holding motion of nonprehensile two-cooperative-arm robot are obtained while the 2-link object is kept stable on the robot arms with static friction. Among the obtained stable regions, the robust pairs of orientation angles of the 2-link object are found. Under the robust orientation angles, a feedback control system is designed to control the arms to maintain the 2-link object’s posture while it is being held or lifted up. Finally, experimental results are shown to verify the effectiveness of the proposed method.      

基于简化三维线性倒立摆模型的模糊控制射门算法

针对双足机器人传统射门算法存在仅适用于固定射门角度和射门姿态的问题,提出了一种基于简化三维线性倒立摆模型的模糊控制射门算法,用于实现多角度、多姿态的射门。首先利用简化三维线性倒立摆模型规划出零力矩点(ZMP)轨迹和质心轨迹;其次在双腿支撑相对双足机器人进行射门角度和姿态的调整,同时利用贝塞尔曲线规划出游动腿的轨迹;最后利用模糊控制算法精确地规划出双足机器人的射门轨迹。实验部分利用NAO机器人仿真平台验证了本文提出射门算法的性能,并与其它射门算法进行了比较。最后将实物NAO机器人用于全过程与多角度的实际射门实验,验证了本文提出射门的算法可行性与准确性。     

基于三维环境模型的启发式路径规划算法

针对多自由度机器人手臂在未知环境中实时避障的问题,提出了一种基于环境信息的连杆机器人实时路径规划方法。采用笛卡尔空间内的障碍物检测信息建立了障碍物的空间模型,并依据该模型设计一种基于启发式规则的机器人路径规划算法。该算法不断猜测和修正路径,通过模糊推理得到下一位姿点,通过曲线拟合得到到达该位姿点的路径。在Matlab下利用机器人工具箱建立了PUMA560型机器人的运动学模型,并在运动空间设置障碍物,对该算法进行仿真分析,分析结果说明所提出的路径规划算法可以在较短时间内完成避障运动,具有较好的实时性,同时运动关节的角度变化曲线比较平滑,运动中冲击力较小,这些特点使其便于在实际工程中使用。     

焊接机器人曲线焊缝的自动跟踪控制

为实现焊接机器人对曲线焊缝的自动跟踪,提出一种简便的位姿实时调整策略和协调视觉跟踪与机器人运动的视觉伺服控制方法。建立了曲线焊缝视觉跟踪过程中焊接机器人期望位姿的数学模型;设计了一种上下层结构的模糊视觉伺服控制器,通过建立焊缝特征点像素坐标偏差与末端轴旋转角度之间的关系模型,动态确定模糊论域的大小,在机器人期望位姿的基础上仅仅通过调整末端轴的旋转量来保证图像特征点始终存在于相机视场内。通过模拟焊接机器人自动跟踪曲线焊缝的实验,验证了所提策略与方法的有效性。     

伸缩腿双足机器人半被动行走控制研究

研究半被动伸缩腿双足机器人行走控制和周期解的全局稳定性问题.使用杆长可变的倒立摆机器人模型,以支撑腿的伸缩作为行走动力源,采用庞加莱映射方法分析了双足机器人行走的不动点及其稳定性.当脚与地面冲击时,假设两腿间的夹角保持为常数,设计了腿伸缩长度的支撑腿角度反馈控制率.证明了伸缩腿双足机器人行走过程不动点的全局稳定性.仿真结果表明,本文提出的腿伸缩长度反馈控制可以实现伸缩腿双足机器人在水平面上的稳定行走,并且周期步态对执行器干扰和支撑腿初始角速度干扰具有鲁棒性.     

Force Control of Robotic Manipulators Using a Fuzzy Predictive Approach

This paper proposes a force control strategy for robotic manipulators considering a non-rigid environment described by a nonlinear model. This approach uses a fuzzy predictive algorithm to generate, in an optimal way, the reference or virtual position to the classical impedance controller in order to apply a desired force profile on the environment. The main advantage of this control strategy is the possibility of including a nonlinear model of the environment in the controller design in a straightforward way, improving the global force control performance, especially in non-rigid environments. Moreover, in order to reduce the oscillations on the optimized reference position a fuzzy scaling machine is included on the force control strategy. The performance of the force control scheme is illustrated for a two degree-of-freedom PUMA 560 robot, which end-effector is forced to move along a flat surface located on the vertical plane. The simulation results obtained with the fuzzy control scheme reveal significant improvement in the force tracking performance, when compared to the impedance control with force tracking in non-rigid environments.     

A novel global asymptotic stable set-point fuzzy controller with bounded torques for robot manipulators

This paper addresses the set-point control of robot manipulators with friction where avoiding saturation of the actuators is a major issue. The original contribution is a novel direct fuzzy control system dealing with both practical constraints in mechanical manipulators: saturation and friction. The control system is made by taking advantage of input-output properties of the so-called sectorial fuzzy controllers. When friction is considered, we prove, via Lyapunov theory, that the steady state position errors owing to static friction are inside of a global attractor, which can be arbitrarily reduced. In case of absence of friction, the closed-loop system becomes globally asymptotic stable. In both cases, the important theoretical and practical feature of maintaining the control actions always within prescribed limits according to the actuator torque capabilities is guaranteed. Experimental evaluation of the proposed direct fuzzy control system on a nonlinear direct-drive robot arm is presented to validate its effectiveness.