基于大数据聚类的机器人步态控制系统设计

为提高机器人关节的运动灵活性,使其具有更快、更稳的步行能力,设计基于大数据聚类的机器人步态控制系统。结合外接主电源与传感器设备,为主处理器元件、舵机控制板提供足量的传输电信号,完成机器人步态控制系统硬件设计。定义关键的关节节点,通过建立适应度函数的方式,实现基于大数据聚类的步态节点安排。分别从支撑腿运动规划、摆动腿运动规划两方面着手,收集大量的步态运动信息,再联合已知函数条件,对机器人关节角度进行求解,完成机器人行进步态的规划与处理,实现基于大数据聚类机器人步态控制系统的应用。实验将所得关节弯曲次数、角度值与理想数值对比可知,本文系统位姿标定情况下关节弯曲次数值大、角度值小,机器人关节的运动灵活性水平高,具有相对稳定的步行运动能力。     

人体步行规律与仿人机器人步态规划

从仿生学角度分析了人体的步行运动规律,提出了一种基于人体运动规律的仿人机器人步态参数设定方法.首先对人体步行运动数据进行捕捉并分析,得出人体各步态参数间的函数关系,以人体步行相似性作为评价指标,提出仿人机器人步态参数的设定方法.其次,通过分析人体在步行过程中的补偿支撑脚偏航力矩的基本原理,提出了基于双臂及腰关节协调运动的仿人机器人偏航力矩补偿算法,以提高仿人机器人行走的稳定性.最后通过仿真及实验验证了所提出的步态规划方法的正确性及有效性.     

双足机器人动态步行实时步态生成

针对双足机器人动态步行生成关节运动轨迹复杂问题,提出了一种简单直观的实时步态生成方案。建立了平面五杆双足机器人动力学模型,通过模仿人类步行主要运动特征并根据双足机器人动态步行双腿姿态变化的要求,将动态步行复杂任务分解为顺序执行的四个过程,在关节空间相对坐标系下设计了躯干运动模式、摆动腿和支撑腿动作及步行速度调整模式,结合当前步行控制结果反馈实时产生稳定的关节运动轨迹。仿真实验验证了该方法的有效性,简单易实现。     

小型双足步行机器人的机构设计及其运动仿真

小型双足步行机器人具有多关节、多驱动器、多自由度的特点,本文以人体全身17个主要关节及其运动特性为研究对象,利用三维设计软件CATIA设计出小型双足步行机器人的全身机构,根据ZMP理论,以正常人行走的“X”形交叉动作为原则,规划出其各关节转角,在ADAMS下对其虚拟样机进行运动仿真,确保实现机器人的稳定步行和做舞蹈动作。     

考虑跖趾关节运动的踏板式步行康复机器人运动规划

基于人正常步行时足部的运动特征,提出了一种利用机械约束即能实现步行时踝关节和跖趾关节运动姿态模拟的踏板式步行康复机器人,帮助老年人及偏瘫患者进行步行康复训练.通过分析步行时跖趾关节的背屈过程,对前踏板的运动姿态进行规划,并以此确定了约束导轨的轨迹.按照人正常平地步行过程对步行训练时双侧踏板的运动时序进行了规划,并根据步行时的时相分布关系规划了双侧曲柄的转速.利用MATLAB软件建立步行康复机器人的运动学仿真模型,验证了运动规划的可行性,说明该步行康复机器人可以模拟正常人步行时的步态及踝关节和跖趾关节的运动姿态,能够满足步行康复训练的要求.     

一种类人机器人步行鲁棒控制器

提出了一种应用于类人步行机器人研究平台的鲁棒控制算法,当机器人在步行过程中受到一定程度的 外界冲力等干扰时,它可以使机器人自主达到动态平衡,而且该算法具有一定的实时性．通过一个九连杆的仿人平 面机械系统,分析了机器人步行的动态过程;应用科氏力向量等建立起机器人步行的动力学模型,通过非线性补偿, 得出其渐近稳定控制的约束性条件;进而构造出理想的李亚普诺夫函数,并应用遗传算法进行参数优化,设计出具 备一定实时性能的鲁棒控制算法;仿真计算出机器人各个关节的角位移误差,其零力矩点（ZMP）始终在支撑脚的 范围内,重心轨迹在地面的投影基本位于正弦曲线上．将该算法应用于实际的类人步行机器人行走控制中,实验证 明,在受到一定程度的外扰影响时,该机器人可在短执行周期内自主达到动态平衡．     

三维线性倒立摆模型在双足机器人系统中的应用

机器人稳定的步行行走模式在双足机器人的控制中占有很重要的地位,提出了一种基于三维线性倒立摆的机器人行走模型。通过机器人的三维倒立摆模型得到机器人质心的位置和速度,再结合机器人的逆运动学,求得机器人各关节的关节角度,驱动机器人关节运动。从而得到机器人完整的运动轨迹。     

基于遗传算法的凿岩机器人孔序规划

本文运用遗传算法规划凿岩机器人钻孔任务序列，通过判断机器人的多关节钻臂 上每一关节其运动方向在彼此相邻的三个钻孔位置上的变化趋势，用数值0表示某一关节运 动方向变化趋势在相邻三个钻孔上不一致，数值1表示此关节运动方向变化趋势在相邻三个 钻孔上一致．并根据具体的工作情况对描述值进行修正．在此基础上设计了一个基于关节水 平上来规划凿岩机器人随机钻孔孔序的适应度函数，从而使整个钻孔孔序规划算法算法简单 ，收敛速度快，能寻求到较优的钻孔孔序，其结果能满足实际工作的需要．此方法对于其他 类型的关节型机器人的任务和轨迹规划也具有一定的借鉴意义．     

基于多关节机器人的能量最小消耗控制策略*

为了能够在有限的能量供给的情况下延长机器人运行时间,针对此类机器人在运动中的耗能问题,提出一种通过改进梯形升降速算法来实现多关节机器人能量最小消耗的控制方法。首先对多关节机器人的协调控制及能耗问题进行了研究,利用梯形升降速算法的速度函数与伺服电机耗能之间的关系推导出该算法的能量函数;然后通过求解能量函数最小值,得出梯形速度曲线基于能量最优的时间参数,利用该时间参数来设定伺服电机各运动阶段的时间,使机器人耗能最小。最后通过实验计算及分析,验证了所述控制策略在解决机器人耗能最小化问题上的有效性。     

基于三维线性倒立摆的双足机器人步态规划

双足机器人的步态控制策略是保证双足稳定行走的重要条件之一.提出一种基于三维线性倒立摆模型的双足机器人步态规划的算法.首先简化了三维倒立摆模型,并且假设了步行周期起始状态的ZMP位置,然后通过运动方程推导出含参数的质心与时间的函数,再将机器人的步态规划简化到每个步行周期,通过每个周期的初始条件获得函数的相关参数,最后将此方法推广到带转向的步态规划中,并应用于实际Robocup3D比赛中.实验结果表明该方法具有可行性和有效性.     

三维人体行走模型的研究与实现

本文采用多面体组合建立人体模型，用三角函数拟合步行时的关节活动轨迹，设计ｂｅｎｄ函数来实现关节体和部位体的转动控制，采用逐节调整转动角度的方法实现人体旋转坐标变换，整体进行人体的坐标平移变换，生成了步行过程中的一幅幅三维人体活动模型图形，使之在连续播映时产生逼真的人体行走画效果。     

双足机器人动态步态规划

针对目前仿人机器人动态步行在样机上实现较少的情况,将多项式插值方法运用于机器人踝关节轨迹规划,结合已知髋关节运动轨迹,利用几何约束的方法求取膝关节运动轨迹,得到完整步态周期内各关节运动规律,最终实现NAO机器人的动态步行。实验结果证实了基于多项式插值的几何约束规划方法是可行且有效的。     

工业机器人时间最优轨迹规划及轨迹控制的理论与实验研究

提出了一种用于工业机器人时间最优轨迹规划及轨迹控制的新方法, 它可以确保在关节位移、速度、加速度以及二阶加速度边界值的约束下, 机器人手部沿笛卡尔空间中规定路径运动的时间最短. 在这种方法中, 所规划的关节轨迹都采用二次多项式加余弦函数的形式, 不仅可以保证各关节运动的位移、速度、加速度连续而且还可以保证各关节运动的二阶加速度连续. 采用这种方法, 既可以提高机器人的工作效率又可以延长机器人的工作寿命. 以PUMA 5 6 0机器人为对象进行了计算机仿真和机器人实验, 结果表明这种方法是正确和有效的. 它为工业机器人在非线性运动学约束条件下的时间最优轨迹规划及控制问题提供了一种较好的解决方案.     

教学型双足步行机器人的结构及其控制电路设计

教学型双足机器人的研究制作是桌上型的重量很轻的作实验用的小型双足步行机器人。研究舵机的驱动控制方法、框架的设计以及制作能通过伺服电机控制运动的一种经济型的双足步行机器人。用单片机与CPLD控制伺服电机,通过预先给定机器人各个部位的运动轨迹,运算确定好各关节的旋转角度及控制系统的控制算法,以实现机器人的实际行走过程。     

基于插中的人体步行运动控制研究*

以人体步行运动为研究对象,通过构造人体几何和运动模型,引入辅助关节角将插中原理与已有运动控制的方法结合起来,提出一种新的方法自动灵活地控制每个周期下的人体步行的姿态.最后通过仿真证实了该方法的可行性.     

基于BMI模型的三关节假肢运动的优化控制

生物神经系统一直以来被作为机器人控制器的研究灵感之一,人们试图借用以生物为启发的控制模型来控制外部设备,使得其能达到类似生物般的运动效果.鉴于此,以一种模拟大脑皮层神经元放电活动为基础的闭环脑-机接口(BMI)模型为控制器,控制简化后的三关节人工假肢完成目标位置的抓取动作,并在给定目标距离下,建立三关节假肢的简化模型,由此提出时间与动能的损失函数以描述假肢运动过程产生的损耗.最后利用一种贝叶斯迭代算法求取假肢的最佳运动方式,使其在完成目标抓取动作时损失函数值最小,进而完成对假肢运动控制的优化并取得较好的控制效果.     

基于PSO-SA的机器人关节空间轨迹规划

针对工业机器人点到点轨迹规划问题,提出一种基于PSO-SA的时间最优机器人关节空间轨迹规划方法。使用模拟退火算法(SA)对粒子群算法(PSO)进行优化,将模拟退火机制引入到粒子群算法以提高算法的全局搜索能力。使用惯性权重非线性递减策略以及动态学习因子来平衡算法的全局与局部搜索能力。以PUMA＿560机器人作为研究对象,通过5-7-5多项式插补函数得到各关节的轨迹曲线。通过PSO-SA优化关节运动时间,并加入关节的速度和加速度约束。对前三个关节进行实验仿真,结果表明PSO-SA比传统的PSO能得到更短的轨迹时间,算法也有更好的稳定性,提高了机器人的运动效率。     

基于隐空间的运动捕获数据自动分割*

提出一种运动捕获数据自动分割方法。利用高斯过程隐变量模型对运动捕获数据进行降维,将其从高维观察空间映射到低维隐空间;在隐空间中构造运动特征函数,该函数具有结构简单、对所有关节敏感等优点,通过分析运动特征函数几何特征的变化,探测运动捕获数据的分割点,实现运动自动分割。实验结果表明,该方法具有较高的准确度和较好的普适性。     

基于加速度计的手指运动姿态检测

针对动态测量手指关节角度的需要,设计了一种基于MEMS加速度计的手指运动姿态检测方法。在该方法中,通过固定于手指上的三轴加速度计ADXL330的各个敏感轴感受到的重力加速度分量的大小来检测手指的关节角度。为了验证该方法的可行性,设计了一步进电机控制的能在竖直平面内转动的装置,通过同步检测传感器的输出和电机转动的角度,评估传感器在动态条件下的测量精度,结果表明:在动态条件下,其绝对误差为1°～2.5°,相对误差为3%～6%。在此基础上,将传感器用于测量手指关节的运动姿态,采集手指敲击键盘时传感器的输出,通过数据处理获得食指MCP关节、PIP关节和DIP关节随时间的变化关系。实验结果表明:加速度计可以有效地检测手指的运动姿态。     

五杆四驱动平面双足机器人动态步态规划与非线性控制

以五杆四驱动的平面双足步行机器人为对象，研究了其动态步行的时不变步态规划和限定时间的非线性控制策略．揭示了其模型的欠驱动和完全驱动的混杂和非光滑动力学特性，推导了其碰撞模型．基于虚拟约束的概念，提出时不变步态的输出函数解析设计方法，设计了反馈线性化控制器，将系统转化为双积分环节．然后采用限定时间控制器在一步内零化输出函数．仿真实验表明，动态步行趋于一个稳定的极限环，实现了规划的行走模式，验证了该方法的有效性．