检索结果-内蒙古大学图书馆

清华大学学报（自然科学版） 2008年第1期48卷 92-96页

作者：毛勇李实王家廞贾培发杨泽红丘振清华大学计算机科学与技术系智能技术与系统国家重点实验室北京100084

为了研究仿人、能量高效的双足机器人步行,研制了由MACCEPA(mechanically adjustable compliance and controllable equilibrium position actuator)柔性驱动器驱动的半被动双足机器人,并实现了其动力学仿真系统。提出一种基于再励学习... 详细信息

为了研究仿人、能量高效的双足机器人步行,研制了由MACCEPA(mechanically adjustable compliance and controllable equilibrium position actuator)柔性驱动器驱动的半被动双足机器人,并实现了其动力学仿真系统。提出一种基于再励学习的步行控制方法。该方法首先采用Q-学习方法学习机器人在理想环境中的稳定步行步态及其控制策略,然后将此步态和控制策略作为模糊优胜学习方法的参考步态和参考控制策略并在线学习模糊网络的优胜值参数。仿真结果表明:利用学习训练的结果控制柔性驱动器在步行相转换时的动作,机器人可以实现稳定动态步行。

关键词：机器人双足机器人被动动态步行再励学习

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基于滚动优化的双足机器人动态步态规划研究

基于滚动优化的双足机器人动态步态规划研究

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作者：朱志斌哈尔滨工业大学

学位级别：博士

双足行走机器人能够在人类的生活和工作环境中与人类协同工作,而不需要专门为其对环境进行大规模改造,所以双足行走机器人具有广阔的应用前景。随着月球探测、火星探测等太空探索活动的不断发展,步行机器人以其灵活性的优点可以在登陆... 详细信息

双足行走机器人能够在人类的生活和工作环境中与人类协同工作,而不需要专门为其对环境进行大规模改造,所以双足行走机器人具有广阔的应用前景。随着月球探测、火星探测等太空探索活动的不断发展,步行机器人以其灵活性的优点可以在登陆部分扮演重要角色,此外,做为动力型假肢,可以为下肢行动不便人群在室内、室外提供行走工具双足机器人作为研究热点已经存在了几十年,各方面的理论研究都通过大量仿真和实际系统进行了验证,从最简单的平面机械模型到最先进的HONDA和SONY仿生机器人,研究人员做了大量的工作。研究课题包括对步行机器人的设计、建模、动力学分析和步态综合,但距离实际应用阶段还有很大差距。传统双足机器人控制多采用离线规划、在线跟踪的控制策略。然而实际步行路面状况复杂,为了使双足机器人能够在多种条件下稳定步行,需要对实时步态规划进行研究,另外计算机技术的高速发展也使得在线步态规划成为可能。本文主要研究二维平面内步行双足机器人的实时步态规划问题。首先,建立了平面七连杆双足机器人的运动学和动力学数学模型。运动学方面用二叉树的数据结构描述机器人各杆件属性和相互间连接关系,建立了基于MATLAB的运动学仿真工具箱。动力学方面建立了统一的单腿支撑相(SSP)和双腿支撑相(DSP)连续非线性动力学模型和摆脚落地引起的离散动力学模型,脚跟触地和脚尖触地仅在拉各朗日项对应的碰撞约束条件有所不同。建立了包括3个连续运动相和3个离散运动相的混杂系统模型,并在此基础上通过部分反馈线性化得到了降维后维数统一的混杂零动力学模型。其次,针对双足机器人实时步态规划问题,基于滚动优化的思想提出了一种改进的非线性预测控制(NMPC)实时步态规划方法。通过对SSP和DSP三个阶段分别设定运动学和动力学虚拟约束,将复杂实时步态规划问题转化为四个以预测时域内广义驱动力二次型为代价函数的的NMPC问题。仿真结果表明应用该方法对BIP机器人模型进行实时步态规划,实现了包含足部转动的动态步行,且机器人满足稳定性条件,不发生滑动,从而证明了该方法的有效性和可实现性。第三,保证双足机器人步行的稳定性是所有控制任务的重中之重,本文针对用滚动优化实时步态规划方法得到的拟人步行双足机器人步态轨迹,分析了模型失配和地面环境变化条件下稳态多步步行的鲁棒周期稳定性问题,证明了多步与单步周期稳定性的一致性。通过对时间轴的离线积分,仿真分析了模型误差和速度跃变误差对极限环存在性和收敛速度的影响。第四,基于滚动优化的双足机器人实时步态规划可以归纳为含分段状态约束的非线性预测控制问题。考虑到实际机器人控制时有些约束条件必须严格满足,同时为了提高计算效率,本文在状态约束隐式法的基础上提出了一种改进的快速数值算法(约束变换法)。考虑到状态约束有效作用域在预测时域内的分段特点,通过状态约束的取模和平滑处理,将分段状态约束转化为与目标函数相同的正则形式,转化后的状态约束连续可微,从而可以由相同Hamiltonian方法计算目标函数和状态约束函数对控制参数的一阶导数。最后,单纯基于滚动优化的双足机器人实时步态规划方法需要在每一采样时刻在线求解含状态约束的动态优化问题,求解过程复杂,计算量大。此外,基于滚动优化的实时步态规划方法预测时域长度固定,没有覆盖整个步态周期,需要设置大量虚拟运动学约束和动力学约束来保证双足机器人步态轨迹的拟人性和稳定性。因此本文提出了将滚动优化与虚拟被动步行相结合的实时控制策略,分析了虚拟重力条件下七连杆机器人机械能的变化特点,设计并确定了满足该变化特点的各关节输入转矩。通过优化调整各连杆虚拟倾角、期望速度和步态周期终点系统状态参数,使得摆脚落地后下一周期起始时刻机器人状态与期望值偏差最小。与单纯采用滚动优化的实时步态规划方法相比,该方法优化参数少,预测时域长度可变,保证了下一周期起始时刻机器人步态的合理性和最优性。仿真分析表明,该方法实现了包含足部转动的动态步行,地面环境不变条件下多周期运动起始点满足周期稳定性条件。

关键词：双足机器人实时步态规划非线性预测控制滚动时域被动动态步行

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基于非线性时间序列分析的被动动态行走混沌现象研究

基于非线性时间序列分析的被动动态行走混沌现象研究

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作者： Sajid Iqbal 哈尔滨工业大学

学位级别：博士

双足机器人的研究一直是机器人研究领域的热点,因其外形与人类相似,对其研究可以增进对人类步行过程的认识。同时,残疾人对假肢需求量的不断提升,进一步推动了人类步行机理及双足步行机器人的研究。近年来,随着机器人步行过程中所存在... 详细信息

双足机器人的研究一直是机器人研究领域的热点,因其外形与人类相似,对其研究可以增进对人类步行过程的认识。同时,残疾人对假肢需求量的不断提升,进一步推动了人类步行机理及双足步行机器人的研究。近年来,随着机器人步行过程中所存在的混沌现象的发现,各国学者开始对非线性动力学理论,尤其在混沌理论方面进行大量的研究。确定性混沌理论一般用来描述不稳定系统中的随机现象。尽管学者们发现了机器人在步行过程中存在混沌现象的证据,但是很少有人尝试将混沌理论应用在机器人样机上并定量的分析混沌对机器人步行的影响。因此,本文基于非线性时间序列分析方法研究人类及被动动态步行机器人的步行,揭示混沌理论与机器人学领域的内在联系及相关性。本文的主要研究内容是通过非线性时间序列法分析人类的步态及被动动态步行规律,旨在增进对帕金森病患者步态及残疾人步态的认识。由于动态步行的能耗比静态步行的能耗低的多,更接近人类的步行过程,因此主要研究基于动态步行的双足被动动态步行。本文对近年来在混沌理论领域的研究成果做了详细的总结,并深入探讨了在被动动态步行机器人上出现的混沌现象。将步行时间序列数据通过非线性系统动力学方法进行研究及处理,可以深刻揭示出双足动态步行过程的复杂机理。人类及被动双足步行机器人步行过程会出现混沌现象,这种混沌现象可以通过关联维数及李雅普诺夫指数进行描述。发现在不同的关联维数及李雅普诺夫指数值下,机器人的步行稳定性也不同,并最终通过圆规步态机器人样机实验验证了这种现象。首先,介绍了被动动态步行、混沌理论、非线性时间序列分析及机器人中混沌现象的相关研究背景及成果。同时指出确定性混沌现象是机器人研究领域中普遍存在的一种现象。混沌理论的出现加深了人们对物理世界的认识,且非线性时间序列分析法是揭示双足机器人步行复杂内在规律的有效方法。其次,分析了被动动态步行机器人步行过程中出现的混沌现象。通过对不同被动机器人中混沌现象进行分析可以加深对发现混沌现象的方法及混沌控制策略的理解。同时指出,尽管目前通过研究混沌及分叉现象加深了对被动动态步行机器人的理解,但仍有很多问题有待于解决。再次,建立了用于被动动态步行混沌分析的非线性时间序列分析方法的基本框架,该方法可以揭示混沌理论与现实世界的联系,也是本文分析人类及被动动态步行机器人步行过程中非线性度的基础。非线性时间序列法在缺少数学模型的情况下或者多变量系统中都有广泛应用。通过重建状态空间可以研究非线性时间序列的非线性度,这种重建是基于“系统的过去及未来的信息可以用来描述系统的当前状态”这一概念进行的。确定性混沌动态系统的最大特点是系统中所有的变量都是具有普遍联系的,因此通过研究单一变量就可以揭示这种系统的规律。通过诸如李雅普诺夫指数及分形维数等混沌不变量的计算,可以实现对步行系统的建模、预测及描述。然后,通过非线性时间序列法研究并分析了不同正常人及帕金森病人的步行步态。对于不同的步行过程,低的步态数据嵌入维意味着低维度的混沌现象。鉴于对应的李雅普诺夫指数值及分形维度值都为正数,所有的正常人及帕金森病人的步态都呈现出了混沌的动态过程。帕金森病人的步行动态过程虽然存在混沌现象,但相对于年轻人及健康的人来说相关性更低且更敏感。非线性时间序列法的定量分析可用来协助对诸如帕金森的运动疾病的诊断及治疗,而对健康人步态的各种影响因素的研究则可以为伤者的康复训练提供理论参考。最后,通过非线性时间序列法研究并分析了被动动态步行机器人的复杂动态步行过程。首先对圆规步态机器人进行了动力学建模,并通过MATLAB数值仿真获得了步行的不动点及步态时间序列。然后,通过计算步行时间序列的混沌不变量(李雅普诺夫指数及关联维数)分析了圆规步态机器人的步行过程。通过对比数值仿真与非线性时间序列法计算结果发现,随着关联维度值的减小,被动机器人步行稳定性逐渐增加。因此,可以通过计算不同参数下相关指数值来对机器人进行参数优化。最后,建立了圆规步态机器人样机,并在不同的质心位置及斜面坡度参数下进行了实验。通过记录步行成功的次数及成功的步行中步行的步数来分析步行的稳定性。通过实验发现随着机器人腿部质心位置的升高,机器人的关联维度值变小,步行稳定性变高,这验证了雅普诺夫指数值及关联维度值可以预测被动机器人步行稳定性的结论。

关键词：混沌理论非线性动力学分岔非线性时间序列分析被动动态步行

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基于仿生学与被动行走原理的双足步行理论研究与稳定性分析

基于仿生学与被动行走原理的双足步行理论研究与稳定性分析

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作者：殷金龙吉林大学

学位级别：硕士

双足步行机器人具备与人类相似的外形、能够代替人类做很多的工作，因而受到了很多学者的关注。经过半个多世纪的发展，主动双足步行机器人的研究取得了辉煌成就，但是能耗高、效率低、步态不自然等特点限制了它的推广使用。McGeer提出... 详细信息

双足步行机器人具备与人类相似的外形、能够代替人类做很多的工作，因而受到了很多学者的关注。经过半个多世纪的发展，主动双足步行机器人的研究取得了辉煌成就，但是能耗高、效率低、步态不自然等特点限制了它的推广使用。McGeer提出的被动动态步行原理为仿人机器人的发展打开了另一条思路，但是全被动的双足步行机器人行走环境单一且稳定性差，无法应用到实践。在此基础上，半被动双足步行机器人理论应运而生，其具备高效、高速、稳定的步态。本文对半被动双足步行机器人的机理和稳定性进行了研究。主要包括以下几个方面：通常理论研究中对机器人上身都采取了简化处理，以髋关节上一个质点代替，忽略了上身的作用，不利于机器人功能的拓展。本文以圆规机器人点质量模型为蓝本，利用角平分线机制添加了与腿部连杆联动的上身连杆，推导了模型的动力学方程并让其在无驱动加入的情况下依靠自身重力和惯性沿着5°斜坡向下行走。在仿真分析中将上身连杆质量和长度设为0，与相同参数的圆规机器人模型的极限环作比较，得到采用联动机构对系统所产生的影响。改变上身连杆的质量和长度参数，分别画出各角度随时间变化曲线和两脚间距离随时间变化曲线，得出上身连杆参数变化对机器人步行周期、步距和平均步行速度的影响，最终结论与人类本身特性相符合，可以用来指导以后上身连杆参数的选择。之后，放开联动机构对三连杆圆规机器人系统的限制，使上身连杆与双腿都能够相互独立运动，推导了新的动力学方程，并且针对上身连杆设置了不动和摆动两种运动模式，分别添加控制律。探讨了上身连杆倾斜角度可选择范围与控制增益K之间的关系，当K取1时，上身连杆倾斜角度最大值能取到0.012rad，随着K值增大，上身连杆倾斜角度可选择范围增大。分别给出了两种运动模式下控制增益K、上身连杆倾角与机器人步行周期、双腿间夹角、平均步行速度之间的关系曲线，并进行了比较，使我们能够根据自身需求来选择运动模式和控制增益。稳定性分析是步行机器人研究中的重点和难点，目前广泛应用的稳定判据都有着各自的局限性。ZMP稳定判据只适用于带平面脚的主动双足步行机器人，庞加莱回归映射不动点的计算过于复杂且只适用于小扰动下稳定性分析。本文将双足步行机器人的行走过程拆分为一系列倒立摆的摆动过程，通过对质心角动量的分析构建了稳定程度衡量函数，并分析了其与质心角动量、质心位置等的关系，最后构造了三连杆圆规机器人模型的稳定程度衡量函数，建立起其与机器人状态变量之间的关系，为以后的相关研究打下基础。

关键词：双足步行机器人被动动态步行上身连杆倾角范围稳定程度衡量函数

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基于仿生学和被动行走原理的动态步行理论与系统研究

基于仿生学和被动行走原理的动态步行理论与系统研究

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作者：陈鸿帅吉林大学

学位级别：硕士

以低能耗运行的行走机构有着巨大的社会意义与应用价值。由McGeer提出的基于被动原理的动态步行是一种不同于传统主动双足步行的研究思路,其更强调对人类步行本质特征的研究。基于被动行走原理的动态步行是实现低能耗自然行走的一个可... 详细信息

以低能耗运行的行走机构有着巨大的社会意义与应用价值。由McGeer提出的基于被动原理的动态步行是一种不同于传统主动双足步行的研究思路,其更强调对人类步行本质特征的研究。基于被动行走原理的动态步行是实现低能耗自然行走的一个可行的解决方案。多国研究者们对基于被动行走原理的动态步行的研究已经初具系统性,但是,仍然有许多问题是这个方向的研究者所共同面对的。①在维持低能耗的前提下,进一步提高行走的稳定性以及应对崎岖路面的抗扰性;②人类行走内在机理的进一步探究,并利用仿生学原理设计出更易实现控制方法及机器人样机;③使机器人像人类一样拥有多种行走模态。本文旨在深入系统分析人类行走系统机理和功能实现的基础上,利用被动行走原理和仿生学方法研究易于应用在实时仿真平台或双足步行机器人系统上的高效稳定行走的动态步行理论。建立抽象点质量模型在对基于被动步行原理的动态步行理论的研究中具有基础意义,圆规机器人点足模型对推动基于被动步行原理的步行机的前期发展起到了重要作用。但是圆规机器人点足模型并不能正确的反应人类踝关节的作用,某些研究中对腿部连杆与地面间加入的较大的力矩也是不合理的。于是带可控脚部连杆的圆规机器人抽象模型被提出并建立,它由圆规机器人和两个可以转动的脚部连杆构成。通过改变机器人的脚长并搜索可以使机器人稳定行走的踝关节驱动能量范围,得到了最佳能量的足长与腿长比约为0.18。这个比值与实测的人类的比值相匹配,它可以用来指导后续理论研究中及实体样机设计中的脚部连杆长度选择。迄今为止,大多数基于被动步行原理的步行机控制方法都较为高效,但输出的力矩却变化复杂,不易于在实体机上实现。基于对人类推秋千动作的观察与分析,简单力矩函数被提出,这个函数应满足条件:函数值在定义域上不变号,恒正或恒负(包括零);在一个动作周期内,最多只有一段连续的非零函数值。构造这样的驱动函数格式,力矩输入只做正功,没有能量被浪费;对执行器频率要求低,实现简单。将上述驱动函数格式以简单前馈的方式应用于带脚的圆规机器人模型与PADW2型实体样机,可以使步行机在一定范围内的不变的路况下高效稳定行走,但抗扰能力很弱。通过分析两个生活中常见的例子:提空水桶和闭眼走路,得出①人类在动作前就规划好了整个动作的控制力矩函数;②人类的高效行走是需要提前感知路面环境的。由此,基于简单力矩函数的神经网络预测控制方法被提出。此控制方法可以显著提高机器人对路面环境变化的抗扰能力,使带脚的圆规机器人模型可以在恒定路况、变化路况、以及随机颠簸路面上自然而高效的稳定行走。另外,此控制方法算法实现简单,训练难度低,且具有简单的力矩函数,易于实体机器人上控制器的设计与执行器的实现。在人类的行走过程中,上身重心的前后移动对保持前向平衡与改变行走速度起到了关键的作用。研究带有活动可控上身的抽象模型有助于了解人类行走的本质,也是日后开发新型机器人所不可缺少的基础理论。带活动上身的抽象行走模型由圆规机器人模型以及一个铰接在髋关节的连杆构成。由于活动上身的加入,步行机没有稳定的纯被动步态。仿轮行走策略可以使带活动上身连杆的抽象模型稳定行走,它根据人类行走用双腿模仿轮子的实际而提出:在有限速度下,只要保证支撑腿摆过一定角度后,摆动腿能有效着地,且摆动腿与支撑腿长度相同,则二维双足步行机可以稳定行走。应用仿轮行走策略,给定不同的目标摆动角,可以产生不同的步距,但同时需要目标速度给定有对应的变化。结合简单力矩函数,仿轮行走策略控制力矩简单且能耗较低。仿轮行走策略结合简单力矩函数及非线性预测控制可以使带活动上身连杆的抽象模型在一些典型工况下稳定而高效的行走,但其没有考虑上身连杆给步行机动态带来的影响。为研究纯粹的上身对行走的影响,带活动上身的无边轮模型被考虑。模型只有一个作用于上身连杆和无边轮之间的力矩控制输入。形式为弹簧阻尼结合计算补偿力矩将上身连杆限制在平衡位置附近。改变上身的平衡位置可以影响带活动上身的无边轮模型的行进速度。在平衡位置α0≤12°时,模型最终会停下来。在13°≤α0≤15°,速度收敛于一个非0值。α0≥16°时,速度不收敛,即不稳定。但可用于实际行走时的短时间加速。优化活动上身的平衡位置还可以降低带活动上身连杆的抽象模型中的支撑踝力矩。结合机械结构限制角度,通过类似条件反射式的力矩控制,使带活动上身连杆的虚拟样机模型达到仿轮行走策略而可以在平地稳定、高效行走。改变上身连杆平衡位置可以改变虚拟样机的行进速度,较高的速度需要较大的能耗支撑。典型的平均速度可以达到0.62m/s左右,移动能耗率在0.12左右。

关键词：步行机器人被动动态步行仿生学简单力矩函数上身平衡位置仿轮行走能耗

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半被动双足机器人的机械参数优化设计

半被动双足机器人的机械参数优化设计

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2007年中国智能自动化会议

作者：毛勇王家廞贾培发柳宁杨泽红宋亦旭清华大学计算机科学与技术系智能与系统国家重点实验室清华大学计算机科学与技术系智能与系统国家重点实验室清华大学计算机科学与技术系智能与系统国家重点实验室清华大学航天航空学院清华大学计算机科学与技术系智能与系统国家重点实验室清华大学计算机科学与技术系智能与系统国家重点实验室

为了设计具有高稳定性的半被动双足机器人,采用一种2杆纯被动双足步行简化模型对机器人的机械参数进行了优化;采用非线性动力学方法作为稳定性分析手段求解和验证了模型的全局稳定性和局部稳定性。在此基础上,设计了一种数值算法在机械... 详细信息

为了设计具有高稳定性的半被动双足机器人,采用一种2杆纯被动双足步行简化模型对机器人的机械参数进行了优化;采用非线性动力学方法作为稳定性分析手段求解和验证了模型的全局稳定性和局部稳定性。在此基础上,设计了一种数值算法在机械参数空间中求解模型的最优机械参数。由于采用算法对作为求解目标的机械参数进行了无量纲化处理,因而所得结论具有普遍意义。利用数值仿真结果,设计和构建了半被动双足步行机器人原型。

关键词：非线性动力学稳定性分析半被动双足机器人被动动态步行

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