试验演示

今天小编要为大家推荐文章来自于《机械工程学报》2019年1期,由北京理工大学王军政教授团队撰写的题为《基于速度矢量的电动并联式轮足机器人全方位步态切换方法》一文。

研究背景

四足机器人作为机器人大家族的重要一员,受到科研人员的广泛关注。为了实现四足机器人稳定的行走,步态规划成为四足机器人研究的重要基础内容。根据行走过程中机器人重心的铅锤投影是否始终保持在支撑多边形内可将四足机器人的步态分为动步态和静步态。间歇匍匐步态是一种分离了躯干移动和腿部移动的静步态,简称间歇步态。FRANK指出,在所有的爬行步态之中,间歇步态能够将行走过程中的稳定裕度最大化。四足机器人以间歇步态行走时,降低了大负载情况下的负载惯性效应和动力学扰动,提高了行走过程中的稳定性,适用于负载较大、足式行走速度要求不高但行走稳定性要求较高的四足机器人。

电动并联式轮足机器人是一个以大负载、轮式运动与足式运动相结合为背景设计的机身结构中心对称的四轮足机器人,为实现全方位足式稳定移动,适宜采用间歇步态。郝仁剑在《基于速度矢量的四足机器人间歇步态规划方法》中针对四足机器人详细阐述了一种基于速度矢量的间歇步态移动控制方法。通过算法流程可以看出,作者将机器人机身的平动与转动统一映射为平面内绕旋转中心的转动,将速度矢量定义为旋转中心位置和旋转角速度。旋转中心位置是该方法进行步态规划的重要参数,其中,旋转中心与机器人质心的相对位置影响了行走的稳定性。以该方法对电动并联式轮足机器人进行稳定性分析,机器人在某些运动状态时,稳定性差,无法实现稳定行走。若要实现在该方法下的全方位稳定行走,需要针对速度矢量的旋转中心位于横线区域时,设计旋转步态;针对速度矢量的旋转中心位于红色区域时,设计步态切换过程。

本文通过Matlab-ADAMS联合仿真平台和物理样机平台验证所设计步态切换算法的可行性。

使用ADAMS动力学仿真软件建立虚拟样机,虚拟样机的几何尺寸和质量分布与机器人物理样机完全相同。按照本文设计的算法编写Matlab程序,通过步态规划实现对各个电动缸的控制,完成各种步态切换仿真过程。

为进一步验证本文所述控制算法的有效性,以电动并联式轮足机器人物理样机进行试验,摆动相和支撑相的时间分别设置为8 s和3s,步长设置为0.24 m,步高设为0.1 m。初始步态为Fx-间歇步态;当t=65 s时进行第一次步态切换,此后以Ry-间歇步态直线行走;当t=168 s时,进行第二次步态切换,此后以Fx-间歇步态直线行走;当t=241 s时,进行第三次步态切换,此后以FO-旋转步态原地转弯;当t=351 s时,进行第四次步态切换,此后以RO-旋转步态原地转弯直到停止。为了更详细的描述不同步态行走和步态切换过程中的机器人机身稳定性,采集机器人运动过程中的横滚角和俯仰角信息用于描述机身晃动量。角度的测量采用MTi-300系列运动测量传感器,采样频率为10 ms,波特率设置为38400 bit/s。

联合仿真结果得到稳定裕度曲线,可以看出,间歇步态、旋转步态和步态切换过程中,稳定裕度始终不小于0,即表明,四足机器人在运动过程中可以保持稳定。

试验结果表明,步态切换运动过程中,机器人机身角度变化范围比较小,横滚角度变化范围为–1.5°~4.0°,俯仰角变化范围在–2.8°~2.5°。试验过程中的4次步态切换过程中,阶段1和阶段2代表Fx-间歇步态切换为Ry-间歇步态和Ry-间歇步态切换为Fx-间歇步态,这两个过程中的角度变化较为剧烈;阶段3代表Fx-间歇步态切换为FO-旋转步态,此过程中角度变化平缓;阶段4代表FO-旋转步态切换为RO-旋转步态,此阶段角度变化最小。4个步态切换阶段之外的其他阶段为基本步态的运动过程,各个过程中,机器人机身俯仰角与横滚角呈周期性变化。

本文对电动并联式轮足机器人全方位足式行走进行了完善,在机器人单腿工作空间约束和行走稳定性约束条件下设计了机器人足式行走的基本步态,分析了不同步态的选择条件,设计了不同方向的同种基本步态之间和不同种基本步态间的步态切换方法。联合仿真和试验的结果均表明了本文所述方法能够保证机器人实现全方位稳定行走。

本文所述步态切换方法,可以完善电动并联式轮足机器人的全方位足式运动。

电动并联式轮足机器人实现了轮式、足式和轮足复合式运动,且在轮式运动过程中可以实现调整轮距、轴距、机身高度实现跨越障碍,也可以实施调整机身姿态实现主动隔振,有望应用于无人作战、抢险救援、物资运输、资源勘探等领域

王军政,博士,教授,博导,享受国务院政府特殊津贴,复杂系统智能控制与决策国家重点实验室副主任;伺服运动系统驱动与控制传动与控制专业委员会委员;中国计算机自动测量工信部重点实验室主任;中国自动化学会理事;中国机械工程学会高级会员;中国自动化学会集成制造专业委员会委员;中国机械工程学会流体与控制技术协会常务理事;中国计量测试学会高级会员;中国航空学会航空电子与人机环境工程分会会员。发表学术论文100余篇,其中SCI检索30余篇、EI检索60余篇;已授权国家发明专利20余项。

团队研究方向

(1)伺服运动驱动与控制

研究电机、电液伺服驱动技术与先进控制理论方法,包括基于IGBT大功率驱动、DSP嵌入式控制、CAN总线通讯等,在复杂负载工况运动系统理论建模、仿真分析、优化控制等方面开展深入研究,实现运动系统的高精度、高频响、高性能控制。

(2)机器人控制

针对创新性提出的基于并联六自由度机构的电动轮足式机器人(北理哪吒)和液压驱动的四足机器人开展研究,包括机器人运动学和动力学建模分析、柔顺性控制、步态规划、稳定行走、自主控制、环境实时感知和障碍物探测等内容。

(3)负载模拟与静动态试验

针对航天、航空、地面武器或复杂工业装备在研制过程中的负载和运动规律,研究模拟加载、运动特性和试验方法,实现对被测系统复杂负载工况、全生命周期、静动态性能测试和故障分析。

近两年团队发表文章

1.Chen Guangrong(博士生), Wang Junzheng, Wang Shoukun. Indirect adaptive robust dynamic surface control in separate meter-in and separate meter-out control system[J].NONLINEAR DYNAMICS. 2017, 90(2): 951-970.(SCI检索,IF:3.464)

2.HaoRenjian(博士生), Wang Junzheng,Zhao Jiangbo. Observer-Based Robust Control of 6-DOF Parallel Electrical Manipulator with Fast Friction Estimation[J]. IEEE Transactions on Automation Science and Engineering,2016, 13(3): 1399-1408.(SCI检索,IF:3.502)

3.HeYudong(博士生),Wang Junzheng,Shen Wei. Indirect adaptive robust dynamic surface control of electro-hydraulic fatigue testing system with huge elastic load[J]. Journal of Systems and Control Engineering,2016, 230(2): 115-29. (SCI检索,IF:1.42)

4.Guangtao Cui(硕士生),JunzhengWang,Jing Li. Robust multilane detection and tracking in urban scenarios based on LIDAR and mono-vision[J]. IET image processing. 2014, 8(5): 269-279. (SCI检索,IF:1.044)

5.Chen Guangrong(博士生), Wang Junzheng. Energy Saving Control in Separate Meter In and Separate Meter Out Control System[J], Control Engineering Practice, 2017.(已录用,SCI刊源,IF:2.602)

6.陈光荣(博士生),王军政,汪首坤,赵江波,沈伟,李静. 自适应鲁棒控制器设计新方法在电液伺服系统中的应用[J].自动化学报, 2016, 42(3),375-384.

7.郝仁剑(博士生),王军政,史大威,汪首坤.基于速度矢量的四足机器人间歇步态规划方法[J]. 机器人. 2016, 38(5): 540-549.

8.王立鹏(博士生),王军政,汪首坤,何玉东. 基于足端轨迹规划算法的液压四足机器人步态控制策略[J]. 机械工程学报,2013, 49(1): 39-44.

9.郝仁剑(博士生),王军政,李静,赵江波.基于功率及转矩约束的大惯量伺服系统速度规划[J],机械工程学报.2014, 5(3): 206-212.

10.王军政, 赵江波, 汪首坤. 电液伺服技术的发展与展望[J]. 液压与气动. 2014, 5: 1-12.(2016年获《液压与气动》第一届优秀论文一等奖)

该文已刊登在《机械工程学报》2019年第1期,您可点击文后“阅读原文”或识别下方二维码下载浏览全文。

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