双足机器人上楼梯步态的规划与控制

研究双足机器人上楼路径优化技术,为了让双足机器人实现稳定的上楼梯的行走,应规划双足机器人的上楼梯的步态.为解决对步态进行合理规划与稳定控制问题,提出用几何约束法,用摆线拟合踝关节运动轨迹,设计模糊控制器,对踝关节的滚转角度进行调整,使ZMP位置靠近支撑区域中心,保证了机器人的稳定行走;最后在ADAMS软件中建立了双足机器人的虚拟样机,并通过与Matlab的联合仿真,实现了双足机器人上楼梯的稳定行走仿真.仿真结果验证了上楼梯步态与模糊控制器的有效性,为系统设计提供了保证.     

基于ADAMS的双足机器人拟人行走动态仿真

在双足机器人HEUBR_1的设计中,下肢采用了一种新的串并混联的仿人结构,并在足部增加了足趾关节.为验证该仿人结构设计的合理性及拟人步态规划的可行性,在ADAMS虚拟环境中建立了双足机器人HEUSR_1的仿真模型.通过拟人步态规划生成了运动仿真数据,在ADAMS虚拟环境中实现了具有足趾运动的拟人稳定行走,经仿真分析,获得了双足机器人HEUBR_1拟人行走步态下的运动学和动力学特性,仿真结果表明:双足机器人HEUBR_1的串并混联的仿人结构设计能够满足行走要求,且拟人步态规划方法可行,有足趾运动的拟人行走具有运动平稳、能耗低、足底冲击力小的特点.稳定行走的仿真步态数据可为下一步双足机器人HEUBR_1样机行走实验提供参考数据.     

四足机器人步态分析及仿真实现

为实现一种液压驱动的四足机器人稳定行走,根据机器人稳定裕量原则,针对JQRI00四足机器人进行了步态规划。根据前期对四足机器人的结构设计,建立了JQRI00四足机器人的虚拟样机;针对其结构特点,分别设计了四足机器人在进行直线行走和转弯时的步态规划,应用ADAMS对虚拟样机进行了直线步态仿真。仿真结果准确、合理,表明所研究的步态规划正确、可行,能够实现四足机器人稳定行走,为机器人后期进行驱动控制奠定了基础。     

欠驱动双足机器人动态步态规划方法研究

以欠驱动双足机器人为对象研究其周期稳定的动态步态规划方法。首先建立欠驱动双足机器人的混杂动力学模型,然后采用时不变步态规划策略对机器人步态进行规划,并研究周期步态的收敛条件。步态参数直接决定周期步态的稳定性,采用遗传算法,以能耗最优为目标,以限制条件为约束对步态参数进行选择和优化。最后通过虚拟样机对机器人的行走过程进行动力学仿真。实验表明规划步态收敛于稳定的极限环,实现了高速动态步行,该规划方法是可行的。     

双足机器人NAO爬楼步态规划

双足机器人的爬楼梯性能是衡量其在复杂环境下行走能力的一项重要指标.本文针对双足机器人NAO爬楼梯步态规划问题,提出一种离线步态规划方法：基于几何法建立机器人爬楼梯逆运动学模型;将运动解耦为前向运动和侧向运动,对于起步、中步和止步三个阶段,采用加速度空间法和几何约束规划法,计算各关节运动轨迹,并基于其逆运动学模型,得到各关节角序列;分别基于NAOSim和NAO进行虚拟样机仿真实验和实物样机验证.实验结果表明,步态规划方法合理有效.     

移动可伸缩三维倒立摆模型的双足机器人步态控制策略

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.结合人在行走时ZMP平稳移动的特性,建立了一种移动可伸缩三维倒立摆模型;在约束平面内分析ZMP与COG的运动关系,将ZMP和COG分别定为快变因子和慢变因子,提出了移动可伸缩三维倒立摆模型的双足机器人步态控制策略;最后通过Matlab/ADAMS进行了步态控制仿真研究.仿真结果表明双足机器人可以稳定地行走,验证了该步态控制策略的可行性.     

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。     

基于ADAMS的仿人机器人步态规划算法仿真和实现

论文从便于算法分析和保护仿人机器人物理样机的角度,提出了先利用ADAMS建立虚拟原理样机系统,再进行步态算法仿真和实现的方法。并详细阐述了基于ZMP的仿人机器人步态规划算法,以及如何利用ADAMS对步态规划算法进行仿真。最后通过实验验证了仿真的必要性和有效性。     

双足机器人的两种步态规划的解耦分析及比较

在双足机器人行走步态规划的研究中,首先对前进方向和侧面摆动进行解耦,建立运动学数学模型,运用ZMP稳定性判据作为双足机器人行走稳定性判断标准,利用时序构造函数法和三次样条插值法对双足机器人运行步态进行规划。利用matlab软件编程和仿真,能够体现出不同规划方法下步行状态在时间和空间的特征,仿真结果对比表明,利用三次样条插值法的步态规划,能够更好的反映出双足机器人的步行稳定性。     

四足步行机器人爬行步态的计算机仿真

由于机器人数学描述的复杂性,使得在机器人运动学、动力学分析方面显得较为困难,计算机虚拟仿真技术在该领域的应用为机器人的运动特性分析提供了依据.文中建立了一个连续转动式腿机构的四足步行机器人模型,并规划了该机器人的一种直线爬行步态,利用ADAMS虚拟样机软件对机器人的爬行步态进行了动力学仿真,得到了机器人各个关节相关物理量的变化曲线,分析了四个髋关节的驱动力矩在步行过程中的变化情况.通过仿真,验证了步态规划的合理性,同时为进一步选择电机、分析机器人系统的动态特性提供了依据.     

Realization of a hydraulic actuated biped robot walking without double support phase

This paper introduced a new walking pattern generation method for biped robots without active roll joint at the ankle and described a simple walking pattern generation method for the robot without using ZMP (Zero Moment Point) information directly. Firstly, the paper introduced a hydraulic actuated biped robot with eight degrees of freedom, which had payload capacity. Secondly, the paper provided a dynamic balance control method in the lateral plane. Not as the inverted pendulum model, this control method was also available for biped robot without active roll joint at the ankle. Thirdly, in order to decrease the vibration, the paper tried to keep the robot walking with an approximate constant speed in the frontal direction. Finally, weight loading experiments in the MD.DAMS simulation environment and physical prototype empty load experiments were used to verify the effectiveness of the proposed walking pattern methods.     

面向离散地形的欠驱动双足机器人平衡控制方法

欠驱动双足机器人在行走中为保持自身的平衡, 双脚需要不间断运动. 但在仅有特定立足点的离散地形上很难实现调整后的落脚点, 从而导致欠驱动双足机器人在复杂环境中的适应能力下降. 提出了基于虚拟约束(Virtual constraint, VC)的变步长调节与控制方法, 根据欠驱动双足机器人当前状态与参考落脚点设计了非时变尺度缩放因子, 能够实时重构适应当前环境的步态轨迹; 同时构建了全身动力学模型, 采用反馈线性化的模型预测控制 (Model predictive control, MPC) 滚动优化产生力矩控制量, 实现准确的轨迹跟踪控制. 最终进行了欠驱动双足机器人的随机离散地形稳定行走的仿真实验, 验证了所提方法的有效性与鲁棒性.     

Variable stiffness control of series elastic actuated biped locomotion

This study investigates the problem of dynamic walking impact on a biped robot. Two online variable stiffness control algorithms, i.e., torque balance algorithm (TBA) and surface fitting algorithm (SFA), are proposed based on virtual spring leg to achieve compliant performance. These two algorithms target on solving the high nonlinearity commonly existing in legged robot actuators. A planar biped robot experiment platform is designed for testing the proposed variable stiffness control. The experiments compare the performance of TBA and SFA and verify that applying the variable stiffness control of a virtual spring leg is capable of effectively absorbing unforeseen ground impacts and thus improving stability and safety of walking biped robots.     

脉冲推力作用下半被动双足机器人的行走动力学分析

为了提高半被动双足机器人在水平地面上行走的稳定性,研究一种脉冲推力作用下半被动双足机器人的行走动力学行为.以最简单的特殊行走模型为动力学模型,采用支撑腿脚后跟脉冲推力作为双足机器人行走动力源.鉴于系统模型的高度非线性,将连续阶段的非线性微分方程线性化;利用角动量守恒和脉冲推力构造一个二维离散映射;采用离散映射的不动点及其特征值分析系统周期步态的存在性和稳定性;接着讨论系统的倍周期分岔.在理论分析的基础上,通过Matlab软件对半被动双足机器人的行走动力学进行仿真实验. 仿真结果表明,在水平地面上行走的半被动双足机器人具有稳定的周期-1步态和周期-2步态.     

基于深度强化学习的双足机器人斜坡步态控制方法

为提高准被动双足机器人斜坡步行稳定性, 本文提出了一种基于深度强化学习的准被动双足机器人步态控制方法. 通过分析准被动双足机器人的混合动力学模型与稳定行走过程, 建立了状态空间、动作空间、episode过程与奖励函数. 在利用基于DDPG改进的Ape-X DPG算法持续学习后, 准被动双足机器人能在较大斜坡范围内实现稳定行走. 仿真实验表明, Ape-X DPG无论是学习能力还是收敛速度均优于基于PER的DDPG. 同时, 相较于能量成型控制, 使用Ape-X DPG的准被动双足机器人步态收敛更迅速、步态收敛域更大, 证明Ape-X DPG可有效提高准被动双足机器人的步行稳定性.     

Application of parallel mechanism in varistructured quadruped/biped human-carrying walking chair robot

For the existing problems of walking chair robot such as simple function,lower bearing capacity and not walking in complex environment,a novel varistructured quadruped / biped human-carrying walking chair robot is proposed.The proposed robot could be used as biped and quadruped walking chair robots.Considering the conversion of the walking chair robot from the quadruped to the biped or vice versa,6-UPS and 2-UPS+UP(U,P and S are universal joint,the prismatic pair,and sphere joint,respectively) parallel mechanisms are selected as the leg mechanism of the biped walking robot and quadruped walking robot,respectively.Combining the screw theory and theory of mechanism,the degrees of freedom of the leg mechanism and the body mechanism in diferent motion states are computed so as to meet the requirements of mechanism design.The motion characteristics of the 2-UPS+UP parallel mechanism which is the key part of the walking chair robot are analyzed.Then,the workspace of the moving platform is drawn and the efect of the structural parameters on the workspace volume is studied.Finally,it is found that the volume of the workspace of the moving platform is bigger when the side length ratio and the vertex angle ratio of the fxed platform and the moving platform which are isosceles triangles are close to 1.This study provides a theoretical foundation for the prototype development.     

可侧向摆动的欠驱动双足机器人

为解决机器人的侧向平衡问题,同时为使机器人的行走空间由二维扩展到三维,确立了可以侧向周期稳定偏转的有弹性脚的欠驱动步行机器人模型。根据混合动力系统的特点,建立了侧向摆动方程及脚碰撞地面的方程,并利用数值仿真得到了不同初始状态下的稳定极限环。根据运动状态分析,找到了弹性脚的欠驱动步行机器人所允许的侧向偏转范围。施加基于能量的控制可以消除摆动过程中出现的干扰,使欠驱动步行机器人回归到稳定状态,稳定的侧向摆动保证了欠驱动步行机器人的稳定行走。     

Walking Control Algorithm of Biped Humanoid Robot on Uneven and Inclined Floor

This paper describes walking control algorithm for the stable walking of a biped humanoid robot on an uneven and inclined floor. Many walking control techniques have been developed based on the assumption that the walking surface is perfectly flat with no inclination. Accordingly, most biped humanoid robots have performed dynamic walking on well designed flat floors. In reality, however, a typical room floor that appears to be flat has local and global inclinations of about 2°. It is important to note that even slight unevenness of a floor can cause serious instability in biped walking robots. In this paper, the authors propose an online control algorithm that considers local and global inclinations of the floor by which a biped humanoid robot can adapt to the floor conditions. For walking motions, a suitable walking pattern was designed first. Online controllers were then developed and activated in suitable periods during a walking cycle. The walking control algorithm was successfully tested and proved through walking experiments on an uneven and inclined floor using KHR-2 (KAIST Humanoid robot-2), a test robot platform of our biped humanoid robot, HUBO.     

动态步行双足机器人THR-I的设计与实现

为了既能验证动态步行的理论结果,又能满足经济性的要求,本文设计并实现了一种基于总线型伺服电机的平面无脚双足机器人THR-I．首先介绍了该机器人的系统构成,包括机械结构部分和控制系统部分;在建立步行动力学方程时,考虑了中心约束系统的耦合影响．然后,利用虚拟约束原理,设计了步行约束,并成功实现了步行周期为0