THBIP-I拟人机器人研究进展

清华大学THBIP-I拟人机器人研究项目，由精密仪器系、机械工程系和自动化系组 成研究小组进行系统研究，其研究目的是发展先进机器人理论和技术，开发自主式拟人机器 人样机．THBIP-I机器人是具有头、手臂、躯干、腿和脚的拟人机器人，共32个自由度，并 具有视觉及语音识别等智能功能．结构设计方面，由直流无刷电机、滚珠丝杠、曲柄连杆机 构、谐波减速器组成，各驱动关节轴独立运动．控制系统分三层：组织层、协调层、执行层 ，分别完成任务规划、关节协调运动控制、关节伺服控制等任务．传感系统由关节位置检测 、地面反力检测、姿态检测、视觉系统、语音识别系统组成．电源系统采用机载电池系统供 电．本文将介绍THBIP-I机器人研究进展．     

仿人机器人轻型高刚性手臂设计及运动学分析

重点研究了7自由度轻型高刚性作业型仿人机器人手臂的机构设计和运动学分析方法.首先使用动力学仿真、有限元分析与实验测试相结合的方法,设计了仿人机器人手臂,该机械臂结构紧凑、质量轻、刚度高.同时,提出结合查询数据库和逆运动学计算去模仿人类手臂姿态,从而获得逆运动学最优解的方法.该方法不仅解决了冗余自由度带来的逆运动学多解问...     

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.     

双足机器人HEUBR-1 样机研制与实验研究

模拟人的肌肉驱动方式,为双足机器人HEUBR-1 设计了二自由度的空间并联机构,并将其应用于双 足机器人HEUBR-1 下肢关节,实现了一种新的串并混联的仿人下肢结构．在HEUBR-1 的足部增加了足趾关节,使 机器人能够模拟人的行走方式,实现真正的拟人步态行走．阐述了双足机器人HEUBR-1 稳定拟人行走的关键性技 术,提出了综合稳定性判据,分析了拟人的多种步态．通过拟人行走步态实验分析,验证了双足机器人HEUBR-1 串 并混联的仿人结构的设计合理性及拟人步态分析的准确性．     

日本拟人型两足步行机器人研发状况及我见

本文概括地介绍了日本拟人型两足步行机器人的研发状况，五个主要研发小组的成果 和特点，简述了步行机器人研究涉及的八项关键技术．指出智能机器人玩具市场是服务机器 人的一个值得大力开拓的方向．提出了对我国拟人型步行机器人发展战略的建议．     

基于MATLAB的模块化机器人手臂运动学算法验证及运动仿真

针对由模块化关节构成的六自由度串联机器人手臂, 采用DH法对手臂的操作空间进行了描述, 得到了正运动学模型; 采用欧拉角表示手臂姿态, 得到了包含六个参数的用于表示手臂位姿的完备广义坐标, 并对欧拉角的几何关系进行了分析。针对SolidWorks虽然实体建模简洁方便但计算并非其强项的缺点, 编写相应接口程序, 将建立的手臂三维实体模型保留几何约束关系简化后导入MATLAB软件。基于MATLAB编写正逆运动学算法验证程序以及连杆驱动程序, 实现了手臂的仿真运动。通过仿真, 不仅更进一步验证了手臂正逆运动学解算的正确性, 而且非常直观地看出手臂末端在空间中运行的路径以及各关节的动作情况。机器人手臂正逆运动学算法正确性的验证及运动仿真为手臂的精确定位及其路径规划提供了必要的保证。     

可重构机器人越障运动的规划

提出一种新型的可重构机器人，该机器人在受一个驱动力矩的作用时，在不同约束下表现的输出形式不同. 利用机构这一特点，实现了机器人移动中的自主越障运动．主要针对机器人越障运动中越障高度受导轮和手臂影响的问题，提出一种借助环境同时改变手臂姿态的越障规划方法，有效地提高了越障的高度．通过试验样机验证了规划方法的有效性．     

医用机器人运动学参数最优化设计

提出了一种实用的医用机器人运动学参数误差的优化补偿方法．采用D-H方法建立起机器人连杆坐标系．在运动学分析和模型变换的基础上，运用数值优化技术建立了机器人运动学参数的误差方程，实现了运动学参数的优化设计，有效提高了机器人的重复定位精度．以仿真和实验验证的方式对优化结果进行了分析．     

仿人机器人手臂抓取运动规划广义逆RRT算法

针对高维空间冗余仿人机器人手臂抓取对象运动规划时所面临的目标位形未知、抓取空间受限、位形空间存在大量障碍物等难题,提出了一种广义逆快速探索随机树法(RRT)避碰运动方法.首先,提出分层子维空间运动规划概念模型,建立了仿人机器人上肢手臂运动学和逆运动学模型;其次,提出一种加权最小范数广义逆RRT规划算法;最后,通过计算机三维仿真,采用基于有向包围盒法开发的碰撞检测算法,验证了该算法的有效性.     

航天服手臂运动学建模及其关节力学特性的测试

介绍基于随动式测量机器人的航天服关节力学特性测量原理,根据舱内航天服手臂的特性建立基于 机器人运动学的数学模型,提出基于神经网络的逆运动学算法进行航天服关节角度的计算,并采用基于泛化能力的 网络构造算法进行神经网络拓扑结构的优化设计.通过实际舱内航天服手臂的关节力学特性测试实验验证测量原 理和计算方法.     

An efficient motion generation method for redundant humanoid robot arms based on motion continuity

This paper proposes a novel method of motion generation for redundant humanoid robot arms, which can efficiently generate continuous collision-free arm motion for the preplanned hand trajectory. The proposed method generates the whole arm motion first and then computes the actuators’ motion, which is different from IK (inverse kinematics)-based motion generation methods. Based on the geometric constraints of the preplanned trajectory and the geometric structure of humanoid robot arms, the wrist trajectory and elbow trajectory can be got first without solving inverse kinematics and forward kinematics. Meanwhile, the constraints restrict all feasible arm configurations to an elbow-circle and reduce the arm configuration space to a two-dimension space. By combining the configuration space and collision distribution of arm motion, collision-free arm configurations can be identified and be used to generate collision-free arm motion, which can avoid unnecessary forward and inverse kinematics. The experiments show that the proposed method can generate continuous and collision-free arm motion for preplanned hand trajectories.     

仿人机器人柔性腰部机构研究

仿人机器人腰部的构成对仿人机器人的运动学、动力学性能起着重要的作用．本 文着重分析了目前仿人机器人腰部机构存在的问题，提出了一种具有柔性特征的仿人机器人 腰部设计方案，并分析了此腰部机构对机器人的运动稳定性、操作柔顺性的影响．本设计使 仿人机器人具有良好的柔顺性，提高了机器人与人协作时的安全性、稳定性和抗干扰能力．     

Integer inverse kinematics method using Fuzzy logic

In this paper, we propose an integer inverse kinematics method for multijoint robot control. The method reduces computational overheads and leads to the development of a simple control system as the use of fuzzy logic enables linguistic modeling of the joint angle. A small humanoid robot is used to confirm via experiment that the method produces the same cycling movements in the robot as those in a human. In addition, we achieve fast information sharing by implementing the all-integer control algorithm in a low-cost, low-power microprocessor. Moreover, we evaluate the ability of this method for trajectory generation and confirm that target trajectories are reproduced well. The computational results of the general inverse kinematics model are compared to those of the integer inverse kinematics model and similar outputs are demonstrated. We show that the integer inverse kinematics model simplifies the control process.     

基于实时ZMP检测的类人足球机器人步态规划

为了保证类人机器人行走的稳定性,合理的步态规划和误差补偿是最为关键的两个方面。针对研究新一代的类人足球机器人AFU2008,在步态规划方面,根据ZMP(零力矩点)稳定性原理,首先用参考轨迹法进行关节轨迹规划,然后由运动学逆解出的关节转角值对机器人舵机进行实际控制;在误差补偿方面,采用对ZMP影响较大的上体运动进行误差补偿,并针对传统的上体补偿方法的局限性,提出了允许上体高度作匀速运动的改进方法。最后通过仿真和实际实验表明:相对于传统补偿方法,新方法能够更加明显减小机器人的ZMP误差,提高机器人ZMP的稳定裕度,使得类人机器人可以稳定快速的行走。     

Clock-turning gait synthesis for humanoid robots

Turning gait is a basic motion for humanoid robots. This paper presents a method for humanoid tuming, i.e. clock-turning. The objective of clock-turning is to change robot direction at a stationary spot. The clock-turning planning consists of four steps： ankle trajectory generation, hip trajectory generation, knee trajectory generation, and inverse kinematics calculation. Our proposed method is based on a typical humanoid structure with 12 DOFs （degrees of freedom）. The final output of clock-turning planning is 12 reference trajectories, which are used to control a humanoid robot with 12 DOFs. ZMP （zero moment point） is used as stability criterion for the planning. Simulation experiments are conducted to verify the effectiveness of our proposed clock-turuing method.     

基于Octomap的仿人机器人局部环境与能力图模型算法

基于3D点云数据的机器人三维空间能力图模型算法存在体素网格搜索计算量大的问题，由于OcTree在三维空间细分时的层次化优势，提出一种基于Octomap的局部环境与能力图模型算法。首先，根据NAO机器人的关节组成、正向运动学、逆向运动学和刚体坐标变换，对NAO仿人机器人构建全身二叉树状运动学模型；其次在此基础上使用前向运动学在笛卡儿空间计算离散的三维可达点云，并将其作为机器人终端效应器的基础工作空间；然后重点描述将点云空间表示转化为Octomap空间节点表示的方法，尤其是空间节点的概率更新方法；最后提出根据节点几何关系进行空间节点更新顺序选择的优化方法，从而高效地实现了仿人机器人能力图的空间优化表示。实验结果表明，相对于之前的原始Octomap更新方法，优化后的算法能降低近30%空间节点数，提高计算效率。     

CMAC在仿人机器人逆运动学计算中的应用

本文采用关节角位移和末端位姿误差作为小脑模型神经网络(CMAC)的输入,根据仿人机器人的正运动学模型来调整CMAC的权值,使网络最终逼近仿人机器人的逆模型,从而得到末端位姿到各个关节角的映射关系,避免了传统解析方法面临的计算量大、解不唯一的问题。MATLAB仿真结果表明,利用CMAC对仿人机器人的逆运动学问题求解,可以保证机器人位姿较好地跟踪给定的参考轨迹,说明CMAC能够逼近仿人机器人的逆运动学模型。     

MAHRU-M: A mobile humanoid robot platform based on a dual-network control system and coordinated task execution

This paper introduces a mobile humanoid robot platform able to execute various services for humans in their everyday environments. For service in more intelligent and varied environments, the control system of a robot must operate efficiently to ensure a coordinated robot system. We enhanced the efficiency of the control system by developing a dual-network control system. The network system consists of two communication protocols: high-speed IEEE 1394, and a highly stable Controller Area Network (CAN). A service framework is also introduced for the coordinated task execution by a humanoid robot. To execute given tasks, various sub-systems of the robot were coordinated effectively by this system. Performance assessments of the presented framework and the proposed control system are experimentally conducted. MAHRU-M, as a platform for a mobile humanoid robot, recognizes the designated object. The object’s pose is calculated by performing model-based object tracking using a particle filter with back projection-based sampling. A unique approach is used to solve the human-like arm inverse kinematics, allowing the control system to generate smooth trajectories for each joint of the humanoid robot. A mean-shift algorithm using bilateral filtering is also used for real-time and robust object tracking. The results of the experiment show that a robot can execute its services efficiently in human workspaces such as an office or a home.     

五指形仿人机械手的设计与实现及示教

设计和实现了一个具有五个手指和手掌的仿人机械手(以下简称仿人机械手),并利用数据手套对其进行了示教,使其能有效地完成复杂的作业。首先,以现有的仿人机械手研究成果为基础,对仿人机械手进行了优化设计和实现;然后,以数据手套为示教源,对仿人机械手示教模型进行了研究,采用D-H变换矩阵建立了仿人机械手的逆向运动学,解决了示教运动映射问题。最后,利用仿人机械手进行了若干作业实验,实验结果证明了仿人机械手及其示教模型的正确性。     

Dynamical System Modulation for Robot Learning via Kinesthetic Demonstrations

We present a system for robust robot skill acquisition from kinesthetic demonstrations. This system allows a robot to learn a simple goal-directed gesture and correctly reproduce it despite changes in the initial conditions and perturbations in the environment. It combines a dynamical system control approach with tools of statistical learning theory and provides a solution to the inverse kinematics problem when dealing with a redundant manipulator. The system is validated on two experiments involving a humanoid robot: putting an object into a box and reaching for and grasping an object.