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.     

基于人体运动的仿人型机器人动作的运动学匹配

提出了仿人型机器人模仿人体运动的相似性函数,讨论了运动学约束,并给出了满足运动约束条件且具有与人体动作高相似性的运动求解算法. 在有33个自由度的仿人型机器人实体上完成了模仿人的太极拳动作,验证了方法的有效性.     

仿人机器人复杂动态动作设计及相似性研究

提出了一种基于人体运动的考虑节奏相似性的仿人机器人复杂动态动作设计方法. 首先, 把人体的运动分割成基本动作段, 给出了运动学约束, 讨论了复杂动态动作的稳定性调节方法. 然后, 提出了考虑运动节奏的仿人机器人模仿人体动作的相似性函数, 并给出了满足运动学约束和动力学稳定性、具有高相似性的运动轨迹求解方法. 最后, 通过在仿人机器人 BHR-2 上进行中国功夫``刀术'实验验证了该方法的有效性.     

面向仿人机器人自然步态规划的人体步行实验分析

自然步态规划方法是实现仿人机器人步态柔顺和能量优化的可行方法,该方法要求对人体步行及其平衡策略进行定量研究．本文分析自然步态规划方法的原理,建立了一套快捷有效的人体步态测试系统,并通过实验建立了人体步行的参数化数据库．实验结果揭示了人体步行的参数化特征及其平衡策略,对于仿人机器人的自然步态规划及控制提供了理论指导．结论特别指出,仅仅通过规划的方式实现仿人机器人的自然步态是不完备的,自然步态的实现必须同仿生控制策略相结合．同时实验结论对于仿人机器人的本体优化设计也提供了参考．     

仿人机器人两步步态规划算法研究

为了进一步提高仿人机器人步行时的稳定性,通过对人类步行的研究,并从两足步行机的两步步态规划方法中得到启发,对仿人机器人步行也进行类似的两步规划,但由于结构上的不同,仿人机器人中采用加入上肢运动补偿的方式实现平衡.规划仿人机器人的运动姿态,然后根据零力矩点必须落在稳定区域的原则,对仿人机器人的上肢运动轨迹进行求解,通过这种加入上肢补偿的两步规划来实现仿人机器人的稳定步行.从实验结果可以看出,采用这种两足步态规划方法,在仿人机器人两足步行时,可以使机器人上肢与下肢协调运动,从而提高了步行的稳定性.     

仿人机器人相似性运动研究进展

针对仿人机器人模仿人体运动问题, 从运动轨迹角度比较了基于运动解析方程方法与基于人体运动相似性方法的特点, 阐述了相似性运动系统基本结构, 分析了图像捕捉与处理、相似性特征处理、相似性运动约束与优化等模块功能, 阐述了相似性运动中的人体运动捕获与处理、运动关节解算、运动模型简化与重定向、关键姿势处理与相似度评价、关节空间位姿计算、动力学匹配约束等方面的研究现状, 最后提出了研究展望。     

仿人型机器人动态步行控制方法

本文介绍了仿人型机器人动态步行的一些基本问题和相关概念．从信息和控制的 角度对近年来仿人型机器人动态步行研究中出现的步态规划和姿态控制方法进行了分析,并 指出了它们的特点．提出了先进仿人型机器人实现过程中值得进一步研究的问题．     

本期摘要

舵机控制步行机器人系统设计 首先设计了两足步行机器人的本体结构,并选择舵机作为驱动源。然后．基于广义坐标对该机器人进行了运动学建模,该方法运算简便直观易懂。重点讨论了动态步行的算法设计,详细分析了基于零力矩点的仿人机器人动态步行运动规划方法。结合机器人的几何约束和运动约束．推导机器人参数化步态设计的推导公式,机器人步态的参数化设计大大方便了机器人的运动学和动力学分析。     

仿人机器人复杂动作设计中人体运动数据提取及分析方法

提出了仿人机器人复杂动作设计中人体运动数据提取及分析方法. 首先, 通过运动捕捉系统获取人体运动数据, 并采用运动重定向技术, 输出人--机简化模型的数据; 然后, 对运动数据进行分析和运动学解算, 给出基于人体运动数据的仿人机器人逆运动学求解方法, 得到仿人机器人模型的关节角数据; 再经过运动学约束和稳定性调节后, 生成能够应用于仿人机器人的运动轨迹. 最终, 通过在仿人机器人BHR-2上进行刀术实验验证了该方法的有效性.     

仿人机器人相似性阶梯行走约束与优化控制

针对基于运动相似性的仿人机器人动作规划中固定运动捕获轨迹难以适应可变目标环境的问题,以仿人机器人上阶梯为例,提出了一种基于运动相似性的行走约束与优化控制方法.首先,为相似性阶梯运动轨迹划分子相关键姿势,施加运动学约束;其次,对运动的稳定性、方向、落脚缓冲等施加动力学约束;再次,结合粒子群优化与分层强化学习方法,提出粒子群分层强化矢量位置择优算法,用于对机器人阶梯运动轨迹进行优化.实验证明了方法的有效性.     

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．     

Development of a leg part of a humanoid robot-design of a biped walking robot having antagonistic driven joints using a nonlinear spring mechanism

The authors are engaged in studies of biped walking robots from the following two viewpoints. One is a viewpoint as a human science. The other is a viewpoint towards the development of humanoid robots. In the current research concerning a biped walking robot, there is no developed example of a life-size biped walking robot with antagonistically driven joints by which the human musculo-skeletal system is imitated in the lower limbs. Humans are considered to exhibit walking behavior which is both efficient and capable of flexibly coping with contact with the outside environment. However, developed biped walking robots cannot realize human walking. The human joint is driven by two or more antagonistic muscle groups. Humans can vary the joint stiffness, using nonlinear spring characteristics possessed by the muscles themselves. The function is an indispensable function for a humanoid. Therefore, the authors designed and built an anthropomorphic biped walking robot having antagonistic driven joints. In this paper, the authors introduce the design method of the robot. The authors performed walking experiments with the robot. As a result, a quasi-dynamic biped walking using antagonist driven joint was realized. The walking speed was 7.68 s per step with a 0.1 m step length.     

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.     

仿人机器人相似性运动轨迹跟踪控制研究

提出一种基于带观测器的条件状态反馈控制的仿人机器人相似性运动轨迹跟踪控制方法.首先,分析了7连杆双足机器人动力学模型,阐述了其运动能量方程与动力学特征方程; 其次,基于带观测器的状态反馈控制器原理,构建起三维倒立摆平衡控制模型; 最后,由线性二次型调节器确定状态反馈增益矩阵,使机器人轨迹跟踪误差最小化,以复现出较高相似度的双足步行运动效果.实验验证了该方法的有效性.     

Analyses of biped walking posture by dynamical-evaluating index

In this paper, biped walking posture and design are evaluated through dynamic reconfiguration manipulability shape index (DRMSI). DRMSI is the concept derived from dynamic manipulability and reconfiguration manipulability with remaining redundancy. DRMSI represents the ability of dynamical system of manipulators possessing shape changing acceleration in task space by normalized torque inputs, while the hand motion is assigned as the primary task. Besides, we use visual lifting approach to stabilize the walking and stop falling down. In this research, the primary task is to make the position of the head direct to the desired one as much as possible. And realizing the biped walking is the second task. This research indicates that proposed dynamical-evaluating index is effective in evaluating the biped walking motion and biped humanoid robot has the adjustable configuration to walk with higher flexibility. Flexibility represents the dynamical shape changeability of humanoid robot based on redundancy of the humanoid robot with the premise of the primary task given to keeping the head position high.     

Position-based impedance control of a biped humanoid robot

This paper describes position-based impedance control for biped humanoid robot locomotion. The impedance parameters of the biped leg are adjusted in real-time according to the gait phase. In order to reduce the impact/contact forces generated between the contacting foot and the ground, the damping coefficient of the impedance of the landing foot is increased largely during the first half double support phase. In the last half double support phase, the walking pattern of the leg changed by the impedance control is returned to the desired walking pattern by using a polynomial. Also, the large stiffness of the landing leg is given to increase the momentum reduced by the viscosity of the landing leg in the first half single support phase. For the stability of the biped humanoid robot, a balance control that compensates for moments generated by the biped locomotion is employed during a whole walking cycle. For the confirmation of the impedance and balance control, we have developed a life-sized humanoid robot, WABIAN-RIII, which has 43 mechanical d.o.f. Through dynamic walking experiments, the validity of the proposed controls is verified.     

基于测力平台阵列的双足步行机器人实际零力矩点检测

提出一种多维力测力平台阵列系统,通过机器人行走过程中脚部与平台接触力的测量,并根据. vukobratovic关于ZMP的定义,得到机器人行走过程的ZMP实际轨迹信息,为双足步行机器人的稳态行走步态规划提 供参考依据.更进一步,该系统也可以用作双足步行机器人行走过程步态规划的实验平台.     

基于ODE 引擎的开放式仿人机器人仿真

为了获得灵活、开放、简洁的仿真功能,提出了一种基于ODE（open dynamics engine）的仿人机器人 仿真平台集成方案．将基于ODE 的仿人机器人仿真系统开发过程定义为两类运算：变换叠加和关节叠加,并设计 了这两类叠加的ODE 算法．将仿人机器人结构描述为一个设计者和计算机都可以理解的结构表,将该结构表翻译 为ODE 基本元素实现仿真．设计并实现了一个基于所提出方案的仿人机器人仿真平台,根据基于倒立摆的步态规 划思想,设计并在仿真平台上实现了双足步行的仿真实验．实验证明了文中方法的有效性．     

基于全身协调的仿人机器人步行稳定控制

提出利用机器人质心（CoM）雅克比矩阵,实现全身协调补偿的算法。提出机器人的简化模型;分析基于CoM雅克比矩阵的补偿算法;采用CoM/ZMP（零点矩点）、减振和软着陆控制器实时控制双足步行,实现机器人全身协调的稳定控制;通过仿人机器人AFU09的双足步行实验证明该控制方法的有效性。     

复杂环境下仿人机器人有效支撑区域的感知

当主流的仿人机器人都采ZMP(zero moment point)理论作为稳定行走的判据.实时ZMP点落在支撑足与地面接触形成的多边形支撑区域内是仿人机器人实现稳定步行的必要条件.因此实现仿人机器人在复杂现实环境中稳定行走,必须要求机器人足部感知系统提供足够丰富的地面环境信息,从而可以准确获取支撑区域的形状以实现基于实时ZMP点的稳定控制.文中将柔性阵列力传感器应用于仿人机器人足部感知系统,提出了获取仿人机器人支撑区域形状的方法,而且通过实验验证了其可行性.