双足机器人步态控制研究方法综述

概括地介绍了双足机器人步态控制领域内的主要研究思路．详细阐述了基于双足动力学特征的3种建模方法,包括倒立摆模型、被动步态模型、质量弹簧模型的特点．另外讨论了两种常用的约束条件(稳定判据与能量约束)和3种智能控制方法(神经元理论、模糊逻辑与遗传算法)在双足机器人步态控制中的研究情况．     

仿人跑步机器人机构与步态规划综述

阐述了仿人跑步机器人研究的必要性,介绍了几款国外典型的仿人机器人机构设计和驱动系统设计,对仿人跑步机器人的步态规划问题进行了综述,并指出仿人跑步机器人领域的研究难点和未来研究方向。     

动态双足机器人的控制与优化研究进展

对动态双足机器人的可控周期步态的稳定性、鲁棒性和优化控制策略的国内外研究现状与发展趋势进行了探讨.首先,介绍动态双足机器人的动力学数学模型,进一步,提出动态双足机器人运动步态和控制系统原理;其次,讨论动态双足机器人可控周期步态稳定性现有的研究方法,分析这些方法中存在的缺点与不足;再次,研究动态双足机器人的可控周期步态优化控制策略,阐明各种策略的优缺点;最后,给出动态双足机器人研究领域的难点问题和未来工作,展望动态双足机器人可控周期步态与鲁棒稳定性及其应用的研究思路.     

双足步行机器人转弯步态规划及其实现

针对双足步行机器人的转弯步态规划及其实现问题进行了研究.首先介绍了双足步行机器人转弯步态规划方法和所涉及的关键问题,包括关键点轨迹插值和逆运动学解算,然后给出了实现双足步行机器人转弯步态规划的具体步骤,最后通过对实验室新研制的双足步行机器人转弯运动进行仿真和实验研究,证实了本文所提出的几何约束加修正补偿的双足步行机器人转弯步态规划方法的有效性和可行性.     

双足步行机器人控制器的改进与实现

文章首先指出二十四自由度双足机器人的控制器是该型机器人的核心,也是扩展该型机器人功能首先需要改进的部件,接着介绍了双足机器人的控制器硬件和软件的改进设计。文章比较详细地阐述了双足机器人步态轨迹控制与规划,并指出下一步的研究方向是如何控制双足步行机器人稳定地和健壮地在复杂环境里及粗糙地面上行走。     

双足爬壁机器人壁面凹过渡步态规划研究

针对腿足式爬壁机器人在壁面过渡时的步态规划问题，以一种真空吸附式双足爬壁机器人为研究对象，在步态分析的基础上，基于有限状态机建立了机器人的步态模型，进而提出了基于加权插值和BP神经网络的双足爬壁机器人壁面凹过渡在线步态规划算法，为提高机器人壁面过渡的自主控制能力奠定了基础．仿真分析和实验结果表明，该步态规划算法对于实际的机器人系统是有效的和可行的。     

基于神经网络的仿人跑步机器人步态规划

为了快速生成仿人机器人跑步运动轨迹,研究了一种用于仿人机器人跑步步态生成的步态规划器。采用三维弹簧倒立摆模型描述跑步过程中仿人机器人质心运动规律,奔跑时机器人质心轨迹及落脚点位置可以由四个步态参数来确定,从而将步态规划问题转化成步态参数优化问题,求解了500余种不同运动状态下的步态参数。建立了基于三层BP神经网络的步态规划器,将优化结果作为训练样本训练神经网络。用上述规划器实现了仿人机器人跑步步态规划并对规划结果进行了仿真验证。研究结果表明,基于BP神经网络的步态规划器可以实现步态参数的快速计算,生成的跑步步态逼真;提出的跑步运动步态规划方法可行,为仿人机器人实时轨迹生成提供了一种解决方法。     

基于能效优化的仿人机器人跑步步态优化与控制

针对高能耗导致的仿人机器人难以大规模实用化的问题,提出了一种新的仿人机器人参数化跑步步态优化方法。分析了不同跑步步态参数对仿人机器人水平、垂直方向的稳定性及能耗的影响,将机器人步态优化问题转化为对步态参数的多目标寻优问题,根据连杆模型得到机器人跑步过程中水平、垂直方向的稳定裕度及能耗表达式,并构造目标函数,采用基于对位学习的遗传算法对机器人参数化跑步步态进行多目标寻优,在保证机器人俯仰、翻滚和偏摆各方向力矩平衡的前提下降低整体能量消耗;针对传统遗传算法早熟及收敛速度慢的问题,提出基于领域知识的精细化初始成员策略,采取生成种群成员对位点的方式更新种群,以加快收敛速度;为提高轨迹跟踪性能,设计了自适应控制器,并给出了稳定性证明。仿真实验表明:该方法能有效降低能耗并保证其稳定性。     

动态双足机器人建模及步态优化设计

双足机器人行走时的稳定性是重中之重。如何规划合适的运动步态是提高稳定性的关键,也是当今众多学者的研究热点。首先,采用多连杆结构进行双足机器人建模,并使用D-H矩阵描述这种连杆结构,建立其正逆运动学模型。然后,提出以稳定性和能耗为目标的多目标步态优化方案,通过构造惩罚函数求得多目标优化问题的Pareto最优解集。最后,在ADAMS平台上建立模型并和Matlab进行联合仿真,将踝关节、髋关节的侧向角速度和左腿质心在前向、侧向和竖直方向的速度与加速度作为对比指标,通过与原始倒立摆步态规划、遗传算法优化比较得出:多目标步态优化方案在动态双足机器人行走过程中具有更高的稳定性。因此,基于稳定性和能耗的多目标步态优化方法,能够为双足机器人稳定性的研究提供理论指导和改进方向。     

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．     

欠驱动两足步行机器人研究现状

针对欠驱动两足步行机器人的研究现状与发展趋势进行了探讨。首先,总结了被动行走和踝关节欠驱动两足机器人的研究现状,介绍了欠驱动两足步行机器人的基本研究方法,包括问题描述、步态规划、运动控制和稳定性判定等,并对欠驱动两足机器人需要进一步研究的问题和发展方向进行深入研究,最终目标是将欠驱动控制策略应用于两足步行机器人的行走过程控制,以提高其运动性能。     

快速运动过程中双足机器人脚对地冲击的利用

人类在快速起停或跑动过程中,往往利用脚对地的冲击来提高运行速度。双足机器人在快速运动过程中,不可避免地会对地产生冲击,现有的双足机器人大多是进行平稳运动,限制了双足机器人速度的提高。该文建立了双足机器人的冲击模型及径向平面内的运动学模型,并分析了双足机器人脚对地的各种冲击效果,利用这些冲击结果来提高双足机器人的运动速度并进行了仿真实验,仿真实验结果证明双足机器人可以模仿人类对地冲击的利用来提高双足机器人的运行速度。     

Asymmetric trajectory generation and impedance control for running of biped robots

An online asymmetric trajectory generation method for biped robots is proposed to maintain dynamical postural stability and increase energy autonomy, based on the running stability criterion defined in phases. In a support phase, an asymmetric trajectories for the hip and swing leg of the biped robots is obtained from an approximated running model with two springless legs and a spring-loaded inverted pendulum model so that the zero moment point should exist inside the safety boundary of a supporting foot, and the supporting leg should absorb large reaction forces, take off and fly through the air. The biped robot is under-actuated with six degrees of under-actuation during flight. The trajectory generation strategies for the hip and both legs in a flight phase use the approximated running model and non-holonomic constraints based on the linear and angular momenta at the mass center. Next, we present an impedance control with a force modulation strategy to guarantee a stable landing on the ground and simultaneously track the desired trajectories where the desired impedance at the hip link and both legs is specified. A series of computer simulations for two different types of biped robots show that the proposed running trajectory and impedance control method satisfy the two conditions for running stability and make the biped robot more robust to variations in the desired running speed, gait transitions between walking and running, and parametric modeling errors. We have examined the feasibility of this method with running experiments on a 12-DOF biped robot without arms. The biped robot could run successfully with average forward speed of about 0.3359 [m/s]. Electronic Supplementary Material  The online version of this article () contains supplementary material, which is available to authorized users.

二足步行机器人的新型脚力传感器的研究

本文论述了二足步行机器人使用的新型脚力传感器。该脚力传感器能够较精确地测出二足步行机器人脚上所受的垂直负荷。利用该脚力传感器的输出能够较准确地计算出二足步行机器人的重心位置，对于步行的控制具有重要意义。     

从两足机器人到仿人型机器人的研究历史及其问题

本文介绍了从两足机器人发展到仿人型机器人的历 史,分析了在自由度、能量最优和碰撞研究的一些研究现状和前景,并对仿人型机器人与两 足机器人在运动特性上有所不同提出了一些问题．     

Development of Biped Robot MARI-3 for Jumping

A biped robot, MARI-3, for jumping is developed, of which the ultimate objective is fast walking and running. Its mechanical structure including the joint configuration and specification, the knee joint, and the speed reduction mechanism are described in detail. A specific control system RON (RObot Network) for MARI-3 that is a serial and distributed network and consists of a microcontroller, host unit, servo units, sensor units and servo amplifiers is presented as well as the sensor system. With the developed biped robot MARI-3, one-leg jumping of 110 ms jumping time and 4.0 cm jumping height was implemented as initiative and verification experiments. Furthermore, by comparison of MARI-3 with other jumping or running robots, MARI-3's potential ability for fast walking, jumping and running becomes clear.     

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.     

伸缩腿双足机器人半被动行走控制研究

研究半被动伸缩腿双足机器人行走控制和周期解的全局稳定性问题.使用杆长可变的倒立摆机器人模型,以支撑腿的伸缩作为行走动力源,采用庞加莱映射方法分析了双足机器人行走的不动点及其稳定性.当脚与地面冲击时,假设两腿间的夹角保持为常数,设计了腿伸缩长度的支撑腿角度反馈控制率.证明了伸缩腿双足机器人行走过程不动点的全局稳定性.仿真结果表明,本文提出的腿伸缩长度反馈控制可以实现伸缩腿双足机器人在水平面上的稳定行走,并且周期步态对执行器干扰和支撑腿初始角速度干扰具有鲁棒性.     

基于模糊控制的双足步行机器人控制研究

本文研制了一台能够独立自主行走的新型的双足步行机器人。机器人的主体部分采用6台伺服舵机,由伺服舵机对机器人进行驱动,同时舵机本身又可作为躯干,使整个机器人的结构非常紧凑。这也是对现有大多数此类机器人进行研究之后所做的改进。对机器人的行走控制由PIC单片机及其相关电路组成。鉴于双足步行机器人是一个复杂系统,故采用模糊控制来提高其控制的精度。经过实际检验,使用模糊控制可以获得很好的控制效果。