双足机器人行走稳定性研究

双足机器人行走的稳定性是双足行走最为重要的衡量指标之一.针对传统的基于零力矩点（ZMP）步态稳定性判据方法,分析了ZMP、COP的相互关系,表明在双足机器人与水平地面无粘性力和无吸附力作用下,其ZMP即为压力中心点COP.基于具有足趾关节的双足机器人足底支撑面多种变化,提出对多点接触时支撑多边形区域描述.结合ZMP/COP、COG的在支撑面内相对位置,提出了基于ZMP/COP、COG的综合稳定性判据.经仿真分析,与传统单一的ZMP稳定性判据相比,该综合稳定性判据能够更为准确地反映步态的稳定性.     

轮式仿人机器人的ZMP建模及动态稳定判据

介绍了ZMP的概念,比较常见的几种ZMP建模方法,提出将高效牛顿-欧拉算法(RENA)与ZMP的概念相结合的迭代ZMP建模方法,并利用该方法完成轮式仿人机器人的ZMP建模.通过模型分析,得出该轮式仿人机器人的ZMP简化计算公式.最后得出此类轮式仿人机器人的稳定性判据及稳定度的定义.     

基于ZMP判据的仿人机器人步态模仿

仿人机器人行走稳定性研究是机器人领域一大研究热点,目前主要依据动力学模型规划稳定步态,但依靠步态规划形成的运动模式往往需要复杂的运算,并且机器人的运动形式单一.为实现机器人多样化步态的生成,在模仿学习的框架下对机器人的步态模仿问题展开研究,利用人体行走信息作为示教数据,实现仿人机器人对人体行走过程的模仿学习,在简化运动规划的同时使机器人的运动步态更具多样化与拟人化.为满足机器人在步态模仿过程中的稳定性,基于零力矩点(zero moment point,ZMP)判据补偿质心偏移,利用滞回曲线确定行走过程中支撑脚的切换以实现稳定性控制.基于NAO机器人的模仿学习系统仿真研究结果表明:ZMP判据的引入有效地保证了机器人对人体示教步态模仿的稳定性,基于滞回曲线的支撑脚选取保证了支撑脚切换的平稳.     

基于地面反力的双足机器人期望步态轨迹规划

提出了一种基于地面反力的双足机器人期望步态轨迹规划方法。通过D Alembert定理推导出地面反力与机器人关节运动之间的数学关系。结合ZMP（零力矩点）稳定性原则和其他物理性约束条件,给出了双足机器人期望步态轨迹。受人类行走的启发,采用模糊策略来规划期望ZMP轨迹。该方案与传统的双足机器人步态轨迹生成方法比较,可实现稳定的行走,具有上体的运动范围小,适用于单、双脚支撑期等优点。双足机器人的实验说明了该方案的可行性和良好性能。     

一种仿人机器人步态优化的新方法研究

利用仿人机器人七连杆模型,建立了机器人姿态的位置向量.先用带参数的五次多项式拟合机器人髋关节的位置曲线,然后用非时间参考变量的方式规划出了踝关节和膝关节的运动轨迹.在机器人步行的稳定区域内,通过遗传算法求得了ZMP点偏离脚掌中心距离的最大值,从而确定了髋关节的参数,实现了仿人机器人步态优化.实验证明该方法有效.     

基于混合进化算法的仿人机器人步态规划

针对仿人机器人的结构特点,设计一种仿人机器人上楼梯的在线步态规划系统.使用7连杆模型对仿人机器人的上楼梯运动过程进行建模,根据神经网络在拟合非线性系统上的优越性,使用2个BP神经网络对仿人机器人上楼梯过程中的双腿支撑周期和单腿支撑周期分别进行离线训练.为了加速训练时间和避免陷入局部最小值,采用基于混合粒子群的神经网络控制方式对网络的权值进行优化.在加速训练过程的同时,生成稳定性最优的步态,通过嵌入式单目视觉采集现场环境信息作为神经网络的输入,实时控制输出步态所需的关节轨迹进行运动.实验结果表明通过Matlab仿真和实物机器人上所提方法有效.     

两足步行机器人并联腿机构的稳定性分析

提出了用ZMP点作为评价两足步行机器人并联腿机构稳定行走的指标,并给出了机器人在理想的状况实现静态行走时的ZMP点与稳定裕度的关系．分析了已知并联机器人在给定末端执行器轨迹的情况下在理想的地面进行稳定行走时的重心轨迹,并且给出了两足机器人能够稳定行走的区域,为两足并联机器人的研究开发和控制打下了坚实的基础．     

双足机器人拟人步行模式研究

根据双足步行机器人具有拟人腿的特点,通过对人体步行样式的分析,采用三次多项式计算方法规划步行机器人在一个完整行走周期里拟人稳态步行模式,分别建立hip、knee和ankle关节在前向模型中的轨迹曲线方程。并通过建立、分析和简化其动力学模型验算步行模式的ZMP轨迹的稳定性,提出保证步行模式稳定性的ZMP边界约束条件。最后对稳态步行模式进行仿真描述和相应实验,仿真和实验结果表明其具有很好的连续性和平滑性。     

基于运动发散分量的四足机器人步态规划

为了使四足机器人在出现较大的轨迹跟踪误差时仍然可以稳定运动,提出基于运动发散分量（DCM）的在线步态规划方法. 将四足机器人抽象成三维线性倒立摆模型（LIPM）,根据离线规划的落脚点,应用DCM方法论递推出保持DCM有界的参考轨迹;在满足步幅约束、零力矩点（ZMP）约束的条件下,步态规划运用宽松初始状态模型预测控制在线优化出可快速收敛到参考轨迹上的落脚点以及期望状态轨迹;全身运动控制器通过构建二次规划优化出满足运动约束、动力学约束、摩擦力约束等条件下跟踪期望状态轨迹的力矩. 通过仿真验证以上算法,仿真结果表明：与经典模型预测控制相比,宽松初始状态模型预测控制可以承受较大的轨迹跟踪误差,四足机器人可以在出现较大的轨迹跟踪误差时以troting步态稳定运动并尽快收敛到离线规划的轨迹上.     

具有单目嵌入式视觉的仿人机器人分层控制系统设计

针对仿人机器人的特点,设计了一个具有单目视觉的仿人机器人分层控制系统.通过研究机器人跑步运动的基本原理,在机器人跑步运动中引入手臂摆动姿态,通过最优化跑步过程的总体能效进行步态规划.最后根据FIRA比赛规则,决策系统通过视觉反馈和姿态反馈信息,调用底层动作库,进行短跑运动规划.实验结果表明,该仿人机器人的控制方式效果良好,适合参加竞技类比赛.     

Motion Planning of Humanoid Robot for Obstacle Negotiation

The motion planning for obstacle negotiation by humanoid robot BHR-2 through stepping over or stepping on/off the wide and flat obstacle at known locations is presented. In the trajectory generation method,first the constraints of the foot motion parameters which include obstacle dimensions and the distance of obstacle from the humanoid robot is formulated. By varying the values of the constraint parameters,different types of foot motion for different obstacles can be produced. In this method,first the foot trajectory is generated,and then the waist trajectory is computed by using cubic spline interpolation without first calculating the zero moment point (ZMP) trajectory. The dynamic stability during the execution of stepping over and stepping on/off trajectories are ensured by incorporating the ZMP criterion. The effectiveness of the proposed method is confirmed by simulations and experiments on humanoid robot BHR-2.     

Motion Planning of Humanoid Robot for Obstacle Negotiation

The motion planning for obstacle negotiation by humanoid robot BHR-2 through stepping over or stepping on/off the wide and flat obstacle at known locations is presented. In the trajectory generation method, first the constraints of the foot motion parameters which include obstacle dimensions and the distance of obstacle from the humanoid robot is formulated. By varying the values of the constraint parameters, different types of foot motion for different obstacles can be produced. In this method, first the foot trajectory is generated, and then the waist trajectory is computed by using cubic spline interpolation without first calculating the zero moment point (ZMP) trajectory . The dynamic stability during the execution of stepping over and stepping on/off trajectories are ensured by incorporating the ZMP criterion. The effectiveness of the proposed method is confirmed by simulations and experiments on humanoid robot BHR-2.     

拟人机器人矢状面跑步运动规划

基于“虚拟腿”的概念,提出了一种新的方法实现拟人跑步机器人在矢状面内的跑步运动．首先在起跳阶段通过求解“虚拟腿”的二自由度动力学方程,规划机器人质心的轨迹;在飞行阶段机器人质心按照自由落体运动;然后对机器人双脚的运动和上臂的运动进行规划,采用牛顿拉斐逊法求解非线性方程组得到机器人在每个时刻的运动学参数;最后根据动力学方程求出各个关节的驱动力矩．仿真结果表明：机器人跑步时各个关节角度和关节驱动力矩变化平稳,运动稳定裕度大,可实现1.2m/s前向的跑步速度．     

小型仿人机器人步行稳定控制方法研究

针对小型仿人机器人足部异常着地姿态对步行稳定性的重要影响,提出了一种基于力分布的快速着地柔顺控制方法,使机器人能够根据着地时地面反作用力的分布情况,快速判断足部着地姿态,通过实时调节踝关节实现机器人的快速着地柔顺控制。该方法结合基于零力矩点（Zero Moment Point,ZMP）和身体姿态的平衡控制方法,在运动调节功能的协调下,形成了一个较为完备的小型仿人机器人实时稳定控制体系。     

基于模型预测控制的仿人机器人实时步态优化

为了提高仿人机器人在行走过程中的抗干扰能力,提出基于模型预测控制（MPC）的步态生成与优化策略. 基于飞轮倒立摆模型（IPFM）,建立系统状态空间模型. 给定落脚点参考位置和躯干旋转参考角度,提出包含质心（CoM）轨迹生成、落脚点调整和躯干旋转角度优化的多目标惩罚函数;考虑足部支撑范围、落脚点变动范围等可行性约束,建立二次规划（QP）求解模型. 利用开源求解器,实现最优质心轨迹、足部落脚点和躯干旋转角度的在线生成. 通过仿真验证了该算法的可行性和有效性. 结果表明,每个控制循环在2 ms内完成,满足实时控制需求;该方法能够利用躯干旋转以实现更大范围变步行参数的稳定行走;与只调整落脚点相比,机器人对各个方向外力的抵抗能力都有提高.     

Free gait generation method for omnidirectional locomotion on abrupt terrain with multi-legged biomimetic robot

In order to achieve omnidirectional locomotion on rough terrain with multi-legged biomimetic robot,a free gait generation approach is proposed based on local rules.The phase coordinates of each operation leg was established according to the motion task and a universal depiction of leg-end locomotion was implemented;the mathematical relation of gait pattern and walking velocity of multi-legged robot was put forward;combined polynomial curve was adopted to generate the leg-end trajectory,which was capable of accomplishing walking missions and accommodating to landform conditions;a distributed network of local rules for gait control was constructed based on a set of local rules operating between adjacent legs.In the simulation experiments,adaptive regulation of inter-leg phase sequence,omnidirectional locomotion and ground accommodation were realized.Moreover,statically stable free gait was obtained simultaneously,which provided multi-legged robot with the capability of walking on irregular terrain reliably and expeditiously.