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.     

双足舞蹈机器人步态规划

以双足舞蹈机器人为对象,建立系统的多自由度运动学模型,在此基础上开展舞蹈机器人正运动学和逆运动学分析,根据行走步长、步宽、步行周期等运动参数求解机器人各关节角度;引入三维倒立摆模型,结合零力矩点(Zero-Moment-Point,ZMP)稳定判据,对舞蹈机器人进行步态规划稳定性分析;最后,结合对舞蹈机器人的行走步态进行了仿真分析,得到了各个关节的角度值,可作为舞蹈机器人的输入控制参数.     

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.     

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.     

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.     

八足仿蟹机器人步态规划方法

为了研究八足仿蟹机器人的步态方法,分析了生物螃蟹的运动特点,对八足仿蟹机器人的步序和步态参数进行了规划研究.通过研究相位因子变化对步态的影响,提出交错等相位波形步态.在满足步态稳定性和速度要求的前提下,计算出最小步足占空比.将能耗比作为步态性能的评价标准,对步态能耗进行分析,当相位因子为0.25时,能量损耗达到最小,而...     

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.     

基于ZMP的双足机器人稳定性分析

引入双足机器人研究中一个重要物理量——零力矩点ZMP（zero Moment Point）,研究其计算和测量方法,利用其分析双足机器人在单腿和双腿支撑时的作用范围,最后在二维和三维平面内对机器人的ZMP计算进行探讨,为稳定步态的设计做了理论铺垫。     

仿人机器人发展状况和挑战

介绍了仿人机器人的现状和面临的挑战性问题,对世界上针对仿人机器人的研究工作进行了综述,指出了各自的侧重点及主要研究趋势,阐明了开展仿人机器人研究的出发点。     

使用零力矩点反馈的双足机器人惯性参数辨识

为解决基于关节力矩的双足机器人参数辨识方法辨识精度不高,基于完整的足底力信息和运动捕捉数据的辨识方法对实验条件要求较高的问题,提出基于ZMP(zero moment point)数据的双足机器人惯性参数辨识方法.将理论ZMP与实际ZMP的位置偏差作为目标函数,考虑参数范围和机器人总质量两类约束条件,建立只使用双足机器人...     

仿人表情机器人头部系统设计

随着人工智能技术的不断发展,具有人机交互功能的智能服务机器人已经成为机器人研究领域一个重要的发展方向,具有表情识别与再现能力的仿人表情机器人已成为该方向研究的热点。文章分析了表情机器人的表情特征及其定义,基于机械设计、传感器技术、电机控制、人工智能以及三维造型等技术对具有表情再现功能的机器人头部机械结构、控制系统及软件系统进行了研究与设计。通过对头部系统的控制与设计,该机器人的头部各器官及其相应的表情控制点可以迅速、精确地到达预定的位置,从而实现各种情感的表达。     

Plane extraction for navigation of humanoid robot

In order to make the humanoid robot walk freely in complicated circumstance,the reliable capabilities for obtaining plane information from its surroundings are demanded.A system for extracting planes from data taken by stereo vision was presented.After the depth image was obtained,the pixels of each line were scanned and split into straight line segments.The neighbouring relation of line segments was kept in link structure.The groups of three line segments were selected as seed regions.A queue was maintaine...     

一种测量人行走时骨盆运动轨迹的新方法

骨盆的运动轨迹是类人机器人和康复训练机器人控制的基础,针对以往研究方法的不足,提出了一种测量人在跑步机上行走时骨盆运动轨迹的新方法.通过3个高精度位移传感器和1个数据采集卡进行数据采集,运用MATLAB软件进行数据处理和分析.实验结果表明:正常人行走过程中,骨盆在左右和上下方向的运动轨迹符合周期性变化规律,近似于正弦波形;在一个完整的步态周期内,骨盆左右摆动1次,上下起伏2次;幅值主要由身高和行走速度等参数决定,在此基础上建立了骨盆运动轨迹的数学模型.     

有挠性驱动单元的双足机器人研制与步行实验

为减缓机器人脚底冲击,设计、研制带有挠性驱动的10自由度仿人双足机器人,该机器人髋关节俯仰关节由FDU-II型挠性驱动单元驱动;搭建FDUBR-I型仿人双足机器人控制系统硬件和软件,组建上位机与两块运动控制卡的交换式以太网络用来实现上位机与运动控制卡的实时通信,该控制系统包括FDU-II型挠性驱动单元的张力反馈和关节全闭环控制子系统;进行FDUBR-I型仿人双足机器人稳定步行实验,验证FDU-II型挠性驱动单元对机器人髋关节的驱动能力以及基于黏弹性动力学模型反馈的关节全闭环和张力反馈控制器的控制效果,机器人在0.1 km/h的步速下实现双足稳定步行.     

人体步行捕捉下的双足机器人跟随步行与实验

为深入研究服务型仿人机器人实时跟随人步行的问题,提出了基于人体步行运动捕捉的双足机器人步行样本生成方法,并进行了机器人-人跟随步行实验.对PS三维运动捕捉系统在线获取的人体步行样本进行运动学匹配并考虑机器人关节极限约束条件后,得到机器人步行样本,构建机器人仿人步行的样本库;根据笛卡尔空间和关节空间内的运动参数定义机器人与人的步行相似度综合评价,提出基于相似度评价的在线样本检索方法,以"关节角距离"为评价选取拼接点,实现样本在线拼接的样本过渡方法,解决了机器人跟随人进行变速步行的问题;完成了双足机器人跟随不同人进行稳定步行的实验,跟随过程中的距离误差不超过±52 mm,跟随结束后的位置误差不超过±10 mm.     

Gait simulation of new robot for human walking on sand

In order to simulate the gait of human walking on different terrains a new robot with six degrees of freedom was proposed. Based on sand bearing characteristic compliance control was introduced to control system in horizontal and vertical movement directions at the end of the robot, and position control in attitude. With Matlab/Simulink toolbox, the system control models were established, and the bearing characteristics of rigid ground, hard sand, soft sand and softer sand were simulated. The results show that 0, 0.62, 0.89 and 1.12 mm are the maximal subsidences of the four kinds of ground along the positive direction of x-axis, respectively, and 0, −0.96, −1.99 and −3.00 mm are the maximal subsidences along the negative direction of x-axis, respectively. Every subsidence along y-axis is negative, and 0, −4.12, −8.23 and −12.01 mm are the maximal subsidences of the four kinds of ground, respectively. Simulation results show that the subsidence of footboard points to inferior anterior in early stage of stand phase, while points to posterior aspect in late stage. The subsidence tends to point to posterior aspect in the whole. These results are basically consistent with the gait characteristics of human walking on sand. Gait simulation of the robot for human walking on sand is achieved.     

Characteristics of spatial magnetic torque of an intestine capsule micro robot with a variable diameter

A drive and control method is put forward for a variable diameter capsule micro robot to screw forward in intestine using magnetic coupling between an inner actuator inside the robot and the rotational magnetic field generated by a rotating outer actuator. The structures of the outer and inner actuators are magnet cylinders with multiple magnetic poles in tegular shape alternating with dissimilar radial magnetization. An universal mathematical model of magnetic torque at eccentric state is established based on the equivalent magnetic charge method, and the characteristics of magnetic torque with respect to structural parameters of actuators are theoretically studied. Experiments show that the driving method features advantages such as powerful magnetic torque, high safety, reliability, etc. The driving ability of the variable diameter capsule micro robot is greatly improved by its automatic radial clearance compensation. The magnetic drive system has a promising prospect of medical applications in intestine. Supported by the Natural Science Foundation of Liaoning Province (Grant No. 20082171) and the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 60675054,60275034,60875064)