考虑综合步行约束的仿人机器人参数化3D 步态规划方法

给出了一种三维环境下双足行走的参数化步态规划方法,建立了仿人机器人13 质量块约束动力学模 型．考虑单腿支撑和双腿支撑无冲击连续切换的六点边界约束条件、可行步态物理约束条件以及ZMP 稳定性约束 条件,以关节输出力矩函数的二次型积分值最小作为优化指标,采用参数化步态优化方法,将复杂关节轨迹的规划 问题转化为分段多项式系数组成的有限参数向量的优化问题,得到了快速和慢速两组光滑无振动的优化步态．仿真 和样机实验验证了该方法的有效性．     

仿人预测控制在双足机器人步行控制中的应用

基于零力矩点(ZMP)的预测控制是目前双足机器人步行控制中最先进的方法,但是预测控制需要比较精确的预测模型,在环境扰动导致模型失配时,预测控制的性能下降较快。为了解决这个问题,利用仿人智能控制对环境误差具有较强抑制的特点改进预测控制。探讨了在步行控制中引入仿人智能控制的必要性和仿人智能控制改进预测控制的可行性,并设计了仿人预测控制器。最后通过仿真实验验证了新的控制器对双足机器人步行控制的有效性。     

小型仿人机器人THBIP-II 的研制与开发

为了解决仿人机器人小型化、集成化带来的技术问题,并实现仿人机器人在复杂非结构人类生活环境 中的应用,本文研制并开发了新一代小型仿人机器THBIP-II,给出了THBIP-II 的系统组成,包括机械结构、控制系 统和感知系统．THBIP-II 高700mm,重18 kg,共配置24 个自由度,采用模块化关节和同步带加谐波减速器的传动 结构实现机器人的小型化,其控制系统为典型的分布式控制系统．同时,本文建立了THBIP-II 三维仿真平台,基于 力矩最优的3D 参数化步态规划方法,成功实现了步长为15 cm、步速为0.075 m/s 的平地行走和稳定的踢球动作．     

参数化优化的仿人机器人相似性前向倒地研究

提出了一种基于运动相似性的仿人机器人前向倒地动作设计方法.首先,分析了运动相似性并提出了关键姿势同步转换方法; 其次,为机器人前向倒地运动四级倒立摆建立了相似性变换条件下的动力学约束方程与关联的物理条件约束; 再次,引入参数化优化控制与强化技术,对机器人的触地过程进行了参数化优化.实验结果表明了该方法的有效性.     

双足步行机器人的ZMP-CoP检测及研究

ZMP(零力矩点）和CoP(压力中心)是评价双足步行机构行走稳定性的重要参数．本文在研究了ZMP和CoP两者关系的基础上,根据THBIP-I仿人机器人基于ZMP理论的姿态调整要求和六维力/力矩传感器的安装位置,推导了适用于双足机器人的CoP计算公式,建立了采用六维力/力矩传感器的CoP检测系统．进行了THBIP-I仿人机器人行走过程的实际CoP检测实验,并对实验结果进行了讨论．实验证明了该系统的准确性.     

基于双臂摆动的仿人机器人偏摆力矩矫正方法

针对仿人机器人在步行时产生的绕ZMP(零力矩点)的偏摆力矩导致其失稳甚至摔倒的问题,提出了一种基于双臂摆动的偏摆力矩矫正方法.分析了偏摆力矩产生的原因及其对机器人步行稳定性的影响;根据仿人机器人的连杆模型和手臂摆动的单摆模型,推导出了双臂摆动力矩的表达式,结合双臂摆动的示意图阐述了利用双臂摆动力矩矫正偏摆力矩的原理;采用三次样条插值规划出双臂参数化的摆动角轨迹,再通过穷举法遍历摆动角参数使双臂摆动力矩满足偏摆力矩的矫正要求.仿真结果表明,该方法不仅能较好地矫正偏摆力矩,使机器人实现稳定的步行,而且能保证双臂的摆动角轨迹单调、平滑和周期性。     

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。     

基于关键帧相似性的仿人机器人步态规划

为解决传统步态规划方法运算量大、运行时间长的问题,提出一种基于关键帧相似性的仿人机器人步态规划方法,通过对步态关键帧的相似性度量、髋关节的规划、零力矩点(ZMP)的实时校正,实现仿人机器人曲线行走步态的在线调整,调整后的步态能够较好地逼近实际ZMP曲线。实践结果表明,该方法在降低运算量的同时较好解决了仿人机器人的步态稳定及快速规划问题,并且可以减少步态选择不理想时的时间消耗。     

仿人机器人双足行走模型研究

针对仿人机器人双足行走的稳定性问题,引入零力矩点理论,根据稳定行走必须满足地面反作用力位于稳定区域内这个条件,推导出仿人机器人在行走过程中单双腿支撑期的稳定区域面积和稳定裕量。建立2种不同形状的仿人机器人双足模型,在足底和地面间创建一系列接触力,并通过机械系统动力学自动分析软件得到行走过程中足底各个点的受力曲线并进行受力分析,得出合理的双足形状。     

基于ZMP的仿人机器人跑步运动模式

采用小车-曲面桌子模型,提出了一种基于零力矩点(zero moment point,ZMP)的仿人机器人跑步运动模式.在单腿支撑阶段和飞行阶段,分别规划了仿人机器人的质心运动轨迹和双脚运动轨迹.在单腿支撑阶段,求解根据小车-曲面桌子模型建立的动力学方程,依据小车的运动轨迹规划出仿人机器人的质心轨迹;在飞行阶段,仿人机器人质心可看作抛物线运动,质心轨迹可通过水平方向上的匀速运动和竖直方向上的自由落体运动轨迹表示.分析了双脚与地面接触时的力及力矩约束.通过改变ZMP调整身体的倾斜角度,保持身体动态平衡.同时根据动力学方程分别求解出踝关节及其他关节的关节力矩.仿真实验结果表明:仿人机器人跑步时各关节角度和关节驱动力矩变化稳定,能够实现稳定的跑步,验证了方法的有效性.     

Development of a Leg Part of a Humanoid Robot—Development of a Biped Walking Robot Adapting to the Humans' Normal Living Floor

The authors are engaged in studies of biped walking robots from thefollowing two viewpoints. One is a viewpoint as a human science. Theother is a viewpoint towards the development of humanoid robots.In this paper, the authors introduce an anthropomorphic dynamic bipedwalking robot adapting to the humans' living floor. The robot has tworemarkable systems: (1) a special foot system to obtain the positionrelative to the landing surface and the gradient of the surfaceduring its dynamic walking; (2) an adaptive walking control system toadapt to the path surfaces with unknown shapes by utilizing theinformation of the landing surface, obtained by the foot system. Twounits of the foot system WAF-3 were produced, a biped walking robotWL-12RVII that had the foot system and the adaptive walking controlsystem installed inside it was developed, and a walking experimentwith WL-12RVII was performed. As a result, dynamic biped walkingadapting to humans' floors with unknown shapes was realized. Themaximum walking speed was 1.28 s/step with a 0.3 m step length, andthe adaptable deviation range was from -16 to+16 mm/step in the vertical direction, and from-3 to +3° in the tilt angle.     

基于CAN 总线的机器人脚力传感器的设计及其应用􀀂

ZMP控制理论已广泛应用于双足步行机器人的步态规划中,行走过程中的实际ZMP轨迹,是通过安装在脚部的两个多维脚力传感器获取的力/力矩信息计算得到.文章提出并设计了一种基于CAN总线接口的双足步行机器人集成化脚力传感器,给出了其硬件组成及软件设计,并详细论述了双足步行机器人行走过程中实际ZMP轨迹的计算方法.     

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.     

国外仿人机器人发展概况

介绍了国外仿人机器人发展的特点,详细分析了日本、美国和韩国等国几种仿人机器人的主要技术及其技术指标．根据国外的样机设计,作者讨论了仿人机器人各部分自由度的选用,分析了仿人机器人传动和控制设计中的一些问题．就国外仿人机器人发展对中国的启示提出了看法．