智能决策改进的四足机器人ZMP爬行步态算法

提出了一种基于反馈控制和贪婪决策的四足机器人爬行步态规划算法。该算法利用机载惯性传感器IMU（Inertial Measurement Unit）来实时计算零力矩点和姿态角,以稳态裕度为指标在支撑平面内实时规划期望零力矩点（Zero Moment Point,ZMP）轨迹,结合非线性反馈控制器实现对机体ZMP点的连续平滑调节,保证机器人在按给定速度矢量进行连续爬行的同时具有抵抗一定外力扰动的能力。步态规划采用动态步态周期,基于机器人结构约束和贪婪决策实现跨腿的自动触发,提高了步态自适应性。最终通过样机行走实验验证了所提算法应用于微型四足机器人中的可行性,机器人实现了在平坦地面上稳定地全向行走和旋转,所提算法同时兼顾了自适应性和稳定裕度。     

基于ADAMS的双足机器人建模与仿真

为了提高双足机器人的设计效率,可以通过虚拟样机技术对其进行设计与仿真。针对机器人设计双足行走步态,首先以实际的物理样机为原型,建立双足机器人的七连杆模型,并用解析法求得机器人的逆运动学模型;然后在ADAMS软件中建立参数化的虚拟样机模型,在Matlab软件中规划双足机器人在平地上的完整行走步态;最后将规划的步态导入ADAMS中,在虚拟样机上实现了双足机器人的行走仿真。仿真结果与规划的行走步态基本一致,验证了虚拟样机的有效性,从而为双足机器人的设计与步态规划提供了一种新的方法和可靠依据。     

四足机器人步态生成算法研究与仿真

在四足机器人行走动态控制的研究中,为使四足机器人能在复杂地面状况下行走,提出了一种四足机器人在不平坦地面爬行时的平动步态生成算法.首先构建四足机器人步行机构模型,根据静态稳定性对角线原理的判定确定机器人腿的摆动顺序;以平动步态为例根据机器人前行方向、初始位姿、地面不平坦等因素计算一个步态周期后机器人的位姿从而实现平动直线行走的连续步态算法.考虑了机器人机构约束以及状态变化因素使机器人在每一个步态周期都能跨出尽可能大的步幅实现行走效率的最大化.通过仿真验证了算法的正确性.仿真结果对四足机器人步态稳定性的研究及实现具有实际的参考价值.     

基于深度强化学习的双足机器人斜坡步态控制方法

为提高准被动双足机器人斜坡步行稳定性, 本文提出了一种基于深度强化学习的准被动双足机器人步态控制方法. 通过分析准被动双足机器人的混合动力学模型与稳定行走过程, 建立了状态空间、动作空间、episode过程与奖励函数. 在利用基于DDPG改进的Ape-X DPG算法持续学习后, 准被动双足机器人能在较大斜坡范围内实现稳定行走. 仿真实验表明, Ape-X DPG无论是学习能力还是收敛速度均优于基于PER的DDPG. 同时, 相较于能量成型控制, 使用Ape-X DPG的准被动双足机器人步态收敛更迅速、步态收敛域更大, 证明Ape-X DPG可有效提高准被动双足机器人的步行稳定性.     

仿人机器人斜坡行走的步态规划

为了解决双足机器人在复杂路面的行走问题,提出了一种具体的基于几何约束的机器人斜坡行走步态规划方法。通过对机器人行走的起步阶段,单脚支撑期中摆动腿对机器人身体稳定的影响,以及行走步态流程进行了详细的规划,以机器人Nao为研究对象,构建出了机器人的连杆模型,计算出机器人在前向和侧向运动中保证身体稳定的踝关节约束范围,分析了流程图中机器人各行走步态,并计算出各步态中关节角度变化,从而规划出了机器人Nao从起步到结束行走的过程。运用三次多项式插值的方法使得各关节运动平滑稳定,并根据规划中的各个步态运动利用MATIAB仿真,获得机器人在步行过程中X、Y、Z方向上的质心轨迹,并通过x、y方向的轨迹可以看出机器人行走过程重心稳定,从而证明此方法用于机器人斜坡行走的可行性。     

基于体感的仿人机器人步态学习与控制

针对现有理想化步态动力学模型规划方法复杂、人为指定参数过多、计算量大的问题,提出一种基于体感数据学习人体步态的仿人机器人步态生成方法。首先,用体感设备收集人体骨骼信息,基于最小二乘拟合方法建立人体关节局部坐标系;其次,搭建人体与机器人映射的运动学模型,根据两者间主要关节映射关系,生成机器人关节转角轨迹,实现机器人对人类行走姿态的学习;然后,基于零力矩点(ZMP)稳定性原则,对机器人脚踝关节转角采用梯度下降算法进行优化控制;最后,在步态稳定性分析上,提出使用安全系数来评价机器人行走稳定程度的方法。实验结果表明,步行过程中安全系数保持在0~0.85,期望为0.4825,ZMP接近于稳定区域中心,机器人实现了仿人姿态的稳定行走,证明了该方法的有效性。     

双足机器人虚拟斜坡行走的抗扰能力研究

：在无外部传感器的开环条件下,应用虚拟斜坡行走方法在平面双足机器人Stepper-2D 上实现了10%腿 长的跨越台阶抗扰行走．为了研究虚拟斜坡行走的抗扰能力,引入了地面台阶扰动,利用跨越台阶前后截面状态之 间的关系证明了台阶扰动最终可以转化为系统的初始状态扰动,虚拟斜坡行走良好的抗扰性能来源于自身不动点的 稳定性．通过分析过渡过程中系统截面状态之间的关系,得到了系统能够跨越台阶的充要条件,并研究了腿长缩短 系数β 、瞬间伸长角θ*II 以及两腿夹角φ0和所能跨越的最大相对障碍高度之间的关系,对所取得的10%腿长的跨越 台阶抗扰行走实验结果给出了理论解释．     

基于自学习中枢模式发生器的仿人机器人适应性行走控制

为了克服传统中枢模式发生器(Central pattern generator, CPG)关节空间控制方法的复杂性和局限性, 本文基于自学习中枢模式发生器模型, 提出了一套在线调制和融合多传感器信息的仿人机器人环境自适应行走控制方法.算法难点在于如何在机器人的工作空间将自学习CPG用于工作空间轨迹生成, 并使CPG参数直接和步态模式相关联.本文提出了利用自学习CPG来学习和实时生成机器人质心轨迹和脚掌轨迹的方法, 在线调节机器人步长、抬腿高度和步行速度等关键参数.参考生物反射行为, 利用传感反馈信息激发CPG以产生具有环境适应性的工作空间轨迹, 提升行走质量. 控制系统的参数通过优化算法来进一步改善行走性能.相比于传统的CPG关节空间法, 本文所采用的自学习CPG工作空间法不仅极大简化了CPG网络结构而且提高了仿人机器人行走的适应性.最后, 通过仿人机器人坡面适应性行走的仿真和实验, 验证了所提出控制策略的可行性和有效性.     

基于离散化的六足机器人自由步态规划

为精细模仿生物步态,充分发挥六足机器人运动潜能,本文在离散化机器人足端轨迹的基础上,融合中枢模式发生器(central pattern generator,CPG)模型与反射模型的核心思想,建立了离散化步态模型,结合稳定性分析,构建了机器人稳定的位置状态空间,将复杂的步态规划问题转化为稳定的位置状态空间中位置状态间的排序问题,在此基础上,提出了一种新的自由步态生成算法,并基于平均稳定裕量对该算法进行了优化.样机步态实验结果表明,自由步态生成算法与自由步态优化算法均可生成在一定程度上符合生物运动特点的稳定步态,实现机器人运动过程中速度的动态调整,跨越宽度为步距的障碍,且基于平均稳定裕量的自由步态优化算法生成步态的稳定性要远大于自由步态生成算法.     

两栖多足机器人水下步态分析

通过对两栖动物运动机理的研究,针对两栖多足机器人水下行走的特点,采用减轻重力、附加流 体力的方法,提出了静水环境下的动力学模型,并基于对模型的分析提出了适用于两栖多足机器人水下运动 的“蹬踏—漂浮”步态．该步态不但解决了两栖多足机器人以陆地行走步态在水下行走时出现的抓地不牢及 稳定性不够的问题,而且提高了水下步行速度．通过分析两栖多足机器人的水下实验结果,验证了步态的可 行性．     

Walking algorithm for a robotic transfemoral prosthesis capable of walking pattern recognition and posture stabilization

This paper describes a walking pattern generation algorithm for a robotic transfemoral prosthesis that is synchronized with the walking motion of a transfemoral amputee, and posture stabilization for ground adaptation and maintaining balance on inclined grounds. The developed robotic transfemoral prosthesis in this study has a knee joint and ankle roll/pitch joints for walking on complex slopes. The walking motion data obtained from the motion capture system are used as the standard walking pattern data to accurately imitate the inherent gait of the wearer. Walking intention, percent of gait cycle (PGC), and walking stride are predicted through two inertial sensors attached at both thighs, and the joint angles of the robotic transfemoral prosthesis are then generated in real-time from the PGC and the standard walking pattern data. Additionally, variable impedance control and zero moment point (ZMP) control are carried out with a force/torque sensor for posture stabilization against variable ground slopes, and ground slope compensation and disturbance rejection are also done with the use of inertial sensors at the foot and shank. Consequently, the performance of the walking pattern generation algorithm and posture stabilization control was verified through walking experiments of an author on an inclined treadmill.     

How to optimize the slope walking motion by the quadruped walking robot

Reduction of the energy consumption is one of the most important problems to utilize quadruped walking robots for various works on rugged terrain. The authors have studied basic strategy to achieve high energy efficiency when the quadruped walking robot do the motion essentially requires positive power by the analysis of body rising motion. This paper discusses the energy efficiency of the slope walking motion by the quadruped walking robot. First, we investigate the walking posture in consideration of ideal actuator characteristics where the robot consumes few negative powers at each joint which causes the main energy loss of the walking robot. Then, we investigate optimal walking posture in consideration of DC motor characteristics by the full search of three gait parameters which define the crawl gait. Furthermore, we derive the optimal walking motion by the optimization of three gait parameters which are kept constant during one cycle gait and instantaneous parameters such as body velocity and supporting forces changed at each moment simultaneously.     

基于腰关节力矩补偿的仿人机器人快速步行模式生成

为了有效地提高仿人机器人动步行能力,利用基于预观控制的ZMP 步态生成模式的优点并引入脚尖 脚后跟与地面间的旋转关节,生成了机器人的质心和踝关节轨迹．同时,为了得到更快的步行速度,提出了侧向质 心摆动幅度递减和腰关节偏摆力矩补偿的方法．最后在虚拟物理环境下,利用动力学仿真软件实现了虚拟3-D 仿人 机器人快速动步行．仿真结果证明了所采用方法的有效性．     

下肢助行外骨骼步态规划与仿真研究

针对目前大多数下肢助行外骨骼自身不能维持稳定行走与步态规划方法存在缺陷的现状，设计一种10自由度主动驱动下肢外骨骼；其步态规划基于静稳定性判据，采用重心投影法，利用构造函数规划重心及踝关节轨迹，进一步通过运动学计算获得完整步态周期内所有关节的运动轨迹；运用ADAMS构建人-外骨骼耦合运动虚拟样机模型，进行平地步行仿真，仿真得到关键点的空间轨迹与动力学参数，通过与规划的重心和踝关节轨迹对比，外骨骼能够实现预期运动并稳定行走，仿真结果表明所设计的步态规划方法合理有效。     

基于重心动力学及虚拟模型的负载型四足步行平台对角步态控制方法

为提高负载型四足步行平台对角步态行走的稳定性,减小较大的腿部质量及偏心质量对稳定行走的影响,提出融合重心动力学及虚拟模型的控制方法．应用虚拟模型控制方法对机身及摆动腿加速度进行求解．结合平台重心动力学模型得到其所受合外力,而后应用二次规划将平台合外力分配到支撑腿足端．接着运用逆向动力学和关节空间PD控制得到步行平台关节力矩．通过Adams和Simulink对负载型四足步行平台对角步态行走进行仿真,并将该方法与虚拟模型控制算法进行对比．结果表明重心动力学及虚拟模型控制方法能够使平台姿态角稳定在目标值附近,在平台受到侧向冲击情况下横滚角、俯仰角分别减小约42%、21.8%,在机身偏心全向行走过程中减小50%、89%．证明了所提控制方法能够有效应对较大的腿部质量及偏心质量的影响,提高负载型四足步行平台对角步态行走的稳定性和鲁棒性．     

五杆四驱动平面双足机器人动态步态规划与非线性控制

以五杆四驱动的平面双足步行机器人为对象，研究了其动态步行的时不变步态规划和限定时间的非线性控制策略．揭示了其模型的欠驱动和完全驱动的混杂和非光滑动力学特性，推导了其碰撞模型．基于虚拟约束的概念，提出时不变步态的输出函数解析设计方法，设计了反馈线性化控制器，将系统转化为双积分环节．然后采用限定时间控制器在一步内零化输出函数．仿真实验表明，动态步行趋于一个稳定的极限环，实现了规划的行走模式，验证了该方法的有效性．     

Predicting audio step feedback for real walking in virtual environments

When navigating in virtual environments by using real walking, the correct auditory step feedback is usually ignored, although this could give more information to the user about the ground he is walking on. One reason for this is time constraints that hinder a replay of a walking sound synchronous to the haptic step feedback when walking. In order to add a matching step feedback to virtual environments, this paper introduces a calibration‐free system, which can predict the occurrence time of a step‐down event based on an analysis of the user's gait. For detecting reliable characteristics of the gait, accelerometers and gyroscopes are used, which are mounted on the user's foot. Because the proposed system is capable of detecting the characteristic events in the foot's swing phase, it allows a prediction that gives enough time to replay sound synchronous to the haptic sensation of walking. In order to find the best prediction regarding prediction time and accuracy, data gathered in an experiment is analyzed regarding reliably occurring characteristics in the human gait. Based on this, a suitable prediction algorithm is proposed. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

六足步行机跟导步态研究

本文给出了工程中实用的六足步行机器人跟导步态的实现条件，用能量法分析了这种步态的运动稳定性，给出了采用这种步态的六足行机的最大运动速度求解方法，分析了这种步态的越沟能力，并在ＳＧＩ工作站上对该步态的平地行走，跨沟及斜坡行走情形进行了仿真实验。     

Hardware design and gait generation of humanoid soccer robot Stepper-3D

This paper presents the hardware design and gait generation of humanoid soccer robot Stepper-3D. Virtual Slope Walking, inspired by Passive Dynamic Walking, is introduced for gait generation. In Virtual Slope Walking, by actively extending the stance leg and shortening the swing leg, the robot walks on level ground as it walks down a virtual slope. In practical, Virtual Slope Walking is generated by connecting three key frames in the sagittal plane with sinusoids. Aiming for improving the walking stability, the parallel double crank mechanism are adopted in the leg structure. Experimental results show that Stepper-3D achieves a fast forward walking speed of 0.5 m/s and accomplishes omnidirectional walking. Stepper-3D performed fast and stable walking in the RoboCup 2008 Humanoid competitions.