基于多传感器集成的仿人机器人足部感知系统

足部是仿人机器人本体支撑的基础,也是唯一与地面接触并发生相互作用的主要部件,其各种地面信息获取能力是机器人实现仿人的自然性稳定行走控制的关键.基于六维力传感器、惯量测量单元和柔性触觉阵列传感器,设计了一种新型仿人机器人集成化足部感知系统(IPFS).具备对各种地面环境识别和足部姿态获取、足底与外界接触位置的实时感知和估...     

仿人机器人足部姿态实时感知系统

针对复杂环境下仿人机器人稳定控制的要求,设计了基于MEMS惯性传感器的仿人机器人足部姿态实时感知系统.同时,提出了基于惯性传感器和足部力传感器信息的系统累积误差校正方法,用于解决由于噪声、漂移和积分算法而带来的累积误差问题.该系统能够实时精确的输出仿人机器人的足部姿态信息,为仿人机器人的稳定控制提供关键依据.该校正方法能够有效的消除系统的累积误差,提高系统的测量精度.最后在仿人机器人BHR-2上对该系统的可行性和有效性进行了实验验证.     

仿人机器人在复杂环境中的行走研究

在仿人机器人行走限定性的研究中,由于外界环境的复杂性,仿人机器人在行走过程中很容易失稳,导致不能稳定行走的问题.为了避免失稳摔倒,结合FZMP的在线调整策略,提出了通过调整直立姿态、调整落地角动量控制、落地减振控制和落地位置控制四种稳定行走控制方法,通过改变髋关节的高度来吸收由摆动腿提前着地而产生的垂直振动,给出了髋关节的高度补偿计算公式.使得机器人行走的整个过程,特别是在地面不平整以及摆动腿落地瞬间冲击力较大时也能保持良好的稳定性.通过ADAMS软件和虚拟仿真验证,改进方法能有效的实现机器人在复杂环境中的稳定行走.     

基于接触力信息的仿人机器人ZMP测量系统

针对现有仿人机器人零力矩点(ZMP)测量系统的力/力矩传感器不直接触地导致不能充分反映脚底各部位受力的问题,设计了一种基于地面接触力信息的具有传感器阵列的ZMP测量系统。介绍了传感器信号多级放大、采集及处理的软硬件系统,应用CAN总线接口实现了与外部上位机的通信。所设计的系统已应用于实际仿人机器人。步行实验表明:该系统能有效完成步行中ZMP的实时测量和脚底各部位受力信息的实时采集、计算与通信,简单易实现。     

仿人机器人下楼梯的自适应模糊控制方法

针对仿人机器人下楼梯时的稳定行走问题,提出基于虚拟零力矩点的自适应模糊控制方法。按一定约束条件规划各个关节的运动轨迹,利用模糊控制器得到地面反作用力点的位置,根据脚力传感器反馈信息进行适当修正,得到理想关节轨迹。仿真结果证明,该方法具有实时性和有效性。     

仿人机器人上下楼梯稳定行走控制策略

提出了仿人机器人上下楼梯稳定行走控制策略.首先引入了虚拟零力矩点的概念,然后推导了上下楼梯稳定区域和稳定裕量的计算方法,如果ZMP点在稳定区域内,则采用基于ZMP在线调整控制方案,提高稳定性.如果FZMP点在稳定区域外,则采用基于FZMP调节控制策略,及时修正行走轨迹,使仿人机器人获得新的稳定区域,恢复稳定.仿真结果表明了该控制策略的正确可行.     

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．     

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。     

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.     

仿人机器人两步步态规划算法研究

为了进一步提高仿人机器人步行时的稳定性,通过对人类步行的研究,并从两足步行机的两步步态规划方法中得到启发,对仿人机器人步行也进行类似的两步规划,但由于结构上的不同,仿人机器人中采用加入上肢运动补偿的方式实现平衡.规划仿人机器人的运动姿态,然后根据零力矩点必须落在稳定区域的原则,对仿人机器人的上肢运动轨迹进行求解,通过这种加入上肢补偿的两步规划来实现仿人机器人的稳定步行.从实验结果可以看出,采用这种两足步态规划方法,在仿人机器人两足步行时,可以使机器人上肢与下肢协调运动,从而提高了步行的稳定性.     

基于运动相似性的仿人机器人双足步行研究

提出了一种基于人体步行运动相似性的仿人机器人双足步行动作设计方法．改进了人体步行轨迹的参 数获取与相似性匹配系统,扩展了相似性函数的适用范围．根据仿人机器人的机械连杆特点定义了步行运动周期中 的关键姿势与子相变换,建立了运动学约束方程,并对行走中出现的动态稳定性问题进行了约束．仿真和实体机器 人实验验证了该方法的有效性．     

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。     

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．     

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.     

双足机器人稳定行走的仿人预测控制研究

针对双足机器人的稳定行走,提出了一种新的仿人预测控制在线步行模式生成方法。把期望零力矩点（ZMP）分解成离线规划好的参考ZMP和实时变化的可变ZMP之和,通过预测控制和其逆系统共同作用对质心运动进行控制,从而生成具有自适应性的步行模式。但单一的预测控制系统对诸如矩形齿状扰动的可变ZMP的跟踪存在较大的误差,结合仿人智能控制对误差的强抑制能力,设计了与预测控制相结合的仿人预测控制系统。仿真实验验证对矩形齿状扰动的可变ZMP,仿人预测系统也能实现较好的跟踪。     

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.     

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．