A New Method of Desired Gait Synthesis for Biped Walking Robot Based on Ground Reaction Force

A new method of desired gait synthesis for biped walking robot based on the ground reaction force was proposed. The relation between the ground reaction force and joint motion is derived using the D'Almbert principle. In view of dynamic walking with high stability, the ZMP(Zero Moment Point)stability criterion must be considered in the desired gait synthesis. After that, the joint trajectories of biped walking robot are decided by substituting the ground reaction force into the aforesaid relation based on the ZMP criterion. The trajectory of desired ZMP is determined by a fuzzy logic based upon the body posture of biped walking robot. The proposed scheme is simulated and experimented on a 10 degree of freedom biped walking robot. The results indicate that the proposed method is feasible.     

基于ZMP双足机器人稳定性控制策略与算法的研究

基于ZMP控制理论及其数学模型,通过预先给定双足机器人步态的运动轨迹,计算确定各关节的旋转角度并选定控制系统的控制算法.对遗传算法在双足机器人步行稳定性控制策略做了分析,主要解决如何产生稳定控制机器人步态的数据,在步态运行过程中保证双足机器人从一个稳定态到下一个状态时,同样也是稳定的,以实现机器人在实际行走过程中达到较好的稳定效果.ZMP     

两足机器人质量分布与步行稳定性及效率关系研究

研究两足机器人质量分布对步行ZMP(zero moment point)稳定阈度及步行效率的影响.采用稳定的参数化步态,在步态不变的情况下,改变机器人各连杆的质量分布,观察其对ZMP稳定阈度及步行效率的影响.仿真实验结果表明,合理选择大腿、小腿和上身的质量分布可以显著增加ZMP稳定阈度和步行效率.     

仿人机器人未知地面行走控制方法研究

介绍了一种仿人机器人未知地面行走的控制算法 .该算法通过踝关节六维力 \力矩传感器信息感知地面环境 ,确定步态参数 ,利用基于ZMP稳定判据的规划方法进行实时运动规划 ,实现机器人稳定行走 .     

虚拟线性倒立摆模型在行走机器人双腿支撑相中的应用

为了提高双足机器人步行运动的稳定性,将双腿支撑阶段的机器人简化为一个虚拟的线性倒立摆模型。该模型以机器人运动的ZMP(zero moment point)为虚拟支点,以机器人质心为模型的质点;在运动中保持质点高度不变。通过预先设定ZMP的轨迹,即可获得机器人质心在双腿支撑阶段的运动轨迹。将该模型与机器人单腿支撑阶段的普通线性倒立摆模型综合运用,就能保证步行时机器人质心速度变化的连续性和步行运动的稳定性。该方法在实际机器人上进行了实验验证,结果表明该方法能够很好地适用于实际机器人的步行运动。     

ZMP-based Gait Optimization of the Biped Robot

The gait of the biped robot is described using six parameters such as stature, velocity, length of the step, etc. The algorithm of the Newton-Euler is actualized by object-oriented idea, and then the zero moment point (ZMP) of the dynamically walking biped is calculated. Finally, the gait of biped is optimized using gene algorithm, and the optimized result prove the correctness of the algorithm.     

提升四足机器人行走稳定性的对角步态规划方法

针对四足机器人在采用对角步态行走中容易失稳的问题,提出了通过改变对角步态中支撑足的初始位姿来改善并提升运动稳定性的方法.结合零力矩原理,找到四足机器人支撑足最佳初始膝关节转角θ₁和髋部前向关节转角θ₂,从而确定四足机器人支撑足的最佳初始位姿.仿真表明:四足机器人运动采用不同初始位姿时,运动过程中的稳定性不同.当取最佳初始位姿时,四足机器人的机身偏转量最小,稳定性最好.由此证明,通过调整支撑足的初始状态可以有效提高四足机器人在采用对角步态行走过程中的稳定性.      

Dynamic stability of quadruped robot walking on slope with trot gait

The dynamic stability of a quadruped robot trotting on slope was analyzed.Compared with crawl gait, trot gait can improve walking speed of quadruped robots.When a quadruped robot trots, each leg is in the alternate state of swing phase or supporting phase, and two legs in the diagonal line are in the same phase.The feet in the supporting phase form a supporting region on the ground.When a quadruped robot walks on slope, the vertical distance from zero moment point ( ZMP) to the sup-porting diagonal line is defined as ZMP offset distance.Whether this distance is less than the maxi-mum offset distance or not, the stability of robot trotting on slope can be judged.The foot trajectory was planned with the sinusoidal function.Based on the kinematic analysis, the ZMP offset distance of quadruped robot under different slope angles, step length and step height was calculated, then the reasonable slope angle, step length and step height for quadruped robot trotting on slope to keep dy-namic stability can be determined.On the other hand, the posture angle of quadruped robot should be controlled within the desired range.Computer simulations were executed to verify the theoretical analysis.The study will provide reference for determining reasonable step parameters of the quadru-ped robot.     

基于虚拟支点倒立摆模型的双足机器人质心轨迹规划

针对传统的双足机器人在摆动相机械能起伏较大,其能耗远高于人类的步行模式的问题,提出了一种基于虚拟支点倒立摆被动特性的双足机器人步态规划方法,在保证摆动阶段机械能近似守恒的前提下,同时保证压力中心点能够从脚跟移动到前脚掌,与人类步行的地面反力特性接近;为解决倒立摆微分方程没有初等解的问题,提出用线性倒立摆方程估算摆动角度.数值仿真结果表明,该方法在与人接近的步行参数下获得的运动模式其效率远高于传统方法.     

基于强度Pareto进化算法的双足机器人步态规划

为了获得良好的双足机器人步行模式,提出了以步行过程中机器人的稳定性、移动性和能耗为目标的步态规划多目标优化方法.该方法基于倒立摆模型产生基本步态,并使用罚函数法和改进的强度Pareto进化算法(SPEA2)在可行域中求得基于基本步态的Pareto解集,从而找出最优解.最后在Matlab6.5仿真环境下进行步态仿真,并将...     

双足机器人稳定性控制的定性映射描述

双足步行机器人的自由度大,具有高度的灵活性以适应环境,这就给稳定性的研究与实现提出了很高的要求。当前,双足机器人的步频加快、步幅增大以及奔跑功能的实现急待理论突破的指导。运用定性映射数学表达,尝试对双足机器人进行更有效地实时控制以实现动态稳定,设计了一个实时调整动态参数的稳定性控制系统,以实现非线性逼近双足机器人期望零力矩点ZMP(zeromomentpoint)轨迹,从而保证了步态的可靠性和系统的抗干扰能力。相比其他的控制方法,此方法更简单、精确,也有利于编程的实现。     

仿人机器人站立到爬梯子转换动作的研究与实现

研究了由平地到竖直梯子变环境边界条件下，仿人机器人由站立到爬梯子的动作转换.为提高机器人上梯子过程的稳定性，机器人首先双手抓握住梯子横档作为辅助支撑，在机器人向梯子行走过程中，通过检测双手与梯子横档的接触力大小来调整仿人机器人身体重心相对于支撑脚的位置，从而保持身体的平衡.实验结果证明:该控制策略可有效避免因环境参数误差，外力干扰，以及机器人关节初始角度误差等引起的机器人跌倒问题，从而保证机器人由站立到爬梯子转换动作的顺利进行.     

用Zero Moment Point描述类人型机器人步行稳定的不完善性探讨

提出了用传统的Zero Moment Point(ZMP)点描述类人型机器人运动稳定性仅仅是其运动稳定的必要条件,而从受力平衡的角度考虑,其运动的充分条件必须满足踝关节扭矩的平衡,也就是满足摩擦圆半径的要求。     

基于自适应网络的动态双足机器人模糊控制

提出一种基于步态规划分级结构的自适应网络模糊推理系统控制策略,该方法不需要确定双足机器人运动学和动力学模型.以一种动态双足机器人为例,建立机器人的Sugeno模糊模型,对机器人系统的不确定上界进行自适应参数估计,采用自适应控制器逼近未知不确定界,解决了一类非线性系统的稳定控制问题.控制器的设计只要求不确定性满足匹配条件,而无需知道不确定界,能够处理不确定参数变化范围更广的情况,减少控制系统设计中的保守性.设计的分级控制系统可以学习试验的输入输出数据,从而在动态平衡下进行行走.同时,模糊控制器的进一步在线学习能力可以显著地改善步行机器人的动态性能.     

基于线性倒立摆模型的双足机器人步态规划

为解决多关节自由度双足机器人的步态规划问题, 提出了一种改进的三维线型倒立摆模型步态规划算 法。 该方法将双足机器人简化为三维线性倒立摆模型, 在得到机器人的质心参考轨迹的同时规划摆动腿的轨 迹, 通过机器人的运动学逆解即可求出各关节运动序列。 在对质心轨迹求解过程中, 与传统方法通过双脚支撑 阶段调整质心速度实现步态稳定的方法不同, 该算法通过求解支撑腿最优交替时刻的方法最大化单脚支撑阶 段的范围, 实现机器人的高效稳定行走。 以 NAO 机器人为实验对象, 对算法进行了仿真实验, 实验结果表明, 该算法是可行、 有效的。     

不平整地面上双足机器人的步态控制

提出了一种不平地面环境下双足机器人的步行控制算法.该算法由步态规划和传感器反馈控制系统组成.在步态规划中,采用被动倒立摆模型设计双足机器人的质心位置,所生成的步态使机器人能够在平地上更自然有效地稳定行走.在线反馈控制系统用于处理地面环境的凹凸不平以及来自外界的未知扰动,可分为上身姿态控制、期望ZMP控制以及非线性落地控制3个部分.这3种控制分别针对不同的控制目标,并根据步行过程的具体阶段在线修正预先规划好的步态,维持双足机器人的步行稳定性.它们在结构上相互耦合,从而实现加速在线反馈控制系统的收敛速度、克服机器人柔性对控制作用的负面影响等效果.双足机器人在凹凸地面的步行实验验证了所提出步行控制算法的有效性.     

双足机器人动态步行仿人智能控制

针对双足机器人动态步行中存在的控制器复杂问题,提出了一种基于仿人智能控制的动态步行运动控制器.建立了平面五杆双足机器人动力学模型,通过模仿人类步行运动并根据动态步行过程中双腿的姿态变化,将动态步行复杂任务分解为顺序执行的4个过程,结合相平面法定性定量的分析,设计了步行运动控制模态及相应阶段的动觉智能图式群.仿真实验表明,该方法实现了双足机器人连续动态步行运动,控制方式简单易实现.     

Humanoid Robot 3 -D Motion Simulation for Hardware Realization

In this paper, three dimensions kinematics andkinetics simulation arc discussed for hardware realization ofa physical biped walking-chair robot. The direct and inverseclose-form kinematics solution of the biped walking-chairis deduced. Several gaits are realized with thekinematics solution, including walking straight on levelfloor, going up stair, squatting down and standing up. ZeroMoment Point(ZMP) equation is analyzed considering themovement of the crew. The simulated biped walking-chairrobot is used for mechanical design, gaits development andvalidation before they are tested on real robot.     

基于两点式步行吸引盆计算的稳定性分析

为了研究两足步行过程中步态稳定性及步行能耗的问题,通过对人脚结构的分析提出了一种新型的步行模式--两点式步行模式,并建立了基于此模式的直腿无膝-倒立摆动力学模型.运用Poincare映射法,提出了一种数值算法,计算了该直腿无膝模型的不动点及吸引盆;研究了模型特性参数λ、步长对吸引盆特性及步行能耗的影响.系数λ增大会使吸...     

机器人步态算法仿真研究

以仿人机器人双足步行为研究重点,实现了线性倒立摆步行规划和正逆运动学算法。推导出机器人机械结构对线性倒立摆步行参数的约束条件,并采用遗传算法探索参数空间以得到可行、稳定、快速的步行模式。最后,在该仿真平台上验证了步态生成算法的有效性。