类圆规双足被动行走模型及其稳定性

研究一种两杆三质点类圆规双足被动行走模型,在行走模型上增加支撑脚横向和纵向两个自由度,以该模型为研究对象,求解被动动态行走步态,并分析其局部和全局稳定性.结果表明当模型的雅克比矩阵最大特征值在单位圆内且初始状态在吸引域内时,行走步态稳定.为理解双足行走的运动机理提供指导,同时也为设计稳定、高效的双足机器人提供分析思路.     

基于时序分析的四足机器人对称步态变换

提出了一种四足机器人一般步态的时序分析方法．该方法使用8个参数描述一般步态：步态周期、前双腿落地之间的滞后时间、后双腿落地之间的滞后时间、同侧双腿之间的滞后时间以及各条腿的负荷系数．运用该方法分析了常用对称步态,经过归一化处理后得到了一个跨步周期中各腿着地和抬起的时间序列．证明了匀速情况下具有等负荷系数的两种对称步态之间只需要一个步态周期就能够完成步态变换,从而得到变换步态中各腿着地和抬起的时间序列．计算实例表明了该方法适用于分析对称步态变换．     

Tyrannosaurus was not a fast runner

The fastest gait and speed of the largest theropod (carnivorous) dinosaurs, such as Tyrannosaurus, is controversial. Some studies contend that Tyrannosaurus was limited to walking, or at best an 11 m s(-1) top speed, whereas others argue for at least 20 m s(-1) running speeds. We demonstrate a method of gauging running ability by estimating the minimum mass of extensor (supportive) muscle needed for fast running. The model's predictions are validated for living alligators and chickens. Applying the method to small dinosaurs corroborates other studies by showing that they could have been competent runners. However, models show that in order to run quickly, an adult Tyrannosaurus would have needed an unreasonably large mass of extensor muscle, even with generous assumptions. Therefore, it is doubtful that Tyrannosaurus and other huge dinosaurs (approximately 6,000 kg) were capable runners or could reach high speeds.     

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...     

奔跑四足机器人腿结构设计与分析

针对四足机器人奔跑运动对腿结构高缓冲性能的要求,基于动物狗前腿的骨骼-肌肉生物力学特性,设计了一种奔跑四足机器人的腿结构.该腿结构有3个关节,具有3个自由度,髋关节、膝关节具有主动的俯仰自由度,踝关节具有被动的俯仰自由度.对该腿结构进行了动力学分析和刚度特性分析,并对机器人进行了bound步态的仿真.仿真结果表明,该腿结构能够实现四足机器人快速、稳定地奔跑,关节驱动力矩较小,验证了该腿结构实现四足机器人bound步态奔跑的可行性和合理性.     

一种基于卷积神经网络的下肢动作模式识别方法

针对目前下肢动作模式识别技术存在的数据量少、识别率低的问题,提出了一种新的基于卷积神经网络的下肢动作模式识别方法。以下肢步态动作识别为对象,采集无负重平地行走,无负重上/下楼及负重上/下楼5种步态的表面肌电信号（surface electromyography,sEMG）,对sEMG进行特征提取,构建了一种以特征集作为输入的卷积神经网络,并比较了其与另外几种传统分类识别方法的识别准确率和工作特征。实验结果表明,新方法对于5种步态的平均识别准确率大于95%,错误率都低于8%,具有较高的准确性。因此所提方法的输入特征集更能代表预测模型特征,模式识别率更高,可为康复医疗机器人、助力机器人等设备改善下肢运动功能提供参考。     

有躯干双足机器人被动行走及其稳定器

采用Matlab仿真的方式构建了一个简单的有躯干双足机器人模型,研究了该模型在斜坡上的被动行走,分析了模型步行的稳定性,并设计了一个全状态线性反馈步行稳定器.研究结果表明:无任何驱动器的有躯干双足机器人能够实现沿斜坡而下的被动行走,其步行方式有两种,但均不稳定;设计的全状态反馈稳定器能够较好地稳定模型的被动行走.     

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...     

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 .     

Symmetry in locomotor central pattern generators and animal gaits.

Animal locomotion is controlled, in part, by a central pattern generator (CPG), which is an intraspinal network of neurons capable of generating a rhythmic output. The spatio-temporal symmetries of the quadrupedal gaits walk, trot and pace lead to plausible assumptions about the symmetries of locomotor CPGs. These assumptions imply that the CPG of a quadruped should consist of eight nominally identical subcircuits, arranged in an essentially unique matter. Here we apply analogous arguments to myriapod CPGs. Analyses based on symmetry applied to these networks lead to testable predictions, including a distinction between primary and secondary gaits, the existence of a new primary gait called 'jump', and the occurrence of half-integer wave numbers in myriapod gaits. For bipeds, our analysis also predicts two gaits with the out-of-phase symmetry of the walk and two gaits with the in-phase symmetry of the hop. We present data that support each of these predictions. This work suggests that symmetry can be used to infer a plausible class of CPG network architectures from observed patterns of animal gaits.     

仿猎豹四足机器人结构设计与分析

为满足四足机器人高速奔跑运动性能所要求的脊椎具有柔性和腿结构具有良好的缓冲性能要求,在仿猎豹四足机器人上设计了一种液压驱动的柔性脊椎和腿结构.该脊椎是变截面梁,中间有柔性.该腿结构有髋关节和膝关节,有3个自由度,髋关节有2个主动自由度,即侧摆自由度和俯仰自由度,膝关节具有被动的俯仰自由度.对该脊椎进行了力学分析,对该腿结构进行了刚度特性分析和运动学分析,并对机器人进行了Bound步态仿真.仿真结果表明,这种具有柔性脊椎和非线性刚度变化的腿结构的仿猎豹四足机器人,能够以Bound步态实现较快的稳定奔跑,且足端接触力较小,由此验证了柔性仿猎豹四足机器人脊椎和腿结构的设计是有效的.      

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     

四足步行机器人中一种新型腿结构缓冲特性

四足步行机器人在高速步行时,地面对其产生了很大的冲击,引入弹性步行机构是减少冲击的关键．将一种新型弹性步行机构应用于四足步行机器人中,分析其工作原理,并研究其控制电路．进而以Ｐａｃｉｎｇ步态为例,对弹性步行机构的缓冲和储能功能进行了理论探讨和实验分析,并在对刚性腿和弹性腿对比研究的基础上,指出将弹性步行机构应用于四足步行机器人具有独特的优越性．     

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.     

采用支持向量机评估老年人步态对称性的研究

采用支持向量机（SVM）评估老年人步态的对称性.将鉴别老年人下肢左、右两侧的步态模式相似性问题转化为二分类问题,通过识别老年人下肢左、右两侧的步态模式,确定其两侧步态模式相似性的差异,判断其步态的对称性.采集24名健康老年人下肢左、右两侧的步态数据,采用交叉验证方法评估SVM泛化能力,测试了多项式核、径向基核、线性核.结果表明,多项式核、径向基核的泛化能力优于线性核,基于多项式核的SVM识别左、右两侧老年人步态模式的分类正确率较高（88%）,可有效地提取步态模式的非线性信息.SVM有望成为评估老年人步态对称性的一个有效的工具,有助于及早预防老年人跌倒和老年性疾病发生,提高老年人生活质量.     

具有手脚融合功能的多足步行机器人结构设计

为了拓展多足步行机器人的应用,开发了具有手脚融合功能的模块化多足步行机器人.该机器人至少1支腿既可以行走又可以抓取物体,具有手脚融合功能.抓取物体时,利用3条腿支撑身体,具有手脚融合功能的腿作为能抓取物体的机械手,行走时该腿就执行脚的功能.机器人由机体模块、行走腿结构模块、手脚融合腿部结构模块、控制模块等组成.各模块之间方便联结与扩展.在物理样机上进行了相关试验,结果表明该机器人能够行走和抓取特定目标物,实现了手脚融合功能.     

考虑通道总能耗的城际列车运行速度优化研究

在考虑不同运输方式竞争关系的基础上,探讨了能力约束下的通道客流分配方法.以乘客出行总费用及通道运营总成本最小为目标,构建了城际列车运行速度非线性优化模型,并采用遗传算法对模型进行求解.算例结果表明,模型能够有效求解含限速区间的城际列车运行速度优化问题,且随限速区间运行速度的下降,非限速区间最优运行速度呈缓慢上升趋势;对于短距离通道而言,可开行较高运行速度的城际列车,以吸引客流;而对于中距离通道而言,可适度降低城际列车运行速度,减少运营能耗.     

Analysis of period doubling bifurcation and chaos mirror of biped passive dynamic robot gait

With a reasonable parameter configuration,the passive dynamic walking model has a stable,efficient,natural periodic gait,which depends only on gravity and inertia when walking down a slight slope.In fact,there is a delicate balance in the energy conversion in the stable periodic gait,making the gait adjustable by changing the model parameters.Poincaré mapping is combined with Newton-Raphson iteration to obtain the numerical solution of the final state of the passive dynamic walking model.In addition,a simulation on the walking gait of the model is performed by increasing the slope step by step,thereby fixing the model’s parameters synchronously.Then,the gait features obtained in the different slope stages are analyzed and discussed,the intrinsic laws are revealed in depth.The results indicate that the gait can present features of a single period,doubling period,the entrance of chaos,merging of sub-bands,and so on,because of the high sensitivity of the passive dynamic walking to the slope.From a global viewpoint,the gait becomes chaotic by way of period doubling bifurcation,with a self-similar Feigenbaum fractal structure in the process.At the entrance of chaos,the gait sequence comprises a Cantor set,and during the chaotic stage,sub-bands in the final-state diagram of the robot system present as a mirror of the period doubling bifurcation.     

基于Petri网模型控制的步行机器人的自由步态

为解决步行机器人在复杂环境下的运动问题 ,根据步行运动的特点 ,提出了单腿运动的 Petri网控制模型 ,又以5足步行机为例 ,建立了与其腿数相对应的多腿协调控制模型 ,并制定了相应的控制策略。在此基础上 ,重新提出了有关步行机器人自由步态的有关概念及其运动规划算法 ,定义了保持静稳定行走状态的运动条件和判断方法。最后对 5足步行机在平面不连续落足区内的跨沟运动进行了仿真。仿真结果表明 ,提出的运动控制模型和自由步态能够自动适应运动环境 ,实现离散地形下的步行运动     

The spring in the arch of the human foot

Large mammals, including humans, save much of the energy needed for running by means of elastic structures in their legs and feet. Kinetic and potential energy removed from the body in the first half of the stance phase is stored briefly as elastic strain energy and then returned in the second half by elastic recoil. Thus the animal runs in an analogous fashion to a rubber ball bouncing along. Among the elastic structures involved, the tendons of distal leg muscles have been shown to be important. Here we show that the elastic properties of the arch of the human foot are also important.