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.     

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。     

双足行走机器人步态轨迹规划

 通过对双足机器人行走过程中一些特殊点进行采样分析,对比人类自身行走步态的观察测量值,采用三次多项式插值来计算出双足行走机器人在行走过程中的行走轨迹,按人体比例设定参数,计算得出了1条比较光滑平稳的行走轨迹,使得机器人的行走姿态更像人类的行走.通过模拟测试,结果表明了用三次多项式插值方法是1种规划双足机器人行走步态的较好方法,而且得出的轨迹插值函数比较平滑.     

基于粒子群优化算法的双足机器人步态优化

分析了髋关节位置对双足机器人步行稳定性判据零力矩点(ZMP)的影响,以ZMP稳定裕度为参数构造目标函数,利用粒子群优化算法(PSO)对基于3次样条插值方法规划的双足机器人步态进行优化,从而得到ZMP稳定裕度大的平滑步态.仿真实验表明:该方法规划的步态实现了双足机器人稳定、协调地行走.     

基于被动行走原理的双足机器人步态规划

为解决四连杆双足机器人的平面步态规划问题, 提出基于被动行走的平面步态规划。基于3毅向下坡面完全被动行走的动力学方程, 利用角度不变控制方法施加控制力矩, 得到机器人在水平面上的动力学模型。结合常数时间放缩方法对平面参考轨迹进行时间放缩, 得到机器人在水平面上步幅不变, 周期可变的行走步态。通过Matlab 软件数值仿真结果表明, 该研究方法是可行、有效的。     

小型双足机器人直行步态的并行规划策略研究

根据人体结构设计了小型舵机驱动双足机器人,采用D-H方法建立其位姿数学模型,利用5次多项式插值的方法规划出踝关节和髋关节的位置-时间函数,对髋关节踝关节轨迹进行代数解析得到每个关节的转角-时间函数.提出双足机器人直行步态并行规划策略,即将关节转角-时间函数分别导入ADAMS虚拟样机和实际物理样机,虚拟样机和物理样机同时测试规划的步态数据.通过实验验证,并行规划策略可以并行比较运动仿真直行步态和物理样机直线行走状态.     

基于LIPM的双足机器人变步长行走规划

为了提高双足机器人步行运动的灵活性,提出了一种基于线性倒立摆模型的双足步行规划算法.该算法首先根据所要达到的步长,获得支撑腿切换时质心的位置;然后,根据线性倒立摆模型的运动特性,计算出质心到达上述位置所需要的时间;最后,根据该时间对摆动脚用正弦曲线进行规划,使之能够在恰当的时刻到达所需的落脚点位置进行支撑脚的切换.该算法可使双足机器人在运动中变化步长,很好地提高其步行的灵活性.通过真实机器人的实验,验证了该方法的有效性和实用性.     

基于地面反力最优规划的双足机器人姿态控制

提出了一种基于地面反力最优规划的双足步行机器人上体姿态控制算法,以实现上体轨迹准确跟踪及为分级递阶控制结构中的地面反力／位混合控制提供参考输入。由于上体只安装了加速度器并未安装陀螺仪,文中采用线性观测器来重构沿偏转轴和俯仰轴的偏转速度,利用无源性理论控制器－观测器设计了保持上体姿态跟踪特性及系统为最终有界和局部指数稳定有界的地面反力期望值。     

一种基于CPG的两足机器人步态生成方法

提出一种基于中枢模式发生器(central pattern generator,CPG)的双足机器人步态生成方法.应用Matsuoka振荡器设计了CPG控制器,其输出控制踝关节角度,膝关节和髋关节角度通过轨迹规划得到.通过将CPG输出与"引导曲线"叠加,实现了机器人的连续稳定行走.该方法避免了CPG繁杂的参数优化过程,是CPG应用的一大进步.MATLAB仿真结果证明了所提方法的可行性.     

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.     

基于深度强化学习分层控制的双足机器人多模式步态系统研究

提出一种基于深度强化学习（DRL）分层控制的双足机器人多模式步态生成系统. 首先采用优势型演员-评论家框架作为高级控制策略,引入近端策略优化（PPO）算法、课程学习（CL）思想对策略进行优化,设计比例-微分（PD）控制器为低级控制器;然后定义机器人观测和动作空间进行策略参数化,并根据对称双足行走步态周期性的特点,设计步态周期奖励函数和步进函数;最后通过生成足迹序列,设计多模式任务场景,并在Mujoco仿真平台下验证方法的可行性. 结果表明,本方法能够有效提高双足机器人在复杂环境下行走的稳定性以及泛化性.     

基于虚拟样机的双足机器人步行联合仿真

为了提高双足机器人设计的效率与可靠性,利用机械系统动力学仿真软件ADAMS建立双足机器人的机械动力学模型,利用Matlab建立控制系统,通过ADAMS与Matlab的接口模块,实现了基于ADAMS与Matlab联合步行双足机器人仿真平台的建立.结果表明,仿真得出机器人在平地行走过程中各关节的力矩变化情况,获得了最高转速、有效转速、最大转矩、有效转矩等机器人运动的关键参数,为双足机器人物理样机的电机和减速器选型提供了理论依据.     

基于线性耦合振荡器模型的仿人机器人步态规划算法

在采用线性耦合振荡器模型的仿人机器人步态规划中,振荡器部分参数依靠手动调整难以获得能稳定行走的值,故提出了一种优化振荡器参数的算法以改善整个步态规划方法.将机器人的步行速度、行走过程中的质心振动幅度和ZMP(zero moment point)曲线的回绕率组合起来作为优化目标,定义并选定ZMP稳定裕度为约束条件,采用带约束的非线性优化方法作为求解工具,在部分参数固定的情况下,计算得到线性耦合振荡器部分参数的最优值.仿真结果表明,优化方法选择的参数能在保证较大ZMP稳定裕度的情况下实现机器人的快速步行.在DARwIn-OP仿人机器人开放平台上进行的步态规划实验结果表明,优化得到的线性耦合振荡器参数能保证仿人机器人以较大速度稳定行走.     

基于遗传算法的两足步行机器人步态优化

将具有２４ 个自由度的机器人ＪＦＨＲ简化为７ 连杆机构,建立了描述机器人姿态的位置向量．用三次多项式拟合机器人髋关节和踝关节的位置轨迹,并通过动力学模型建立能量消耗表达式,得到能量最优的步态,即多项式系数的获得就可以表示为一个多变量最小值的优化问题,最后应用遗传算法（Ｇｅｎｅｔｉｃ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ , ＧＡ）获得最优解．在ＧＡ设计中,将每一个需要优化的参数用１０位二进制数表示,种群中染色体的个数为５０,演化的代数固定为１００,杂交率和变异率分别定为０．８和０．０４．对平地步行和斜坡步行进行了仿真．     

基于帧描述及ZMP的双足机器人步态发生器

为了提高仿人双足机器人行走的稳定性及自主性,提出一种基于帧描述及位姿变换的双足步行机器人新型步态生成方法,该方法将一个行走周期细分为14帧,根据机器人的实际结构尺寸并利用几何约束进行步态规划及规划合成。然后根据ZMP(zero moment point)理论及位姿矩阵算法,对所得到的数学模型以及行走过程中的稳定性、智能性等进行了仿真研究。在此基础上完成了基于嵌入式系统的双足机器人系统平台,最后在平台上的实验及仿真结果验证了所提出规划方法的有效性。     

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...     

步态训练机器人控制系统仿真研究

步态训练机器人是一种可以模拟在不同路况下行走的机器人．针对控制系统能够适应不同路况的要求,设计了一种适应负载、速度变化的变参数PID控制器,并建立了控制系统模型．在MATLAB环境下,对控制系统进行了仿真分析．仿真结果表明,平地行走、上楼梯和下楼梯3种步态轨迹的跟踪曲线均具有良好的运行特性;控制器适应了速度、负载变化的影响,满足机器人对不同路况模拟的各项要求．该研究为步态训练机器人对不同路况的进一步模拟研究奠定了基础．     

双足机器人快速直线步行的一种步态规划

本文把双足步行机器人简化成五连杆平面模型,提出了用平稳步行和ZMP点的约束条件来解决冗余自由度问题的方法,在此基础上分析了上身躯参数对其初始摆动角和角速度的影响,最后用多项逼近的方法给出了动力学模型的近似解,实现了实时步态规划。     

无侧摆关节型两足步行机器人转弯步态规划方法的研究

首先介绍了无侧摆关节型两足步行机器人的平衡方法，然后对这类两足步行机器人转弯运动的步态规划进行了详细研究，建立了转弯过程中２只脚不发生干涉的条件以及为维持步行稳定性对重心的约束条件，最后通过对ＮＡＩＷＲ－１两足步行机器人的转弯运动进行计算机仿真，证实了本文所提出的转弯步态规划方法的正确性。     

上斜坡双足机器人行走的稳定性分析

为了研究上斜坡双足机器人行走周期步态稳定性,采用拉格朗日方法建立双足机器人行走脉冲混杂系统,构造庞加莱映射,再通过对映射不动点的分析得到机器人行走周期步态的存在性及稳定性条件。研究结果表明：在斜坡角为0.1 rad的条件下,当线性脉冲推力各项系数选取合适参数时,双足机器人上斜坡行走系统存在稳定的周期-1步态;当脉冲推力的常数项系数取值不同时,其对应产生不同类型的周期-1步态;当行走系统状态参数改变时,其产生不同运动状态的周期-1步态。