A Measure System of Zero Moment Point Using Wearable Inertial Sensors

Keeping balance is the premise of human walking. ZMP(zero moment point) is a point where total torque achieves balance. It is an important evaluation parameter of balance ability in walking, since it can be used to better reflect the dynamic balance during walking. ZMP can be used in many applications, such as medical rehabilitation, disease diagnosis, treatment and etc. In this paper, wearable inertial sensors system based on MEMS is used to measure ZMP(zero moment point) during walking, which is cheap, convenient, and free from the restriction of lab. Our wearable ZMP measurement system consists of inertial measurement subsystem and PC real-time monitoring station. Inertial measurement subsystem includes 9-axis inertial sensing nodes, the body communication network and the central node. Inertial sensing nodes are mounted on different parts of the body to collect body posture information in real-time, and then the best estimation of current posture are obtained by Kalman filter. The data from sensors is aggregated to the central node through the CAN bus, and then ZMP is calculated. Finally, it can be showed in the PC monitoring station. Experiments prove the system can achieve real-time ZMP detection during walking.

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.

一种基于反作用力的仿人机器人ZMP建模与测量

“零力矩点”是判定仿人机器人动态稳定运动的重要指标。本文根据零力矩点的概念,利用机器人车体的几何及动力学关系,建立基于反作用力的正交轮式移动仿人机器人的零力矩点模型;提出了基于电流传感器、电机编码器等传感器的零力矩点的实时测量方法,并给出了该方法的结构框图。由于轮式移动仿人机器人与地面呈点式接触,难于安装力传感器,所以这种方法尤其适用于轮式移动仿人机器人。

基于ZMP点的两足机器人步态优化

采用身高、速度和步长等六个参数描述两足机器人动态步行 ,并进行了定量分析 ;然后利用面向对象思想完成牛顿 -欧拉算法的计算机实现 ,进而求出机器人动态行走时的 ZMP点 ;最后 ,以 ZMP点为目标函数用遗传算法对步态进行了优化 ,其结果证明算法的有效性。

轮式仿人机器人的ZMP建模及动态稳定判据

介绍了ZMP的概念,比较常见的几种ZMP建模方法,提出将高效牛顿-欧拉算法(RENA)与ZMP的概念相结合的迭代ZMP建模方法,并利用该方法完成轮式仿人机器人的ZMP建模.通过模型分析,得出该轮式仿人机器人的ZMP简化计算公式.最后得出此类轮式仿人机器人的稳定性判据及稳定度的定义.

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。

基于ZMP的双足机器人稳定性分析

引入双足机器人研究中一个重要物理量——零力矩点ZMP(Zero Moment Point),研究其计算和测量方法,利用其分析双足机器人在单腿和双腿支撑时的作用范围,最后在二维和三维平面内对机器人的ZMP计算进行探讨,为稳定步态的设计做了理论铺垫.

一种双足机器人变结构控制的ZMP补偿优化方法

针对双足机器人系统,设计了一种变结构轨迹跟踪控制器。基于双足机器人系统ZMP(zeromoment point)方程和实际ZMP信息,提出一种ZMP补偿优化方法,通过在线实时调整机器人躯体重心竖直方向上的位置来补偿回复稳定姿态所必需的力矩,最终产生修正的ZMP轨迹。12自由度的双足机器人动力学仿真验证了所提出优化方法的鲁棒性和适用性,而且机器人能在一定范围外力的干扰下回复稳定姿态步行。

负载高位抖动/晃动工况下叉车动态纵向稳定性分析

考虑门架变形、轮胎刚度阻尼以及车体惯性质量等参数的影响,搭建了基于VL motion的纵向动力学模型,结合门架液压系统模型建立基于AMESim与VL motion的联合仿真分析平台,辨识负载高位抖动/晃动工况中惯性力矩的时变特征,根据零力矩点理论(Zero Moment Point,ZMP)分析了叉车纵向堆垛的稳定条件。针对叉车纵向堆垛过程中由于液压系统冲击引起的失稳问题,设计了一种组合式液压缓冲装置。仿真结果表明,由于组合式液压缓冲装置的节流与吸能作用,减轻了负载运动状态变化所引起的液压系统冲击问题,提高了叉车纵向堆垛稳定性。

两足机器人步行运动参数对单足支撑期ZMP点影响的研究

在两足步行机器人的研究中 ,一般将零力矩点 (ZMP点 )的位置与支撑范围的关系作为判别其步行稳定性的依据。提出一种通用的方法 ,来分析两足机器人的步行运动参数对ZMP点位置的影响 ,并通过对机器人单足支撑期运动的计算机仿真 ,试图得到步行运动参数的变化对稳定性影响的规律 ,以期对机器人动态步行的稳定性设计提供实用的参考。

基于过程ZMP的双足步行机器椅步态规划

解决了多关节双足步行机器椅行走步态过程稳定性评价与其开环多连杆执行机构的多变量泛函问题。从构造多关节双足步行机器椅行走姿态和过程ZMP(ZeroMom ent Point,零力矩点)评价考虑,提出了基于优化方法的多关节双足步行机器椅行走步态的离散化模型和方法,实现了基于过程稳定性评价的双足步行机器椅的开环多连杆执行机构行走步态的合理规划。文中提出的离散化模型对求解开环连杆机构的多变量泛函规划问题具有重要的参考价值。

基于ZMP判据的仿人机器人步态模仿

仿人机器人行走稳定性研究是机器人领域一大研究热点,目前主要依据动力学模型规划稳定步态,但依靠步态规划形成的运动模式往往需要复杂的运算,并且机器人的运动形式单一.为实现机器人多样化步态的生成,在模仿学习的框架下对机器人的步态模仿问题展开研究,利用人体行走信息作为示教数据,实现仿人机器人对人体行走过程的模仿学习,在简化运动规划的同时使机器人的运动步态更具多样化与拟人化.为满足机器人在步态模仿过程中的稳定性,基于零力矩点(zero moment point,ZMP)判据补偿质心偏移,利用滞回曲线确定行走过程中支撑脚的切换以实现稳定性控制.基于NAO机器人的模仿学习系统仿真研究结果表明:ZMP判据的引入有效地保证了机器人对人体示教步态模仿的稳定性,基于滞回曲线的支撑脚选取保证了支撑脚切换的平稳.

基于ZMP的腿式缓冲平台着陆稳定性分析

为研究腿式缓冲平台着陆的稳定性,结合胶泥阻尼器特点,建立腿式缓冲平台动力学模型。以判别动态稳定性的零力矩点(zero moment point,ZMP)理论为基础,得到腿式缓冲平台ZMP坐标公式,并提出ZMP-四边形和ZMP偏移量稳定性判据。结果表明:该判据能够判定平台的着陆稳定性,并得到影响平台稳定性的各参数响应规律,为腿式缓冲平台的进一步优化设计提供参考。

基于ZMP的四足仿生机器人反应式行为控制策略研究

针对四足机器人面向广域地形克服山地、砂石等障碍过程中会发生受力扰动造成失稳的问题,设计了一种基于零力矩点(Zero Moment Point,ZMP)稳定性判据的反应式行为控制策略.该控制策略采用基于非线性干扰观测器的滑模角度跟踪控制策略控制关节角,实现负载突变下四足机器人的机身姿态智能自适应稳定控制.Matlab和Adams仿真分析结果表明,该控制策略能够有效地提高四足仿生机器人对动态复杂地形及外界扰动的智能自适应能力.

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.

基于零力矩点滑模预测控制的电动前移式叉车稳定性研究

考虑了在电动前移式叉车装载货物转向行驶的情况下,其门架受载变形和货物升降共同引起叉车合成质心位置的变化,进而结合叉车合成质心变化模型和叉车三自由度模型建立了叉车动力学模型。针对叉车合成质心位置变化导致其转向稳定性不足的问题,根据零力矩点(Zero Moment Point,ZMP)理论分析了叉车行驶的稳定条件并得到了侧倾指标来判断车辆的稳定性。通过理想跟踪模型得到理想的叉车横摆角速度、质心侧偏角、车身侧倾角和侧倾角速度,以理想值与由叉车动力学模型仿真得到的实际值的差值为输入,设计了一种基于零力矩点的滑模预测控制(Sliding Mode Predictive Control,SMPC)算法,以调节叉车后轮转角的大小。仿真研究表明,在阶跃工况和双移线工况下,当货物升降速度不同时,与滑模控制(Sliding Mode Control,SMC)和无控制相比,基于ZMP滑模预测控制实现了对理想叉车横摆角速度和质心侧偏角的实时快速跟踪,提高了叉车的稳定性。

主动悬架多目标切换控制策略研究

为了改善车辆在行驶过程中产生的垂向、俯仰以及侧倾运动的影响,提出了一种主动悬架多目标切换控制策略。以扩展零力矩点理论为基础,建立车辆在复杂地形下的俯仰和侧倾评价指标;在ADAMS/Car环境下建立整车模型,并基于随机路面进行实车试验,验证模型准确性;根据图形化评价指标及方向盘转角值作为状态切换的逻辑判断条件,在MATLAB/Stateflow上建立多目标切换控制策略,以此控制策略为基础建立多目标切换模糊PID控制器;选取某型号直线电机作为主动悬架的力源,通过ADAMS/Car和MATLAB/Simulink分别进行了C级路面匀速行驶、双移线和加减速上下坡3种不同工况下的联合仿真。仿真结果表明:所提主动悬架多目标切换控制策略有效的降低了车辆垂向、俯仰以及侧倾运动的发生,从整体上提升了车辆的乘坐舒适性与行驶安全性。

基于非零应矩理论的钢筋混凝土梁下挠分析

文章基于非零应矩理论对弯曲梁的下挠变形进行分析,建立了挠度微分方程,并与应力理论下的挠曲线微分方程进行对比分析,得出非零应矩理论计算的抵抗弯矩为经典材料力学理论的抵抗弯矩0.77~0.83倍;在外界荷载作用下,非零应矩理论挠度较应力理论的计算挠度大1.20~1.30倍,给出了应力理论挠度与实际挠度的存在挠度长期效应系数的解释。最后结合连续刚构桥下挠病害的特点,运用非零应矩变形分析其主要影响因素。

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.

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。