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.

基于模型预测控制的双足高效行走系统

提出基于模型预测的双足高效行走系统.首先,利用最优能效算法对双足行进中的最优步态进行分析,包括行进步长和步速,并以此生成参考轨迹;然后,通过模型预测控制的思路对机器人的最优能效步态进行跟踪控制;最后,结合机器人逆运动学构建高效稳定的双足行走系统.通过仿真实验验证了该系统可以有效跟踪、生成高效的行走步态,探寻了双足机器人动态行走的新思路.

基于三质点模型的仿人机器人节能步行

为了实现高能效的双足步行,提出基于三质点线性倒立摆模型(3MLIPM)的步态生成与优化策略。首先,定义表征单位能耗的步态周期(UEWC),利用三质点模型,对机器人进行运动学建模与步行能耗评估,建立机器人步行过程的能耗评价模型,分析各质量块的运动性质,提出基于质心(CoM)加速度优化的二次型步行能耗评价指标;其次,对3MLIPM进行动力学建模,将CoM运动分为稳定分量与不稳定分量,CoM最优轨迹求解转化为求解运动分量误差项,通过跟踪参考的零力矩点(ZMP)轨迹,利用无约束优化算法求解对应的能耗最低的CoM轨迹;最后,实现了步态的在线生成,并且为消除腿部质量摆动导致的躯干质心附加运动,通过二分搜索的修正算法,修正3MLIPM的步行参数输入(步长和步宽),进一步降低了双足步行的能量消耗。通过仿真和试验验证了算法的可行性和有效性。研究结果表明:提出的能耗评价指标能够表征三质点步行系统的真实能耗,并且能够用于指导最优CoM轨迹生成;利用双足稳定支撑域,可以优化参考ZMP轨迹以实现低能耗步行;通过修正三质点模型的名义步行参数输入,消除等效ZMP产生的附加运动,针对不同形式ZMP参考轨迹,修正后的三质点模型相比于传统单质点模型,可以有效降低步行能耗。

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.

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.

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。

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.

基于四足机器人稳定性的对角步态规划

四足机器人步态规划的合理性直接影响机器人的稳定性。文中结合虚拟腿、线性倒立摆和零力矩点原理,以占空比为0.5的对角步态为基础,在运动相过渡阶段加入10%周期的四足支撑过程。在支撑相时,用平滑的零力矩点轨迹推导出机器人质心轨迹,从而得到支撑相的足端轨迹;在摆动相时,结合椭圆与三次多项式规划了足端摆动相的轨迹,保证位置和速度的连续平滑性。通过动力学分析软件仿真分析,验证了新步态的合理性。

基于最优化线性搜索的稳定步态规划方法

提出一种基于最优化线性搜索的方法规划人形机器人的步态.通过对脚踝关节末端轨迹运动的规划和参考零力矩点(ZMP:zero moment point)轨迹的规划,将最优化泛函极值问题转换成为基于非线性约束最优化的问题,将连续空间多变量规划问题转换成为离散空间二维变量规划问题,提出了一套能够在线规划步态的控制算法.该算法的收敛性和稳定性在仿真和实物上都得到了验证.

双足机器人动态步态规划

针对目前仿人机器人动态步行在样机上实现较少的情况,将多项式插值方法运用于机器人踝关节轨迹规划,结合已知髋关节运动轨迹,利用几何约束的方法求取膝关节运动轨迹,得到完整步态周期内各关节运动规律,最终实现NAO机器人的动态步行。实验结果证实了基于多项式插值的几何约束规划方法是可行且有效的。

模糊CMAC网络的双足机器人跑步轨迹规划

为了研究双足机器人在单腿支撑阶段和飞行阶段质心轨迹和双足轨迹,采用模糊CMAC(fuzzy cerebellar model articulation controller,FCMAC)神经网络规划双足机器人跑步时质心和双足的方法。通过FCMAC神经网络学习生成跑步轨迹,仿真实验结果表明:双足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。

仿人机器人步行运动控制研究

针对仿人机器人多自由度的复杂机械连杆特征,详细分析了机器人运动构型以及步行规划约束、ZMP控制、奇异位姿控制、二维倒立摆等运动模型,提出单双腿交替运动序列并采用离线生成双足步行运动轨迹和在线调整的方法。实验验证了方法有效性。

BP神经网络在拟人机器人步态稳定性中的应用

步态稳定是拟人机器人行走研究中的重要课题。介绍了零力矩点与稳定行走的关系,并假设机器人脚底装有力传感器。采用BP神经网络建立拟人机器人步态稳定的模型,仿真结果表明该方法简单易行,能够提高机器人步态稳定的实时性。

基于运动发散分量的四足机器人步态规划

为了使四足机器人在出现较大的轨迹跟踪误差时仍然可以稳定运动,提出基于运动发散分量(DCM)的在线步态规划方法.将四足机器人抽象成三维线性倒立摆模型(LIPM),根据离线规划的落脚点,应用DCM方法论递推出保持DCM有界的参考轨迹;在满足步幅约束、零力矩点(ZMP)约束的条件下,步态规划运用宽松初始状态模型预测控制在线优化出可快速收敛到参考轨迹上的落脚点以及期望状态轨迹;全身运动控制器通过构建二次规划优化出满足运动约束、动力学约束、摩擦力约束等条件下跟踪期望状态轨迹的力矩.通过仿真验证以上算法,仿真结果表明:与经典模型预测控制相比,宽松初始状态模型预测控制可以承受较大的轨迹跟踪误差,四足机器人可以在出现较大的轨迹跟踪误差时以troting步态稳定运动并尽快收敛到离线规划的轨迹上.

类人足球机器人无侧摆动态步态规划研究

针对类人足球机器人提出了一种无侧摆的动态步态规划方法,从模型原理、数学描述、计算流程、求解方法等方面做了详细的阐述,并通过检验前向和侧向ZMP(零力矩点)位置证明机器人运动过程中无侧摆并保持了自身平衡。最后探讨了步态周期、步长、髋关节水平位置和竖直高度对于机器人行走稳定性的影响。

智能滑雪板训练指导系统的研究

为解决冰雪爱好者对滑雪教练的需求,设计出一种基于STM32为核心控制的智能滑雪教练系统.采用零力矩点判定平衡方法来评价用户实时的滑雪状态,决策生成相适应的滑雪指导.经过模拟实验表明,该系统可实现实时姿态采集、动态评价、预先决策,为使用者提供稳定可靠的滑雪指导.

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。

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.