移动可伸缩三维倒立摆模型的双足机器人步态控制策略

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双足机器人平地行走步态规划的研究

1 引言
双足机器人以其优越的越障性和机动性被广泛地应用于各个领域[1]。而双足机器人研究的难点之一就是如何在行走过程中保持自身的稳定，以至于在动态行走过程中不会发生倾覆和跌倒 [2]。精确的步态规划直接决定着双足机器人稳定性和各方面的协调性。文献[3]对机器人的摆动腿踝关节和髋关节进行三次插值获得了轨迹，再以稳定裕度为目标得到最优步行参数；文献[4]将机器人行走质心近似为倒立摆模型，利用质心和摆动腿踝关节的轨迹求出各个关节角的轨迹；文献[5]在传统的三次样条插值方法基础上利用鱼群算法对髋关节中心到支撑腿踝坐标中心的距离值优化，以获得稳定裕度大的步态。
摘要：为了研究双足机器人平地行走过程中的步态规划问题，在二维倒立摆模型的基础上提出了周期、起步和止步三步规划法，并利用速度和位移约束实现了三个步行阶段的平稳过渡，利用倒立摆简化模型和五次样条多项式插值方法得到各个阶段质心和摆动腿踝关节的轨迹，再根据腿部关节转角简化模型利用几何法求得双足机器人的 10 个关节角运动轨迹；最后通过 ZMP 方程检验并在 Matlab 软件中仿真，验证步态规划的合理性并为机器人后续虚拟样机研制和仿真提供理论依据。关键词：双足机器人；平地行走；倒立摆；步态规划中图分类号：TH16 文献标识码：A 文章编号：员园园员-3997（圆园19）04-0230-05
2 双足机器人的设计
双足机器人的模型尺寸设计是步态规划的基础，合理的双足机器人机构设计直接关系到后续的步态规划的复杂程度和稳
来稿日期：2018-10-27 作者简介：徐历洪，（1991-），男，湖北武汉人，硕士研究生，主要研究方向：双足机器人步态规划；
邹光明，（1970-），男，湖北仙桃人，博士研究生，教授，主要研究方向：机器人、计算机辅助工程、概念设计

足式机器人SLIP模型向上跳跃台阶的运动控制

足式机器人SLIP模型向上跳跃台阶的运动控制
肖乐;伞红军;孙海杰;陈久朋
【期刊名称】《控制理论与应用》
【年(卷),期】2024(41)4
【摘要】由于存在地势起伏,台阶对足式机器人运动稳定性会带来较大挑战.弹簧负载倒立摆模型(SLIP)作为研究足式机器人的优良模板,能否完成向上跳跃台阶的动作与其腿部摆角,起跳位置和跳跃高度都有密切的关系.由于调整模型腿部摆角规律容易引发运动失效,故本文在算法中引入虚拟弹簧腿,根据虚拟弹簧腿的运行规律确定合理起跳位置,根据起跳位置来控制系统跳跃高度进而完成跳跃台阶的动作.最后利用仿真软件进行多组仿真,结果表明本文算法对起跳区间划分合理,对起跳高度控制精准,能够实现SLIP模型跳跃台阶前后的稳定运动.
【总页数】7页(P631-637)
【作者】肖乐;伞红军;孙海杰;陈久朋
【作者单位】昆明理工大学机电工程学院;云南省先进装备智能制造技术重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TP2
【相关文献】
1.足式机器人单腿跳跃仿真与实验
2.双足跳跃机器人的适应性 CPG 运动控制
3.基于SLIP模型的液压驱动单腿机器人竖直跳跃控制
4.基于神经网络的四足机器人SLIP模型运动控制
5.一种多模型融合的仿猎豹四足机器人复杂运动控制方法
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双足机器人步行原理

双足机器人步行原理
双足机器人步行原理基于仿生学和机器人控制理论，旨在模拟人类的步行运动。

它主要基于以下原理和控制策略：
1. 动态平衡控制：双足机器人在行走过程中需要保持动态平衡，这意味着机器人需要时刻根据自身的姿态、行走速度和地面情况来调整步态和控制力矩，以保持机体的稳定。

2. 步态规划：双足机器人的步态规划决定了每一步腿的运动轨迹和步频。

一般来说，机器人上半身的重心会向前倾斜，然后交替迈步。

步态规划需要考虑腿部的受力、身体姿态、地面摩擦力等多个因素。

3. 步态控制：基于步态规划，机器人需要实现对每一步的力矩控制和低级关节控制。

这意味着机器人需要根据颈部、腰部、髋部、膝关节和脚踝关节的传感器反馈信息来调整关节的输出力和控制策略。

4. 感知与反馈：双足机器人需要运用各种传感器来感知自身的状态和周围环境，例如倾斜传感器、压力传感器、陀螺仪等。

这些传感器的数据能够提供给控制系统供其根据需要调整步行姿势和控制力矩。

5. 动力学控制：双足机器人需要考虑自身的动力学特性，以及地面反作用力的影响。

动力学控制通过综合各种传感器信息和动力学模型来计算机器人每一步所需的力矩，以提供足够的力量来维持步行。

综上所述，双足机器人步行的原理涉及动态平衡控制、步态规划、步态控制、感知与反馈以及动力学控制等多个方面。

通过精确的控制策略和高度集成的感知系统，机器人能够模拟人类的步行运动，并具备稳定的步行能力。

学习人类控制策略的双足机器人步态控制研究

ｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，２０１４，５０（ｓ）：２３４－２３８．
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏｄｅａｌｗｉｔｈｔｈｅｄｙｎａｍｉｃａｌｌｙｗａｌｋｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｐｒｏｂｌｅｍｉｎｔｈｅｃｏｍｐｌｅｘｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓｆｏｒｂｉｐｅｄｒｏｂｏｔ，ａｍｅｔｈｏｄ
摘
要：针对双足机器人面临的复杂环境下动态行走的适应性难题，提出了一种基于学习人类控制策略的双足机器
人步态控制方法。利用三维线性倒立摆模型构造双足行走系统的状态方程，建立学习人类控制策略的参数化模型，设计了基于ＳＶＭ的学习型控制器。该方法保证了躯干始终处于与地面近似垂直，增强了步态控制的鲁棒性，提高
ＨＥＺｈｉ，ＴＡＮＪｉａｎｈａｏ
湖南大学电气与信息工程学院控制科学与工程系，长沙４１００８２
ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＣｏｎｔｒｏｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｕｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，
３Ｄｌｉｎｅａｒｉｎｖｅｒｔｅｄｐｅｎｄｕｌｕｍｉｓｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ．ＴｈｅｐａｒａｍｅｔｒｉｃｍｏｄｅｌｏｆｌｅａｒｎｉｎｇＨＣＳｉｓｂｕｉｌｔ．ＡｌｅａｎｉｒｎｇｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｂａｓｅｄｏｎＳＶＭｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｍｅｔｈｏｄｇｕａｒａｎｔｅｅｓｔｈａｔｔｏｒｓｏｉｓａｌｗａｙｓｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒｔｏｔｈｅｇｒｏｕｎｄ．Ｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓｏｆｔｈｅｇａｉｔｃｏｎｔｒｏｌｉｓｅｎｈａｎｃｅｄ．Ｔｈｅｄｙｎａｍｉｃａｌｌｙｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｂｉｐｅｄｗａｌｋｉｎｇｉｓｉｍｐｒｏｖｅｄｉｎｃｏｍｐｌｅｘｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｔｈｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓｏｆｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｍｅｔｈｏｄｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂｉｐｅｄｒｏｂｏｔ；ｇａｉｔｃｏｎｔｒｏｌ；ｓｕｐｐｏｔｒｖｅｃｔｏｒｍａｃｈｉｎｅ；ｈｕｍａｎｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙ

基于三维线性倒立摆的双足机器人步态规划

基于三维线性倒立摆的双足机器人步态规划李龙澍;王唯翔;王凡【摘要】Gait control strategies are an important factor affecting the walking stabiliti of bipedal robots.Offered a kind of gait planning algorithm of biped robot based on 3D linear inverted pendulun.Firstly,simplify the original 3D inverted pendulum model and suppose the location of the ZMP for the starting state of walking cycle.Secondly the function between centroid and time derived from equations of motion.Then simplify gait planning of biped robot to each walking cycle and get the relevant parameters of the functions through initial conditions for eachcycle.Finally ,extend this method to the direction of the gaitplanning.Experimental results demonstrate the feasibility and effectiveness of the approach.%双足机器人的步态控制策略是保证双足稳定行走的重要条件之一.提出一种基于三维线性倒立摆模型的双足机器人步态规划的算法.首先简化了三维倒立摆模型,并且假设了步行周期起始状态的ZMP位置,然后通过运动方程推导出含参数的质心与时间的函数,再将机器人的步态规划简化到每个步行周期,通过每个周期的初始条件获得函数的相关参数,最后将此方法推广到带转向的步态规划中,并应用于实际Robocup3D比赛中.实验结果表明该方法具有可行性和有效性.【期刊名称】《计算机技术与发展》【年(卷),期】2011(021)006【总页数】4页(P66-69)【关键词】双足机器人;步态规划;三维线性倒立摆;Robocup3D【作者】李龙澍;王唯翔;王凡【作者单位】安徽大学计算智能与信号处理教育部重点实验室,安徽合肥230039;安徽大学计算智能与信号处理教育部重点实验室,安徽合肥230039;合肥师范学院计算机科学与技术系,安徽合肥230601【正文语种】中文【中图分类】TP390 引言机器人技术是一门新兴的综合学科,它是计算机技术、电子、机械、自动控制、人工智能等多个领域新技术的综合应用,代表了机电一体化的最新成就,是目前科技发展最活跃的领域之一。

双足机器人步态规划及其应用研究

本文以髋关节的X方向轨迹为函数变量对其余各关节轨迹进行相应表述,并根据ZMP的稳定性约束条件、行走过程中的速度约束条件采用粒子群(Particle Swarm Optimization,PSO)算法对相关参数进行了优化。根据优化前后的ZMP数据对比,发现其稳定裕提高了,步行稳定性增强了,充分证明了该优化方法的有效性。
因此,研究双足机器人的步态规划和应用具有重要的现实意义。双足机器人的运动学研究,即各关节角变量与其各运动连杆之间的联系,主要包含基础,在此基础之上,通过机器人的逆运动学实例推导出各关节的求解过程,并介绍了双足机器人步行稳定性的中常用的判定依据,即零力矩点(Zero Moment Point,ZMP)。不论是单脚支撑阶段还是双脚支撑阶段只有当ZMP落在支撑脚的稳定区域,双足机器人才不会发生翻倒情况。
另一方面根据前文介绍的三维线性倒立摆步态规划和PSO优化算法并结合DARwin-OP2的相关参数实现了DARwin-OP2机器人的稳定步行,充分证明了三维线性倒立摆步态规划的可行性。
双足机器人步态规划及其应用研究
双足机器人具有很好的机动性与环境适应能力。然而,双足机器人的步行系统是一个内在的不稳定系统,该步行系统动力学特性非常复杂,包含多个变量,存在强耦合、非线性和变结构等特点, 也因此一直是机器人领域研究的热点和难点之一。
又由于双足机器人的研究涉及到机械力学、自动化学、计算机学、电子信息学、人工智能、材料学等众多领域。所以,双足机器人的整体研究水平不仅反映了一个国家自动化与智能化的发展状况,而且还代表着一个国家的综合科技实力。
双足机器人的步态规划研究,即通过特定的方法得出机器人各关节角度轨迹随着时间变化而呈现规律性。本文采用三维线性倒立摆的方法从前向和侧向两个维度规划处其质心的运动轨迹,再利用质心与各关节运动约束条件从而求得各个关节的角度,进而实现双足机器人的步态规划。

三维线性倒立摆模型在双足机器人系统中的应用

计算机系统应用
ｈｔ：ｗｗ．Ｓ．ｇｃｔＮｗｃ－ｏ．ｐ —ａｒｎ
２１０双足机器人系统中的应用①
陈华，刘国栋
（江南大学物联网工程学院，无锡２４２）１１２
摘
成【：】
ＸＸ
ｌ：墨
ｊｚ（）１０
图５机器人的行走轨迹示意图
Ｉ：墨
１０应用技术Ａｐｉｅｈｉｕ８ｐｌｄＴｃｎｑｅｅ
在实际的步行中，机器人从单腿着地到单腿提起的支撑时间给定，步行的步长和步宽也给定。如图所
ｎｌｏｅｃｊｉｒｂｔａｂｔｉｄＴｅ，ｈｓｌＣｌｅｒｅｈｅｎｅｃｊｉｒｂｔａｇｅｆａｈｏｔｆｏｏＣｅｂａｅ．ｈｎｔｅｅｇｅｌｅｓｄｔｄｉｅｖｍｅｔｆａｈｏｔｆｏｏ．ｎｏｎｏｎｎａｓａｕｂｏｖｔｍｏｏｎｏ
其中厶、ｌＬ分、２别表示髋关节到质心、大腿、
和小腿的长度；Ｌ表示踝关节的高度，表示机器人３
各连杆的质量；（Ｘ，ｚ）为各个关节（即连杆质心）的坐标，ｉ１７１０为各个关节的转角。＝～；０～７
ｌ４ｓｏ＋Ｏ＋
＋ｙ）ｓｔ￣ｇ（ｃｈ／／）Ｏｏ（ｘ
３双腿行走模型．２
（）１２
在单腿支撑的终止时刻，只要将另一只脚摆到合
理的位置，质心就有了新的支撑点。以该新支撑点为坐标原点０，前一个支撑点的终止状态为初始状态，

双足机器人控制技术

雙足機器人控制技術臺灣科技大學施慶隆一、簡介雙足機器人或廣義的人形機器人的種類大致上可分為如真人般大小的人形機器人（human-size humanoid robot）以及小型的人形機器人（small-size humanoid robot）兩大類。

如真人般大小的人形機器人通常具有二十多個致動器，身高介於120與180cm之間，體重大約50Kg左右。

其致動器大多數是由直流或交流伺服馬達、編碼器、諧波減速機（100:1）以及皮帶輪（1~5:1）所組成。

著名的範例有Honda ASIMO、日本HRP及HRP-2、早稻田大學WABIAN II、東京大學H6及UT-Theta、德國Jonnie、法國BIP、韓國KHR…等等。

如真人般大小的人形機器人的開發成本十分昂貴，其最終的設計目標與用途不外乎作為人類的忠實僕人，取代人類從事單調、危險、耗體能以及冒險等工作。

相對的，小型的人形機器人的開發成本相對低廉，其目標與用途為娛樂玩具市場與學校教育訓練。

小型的人形機器人的身高通常低於50cm、重量少於3Kg，其致動器大都選用輸出力矩為10~20 kg-cm的伺服機（RC servo）。

目前知名的小型人形機器人產品有SONY SDR-3x及QRIO、ZMP公司 NUVO及PINO…等等。

本文之目的為介紹如人一般大小之二足機器人的控制技術與原理。

二足步行機器人的平衡與步行控制為發展可如人類自由行走之人形機器人的先決條件。

二足步行機器人為多自由度機構複雜非線性而且大多屬於欠缺致動器的控制系統，而且一個步行週期存在多個不同動態模式以及需與環境進行碰撞接觸。

二足步行機器人步行時之動態過程為單腳支撐期（single-support phase）及雙腳支撐期（double-support phase）交替互換之混合式動態系統（hybrid dynamic system）。

單腳支撐期時一腳為支撐腳而另一腳則擺動前進至著地；然後進入雙腳支撐期。

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关键词：足机器人；双三维倒立摆模型；态控制策略步
中图分类号：Ｐ９文献标识码：文章编号：６３８（０００－０００Ｔ３Ａ１７４７５２１）１０３－５
Ａａｔｃｎｒｌｓｒｔｇｆｂｐｄｒｂｔａｅｎｇｉｏｔｏｔａｅｙｏｉｅｏｏｓｂｓｄｏ
ｌｚｄ．ＺｓｄｅｎｄａａｔｖｒａｌｙｅＭＰｗａｆｅｓａｆｓａｉｂｅ，ａｄＣｏａｌｗａｉｂｅｉｎＧｓａｓｏｖｒａｌ．Ｗｉｈｔｅｅｐｅｏｄｔｎ，ａｓｒｔｇｏｔｈｓｒｃｎｉｏｓｔａｅｙｆｒｉｃｎｒｌｎｐｄｌｒｂｔｃｇｉｃｕｄｂｍｐｅｎｅ．ＩｗａｈｅｉｌｔｄｕｉｇＭａａ／ＡＤＡＭＳｏｔｏｌｇｂｉｅａｏｏｉａｔｏｌｅｉｌｍｅｔｄｔｓｔｎｓｍｕａｅｓｎｈｌｂｉ．Ｔｈｉｌ — ｅｓｍｕａ
Ａｂｓｒｃ：ｉｃｎｒｌｓｒｔｇｅｒｎｉｔａｔＧａｔｏｔｏｔａｅｉｓａｅａｍｐｏｔｎａｔｒａｆｃｉｇｔｅｗａｋｎｔｂｌｙｏｉｅａｏｏｓｒａｔｆｃｏｆｅｔｎｈｌｉｇｓａｉｉｆｂｐｄｌｒｂｔ．Ａｆｒａａｙｔｔｎｌ— ｅ
南京２０１）１０６
摘
要：足机器人的步态控制策略是保证双足稳定行走的重要条件之一．合人在行走时ＺＰ平稳移动的特性，双结Ｍ
建立了一种移动可伸缩三维倒立摆模型；在约束平面内分析ＺＭＰ与ＣＧ的运动关系，ＺＯ将ＭＰ和ＣＧ分别定为快变Ｏ
第５卷第１期
２１００年２月
智
能
系Байду номын сангаас
统
学
报
Ｖｏ． № ．１１５
ＣＡＡＩＴｒｎａｔｏｓｏｎｅｌｅｔＳｓｅａｓｃｉｎｎＩｔｌｉｎｙｔｍｓｇ
Ｆｂ．ｅ２０１０
ｄｉ１．９９ｊｉｎ１７４７５２１．１０５ｏ：０３６／．ｓ．６３８．０００，０ｓ
ｔｅ３Ｄｎｅｔｄｐｎｕｕｍｏｅｈ一ｉｖｒｅｅｄｌｍｄｌ
ＷＡＮＬ — ｕｎ，Ｌｎ — ａＧｉａＩＨｅｇｎｎ，ＹＵＺｉｗｉｑｈ— ｅ，ＨＡＮＪｎｈａｉ．ｕ
（．ｏｌｅｏｅｈｎｃｌｎｌｔｃｌｎｉｅｉ，ａｂｎＥｇｅｒｇＵｉｒｔ，Ｈｒｉ１００，Ｃｉ；．ｎｔｕｅｏｉ— — １ＣｌｇｆｃａｉｄＥｅｒａＥｇｅｒｇＨｒｉｎｉｅｉｎｅｓｙａｂｎ５０１ｈｎ２ＩｓｔｔｆｏｉｅＭａａｃｉｎｎｎｎｖｉａｉＢｎ
ｚｇｔｔｂｅｍｔｎｏｚｒｍｍｎｐｉｔＺ）ｗｄｌｄｔｅｍｔｎａｃｌｌ３Ｄｉｅｅｅｄｌｍｉｅｓｌｏｏｆｅｏｅｔｏ（ＭＰ，ｅｍｏｅｏｉｓｓａａｅ一ｖｒｄｐｎｕｕ．ｎｈａｉｏｎｅｈｏａｂｎｔＴｅｒｌｉｓｉｅｅｎｍｔｎｏｅＺｎｈｅｔｒｆｒｖｙ（ｏｈｅｔｎｈｐｂｔｅｏｉｆｔＭＰａｄｔｅｃｎｅａｉＣＧ）ｉｔｅｃｎｔｉｅｌｅｗｓａａａｏｗｏｈｏｇｔｎｈｏｓａｄｐａａｎ— ｒｎｎ
因子和慢变因子，出了移动可伸缩三维倒立摆模型的双足机器人步态控制策略；后通过ＭｔｂＡＡ进行了提最ａｌ／ＤＭＳａ
步态控制仿真研究．仿真结果表明双足机器人可以稳定地行走，验证了该步态控制策略的可行性．
ｓｉｄＳｒｃｒｎｕａｅＥｇｅｒｇＮｎｉｇＵｉｒｔｏｅｏａｔｓａｄＡｔｎｕｉ，ａｊｇ２０１，ｈｎ）ｐｒｔｔｅａｄＳｒｃｎｉｅｉ，ａｊｎｖｓｙｆｒｎｕｉｎｓｏａｔｓＮｎｎ１０６ＣｉｅｕｕｆｎｎｎｅｉＡｃｒｃｉａ
ｔｎｒｓｌｓｉｄｉａｅｈｔｔｉｏｔｏｔａｅｙａｌｗｓｔｅｂｐｄｌｒｂｔｔｌｔｏｄｓａｌｔｉｅｕｔｎｃｔｄｔａｈｓｃｎｒｌｓｒｔｇｌｏｈｉｅａｏｏｏｗａｋｗｉｇｏｔｂｉｙ，ｔｕｅｉｉｇｔｅｏｈｉｈｓｖｒｆｎｈｙｆａｉｉｉｆｔｅｇｉｃｎｒｌｓｒｔｇ．ｅｓｂｌｔｏｈａｔｏｔｏｔａｅｙｙ
移动可伸缩三维倒立摆模型的双足机器人步态控制策略
王立权李恒楠俞志伟韩金华，，，
（．尔滨工程大学机电工程学院，１哈黑龙江哈尔滨１００；．５０１２南京航空航天大学仿生结构与材料防护研究所，江苏