在这项工作中，我们介绍了一个非线性动力学观点，可以为腿部系统的充满活力保守的模型生成和连接步态。特别是，我们表明，保守步态的集合构成了步态空间中局部定义的1D子手机的连接空间。这些歧管是通过能级的无坐标参数化的。我们提出了通过使用数值延续方法，生成集合和分叉点来识别步态家族的算法。为此，我们还介绍了数值实现的几个详细信息。最重要的是，我们为德拉斯斯矩阵建立了必要条件，以在影响范围内保持能量。我们工作的一个重要应用是简单的腿部运动模型，通常能够以几个自由度和少量的物理参数来捕获腿部运动的复杂性。我们证明了框架在具有四个自由度的单足料斗中的功效。

如果机器人曾经实现与动物所展示的机器人相当的自动运动，则它们必须获得在损害，故障或环境条件下快速恢复运动行为的能力，从而损害了其有效移动的能力。我们提出了一种方法，该方法使我们的机器人和模拟机器人能够在几十次尝试中恢复自由运动行为的高度。我们的方法采用行为规范，以等级的差异约束来表达所需的行为。我们展示了如何通过编码模板来考虑这些约束，从而产生了将先前优化的行为推广到新情况下以快速学习的形式概括的秘诀。我们进一步说明，在数据驱动的上下文中，足够的限制通常很容易确定。作为例证，我们证明了我们在物理7 DOF六型六杆元机器人上的恢复方法，以及对6 DOF 2D运动机制的模拟。在这两种情况下，我们恢复了与先前优化的运动在功能上无法区分的行为。

在本文中，我们全能地提出了一种基于混合线性倒置的方法（H唇），用于合成和稳定3D足底双模行走，重点是彻底的硬件实现。提出了H-唇缘以捕获机器人行走的欠置和致动部分的基本组成部分。然后基于H唇直接合成机器人行走步态。我们全面地表征了H唇的周期性轨道，并通过其步骤 - 步骤（S2S）动力学可证明步骤稳定，然后用于近似于质量中心的水平状态的S2S动态（COM）机器人散步。近似设施基于H唇的步进控制器，提供所需的步长，以稳定机器人行走。通过实现所需的步骤尺寸，机器人实现了动态且稳定的行走。在欠扰动的BipeDal机器人Cassie的模拟和实验中完全评估了该方法，其展示了具有高通用和鲁棒性的动态行走行为。

Traditionally, robots are regarded as universal motion generation machines. They are designed mainly by kinematics considerations while the desired dynamics is imposed by strong actuators and high-rate control loops. As an alternative, one can first consider the robot's intrinsic dynamics and optimize it in accordance with the desired tasks. Therefore, one needs to better understand intrinsic, uncontrolled dynamics of robotic systems. In this paper we focus on periodic orbits, as fundamental dynamic properties with many practical applications. Algebraic topology and differential geometry provide some fundamental statements about existence of periodic orbits. As an example, we present periodic orbits of the simplest multi-body system: the double-pendulum in gravity. This simple system already displays a rich variety of periodic orbits. We classify these into three classes: toroidal orbits, disk orbits and nonlinear normal modes. Some of these we found by geometrical insights and some by numerical simulation and sampling.

在腿部机器人技术中，计划和执行敏捷的机动演习一直是一个长期的挑战。它需要实时得出运动计划和本地反馈政策，以处理动力学动量的非物质。为此，我们提出了一个混合预测控制器，该控制器考虑了机器人的致动界限和全身动力学。它将反馈政策与触觉信息相结合，以在本地预测未来的行动。由于采用可行性驱动的方法，它在几毫秒内收敛。我们的预测控制器使Anymal机器人能够在现实的场景中生成敏捷操作。关键要素是跟踪本地反馈策略，因为与全身控制相反，它们达到了所需的角动量。据我们所知，我们的预测控制器是第一个处理驱动限制，生成敏捷的机动操作以及执行低级扭矩控制的最佳反馈策略，而无需使用单独的全身控制器。

It is well known that conservative mechanical systems exhibit local oscillatory behaviours due to their elastic and gravitational potentials, which completely characterise these periodic motions together with the inertial properties of the system. The classification of these periodic behaviours and their geometric characterisation are in an on-going secular debate, which recently led to the so-called eigenmanifold theory. The eigenmanifold characterises nonlinear oscillations as a generalisation of linear eigenspaces. With the motivation of performing periodic tasks efficiently, we use tools coming from this theory to construct an optimization problem aimed at inducing desired closed-loop oscillations through a state feedback law. We solve the constructed optimization problem via gradient-descent methods involving neural networks. Extensive simulations show the validity of the approach.

许多用于腿部机器人系统的控制器在离散混合事件下利用开放环控制或闭环控制来增强稳定性。这些控制器出现在几个经过良好研究的现象中，例如Raibert Stepping控制器，Paddle Juggling和Swing Leet Retraction。这项工作介绍了混合事件塑造（HES）：一种用于分析和生产稳定混合事件控制器的广义方法。HES利用盐矩阵，该盐矩阵给出了封闭形式的方程，以实现混合事件对稳定性的影响。我们还引入了形状参数，这是可以完全独立于系统动力学以促进稳定性的高阶项。优化方法用于产生这些参数的值，以优化稳定性度量。混合事件塑造捕获了先前开发的控制方法，同时还产生了新的最佳稳定轨迹，而无需连续域反馈。

尽管对Bipeds的运动稳定性进行了广泛的研究，但它们仍然缺乏在湿滑表面上缺乏干扰的应对能力。在本文中，关于表面摩擦限制，开发了一种用于稳定其矢状平面中的双模运动的新型控制器。通过考虑到表面稳定趋势的表面的物理限制，实现了更先进的可靠性水平，从而提供更高的功能，例如在低摩擦表面上推挽恢复，并防止稳定剂过度反应。基于离散的事件的策略包括修改每个脚步开头的步长和时间段，以便在考虑表面摩擦限制作为防止滑动的约束的同时重新建立稳定性必要条件。调整脚步以防止面对外部干扰的滑动被认为是保持稳定性的新策略，与人类反应非常相似。开发方法包括利用基本数学操作来获取控制输入的粗闭式解决方案，允许在收敛和计算成本之间达到平衡，即使具有适度的计算硬件，即使具有实时操作也非常适合实时操作。执行几种数值模拟，包括在低摩擦表面上的不同栅极之间的推挽恢复和切换，以证明所提出的控制器的有效性。在与人体步态经验相关的情况下，结果还揭示了一些有利于稳定性的物理方面以及在Gaits之间切换的事实，以降低面对不同条件的落地的风险。

通常，地形几何形状是非平滑的，非线性的，非凸的，如果通过以机器人为中心的视觉单元感知，则似乎部分被遮住且嘈杂。这项工作介绍了能够实时处理上述问题的完整控制管道。我们制定了一个轨迹优化问题，该问题可以在基本姿势和立足点上共同优化，但要遵守高度图。为了避免收敛到不良的本地Optima，我们部署了逐步的优化技术。我们嵌入了一个紧凑的接触式自由稳定性标准，该标准与非平板地面公式兼容。直接搭配用作转录方法，导致一个非线性优化问题，可以在少于十毫秒内在线解决。为了在存在外部干扰的情况下增加鲁棒性，我们用动量观察者关闭跟踪环。我们的实验证明了爬楼梯，踏上垫脚石上的楼梯，并利用各种动态步态在缝隙上。

The ability to generate dynamic walking in real-time for bipedal robots with input constraints and underactuation has the potential to enable locomotion in dynamic, complex and unstructured environments. Yet, the high-dimensional nature of bipedal robots has limited the use of full-order rigid body dynamics to gaits which are synthesized offline and then tracked online. In this work we develop an online nonlinear model predictive control approach that leverages the full-order dynamics to realize diverse walking behaviors. Additionally, this approach can be coupled with gaits synthesized offline via a desired reference to enable a shorter prediction horizon and rapid online re-planning, bridging the gap between online reactive control and offline gait planning. We demonstrate the proposed method, both with and without an offline gait, on the planar robot AMBER-3M in simulation and on hardware.

通过连续静态状态反馈诱导的任务是在本文中考虑了非线性控制系统中的渐近稳定的杂核轨道。主要动机来自确保在欠抖动的机械系统中对所谓的点对点机动的收敛的问题。即，在其状态控制空间中平滑曲线，这与系统动态一致，并连接两个（线性）稳定的平衡点。该方法使用特定的参数化，以及在机动上的状态投影，以便为此目的结合两个线性化技术：沿轨道的边界的均衡和横向线性化的雅蟒线性化。这允许通过求解半纤维编程问题来计算稳定控制增益。由此产生的非线性控制器同时渐近轨道稳定轨道和最终平衡，是局部LipsChitz连续的时间不变，不需要切换，并且具有熟悉的馈送加上反馈状结构。该方法还通过基于同步函数的参数来互补，用于规划具有一定程度的疏松的机械系统的机械系统。 “蝴蝶”机器人在两点之间的球滚动的非预先生操纵任务的数值模拟证明了合成的功效。

Bipedal robots have received much attention because of the variety of motion maneuvers that they can produce, and the many applications they have in various areas including rehabilitation. One of these motion maneuvers is walking. In this study, we presented a framework for the trajectory optimization of a 5-link (planar) Biped Robot using hybrid optimization. The walking is modeled with two phases of single-stance (support) phase and the collision phase. The dynamic equations of the robot in each phase are extracted by the Lagrange method. It is assumed that the robot heel strike to the ground is full plastic. The gait is optimized with a method called hybrid optimization. The objective function of this problem is considered to be the integral of torque-squared along the trajectory, and also various constraints such as zero dynamics are satisfied without any approximation. Furthermore, in a new framework, there is presented a constraint called impact invariance, which ensures the periodicity of the time-varying trajectories. On the other hand, other constraints provide better and more human-like movement.

机器人社区在为软机器人设备建模提供的理论工具的复杂程度中看到了指数增长。已经提出了不同的解决方案以克服与软机器人建模相关的困难，通常利用其他科学学科，例如连续式机械和计算机图形。这些理论基础通常被认为是理所当然的，这导致复杂的文献，因此，从未得到完整审查的主题。Withing这种情况下，提交的文件的目标是双重的。突出显示涉及建模技术的不同系列的常见理论根源，采用统一语言，以简化其主要连接和差异的分析。因此，对上市接近自然如下，并最终提供在该领域的主要作品的完整，解开，审查。

该论文提出了一个计划者，以使用质心动力学和人形机器人的完整运动学来产生步行轨迹。机器人与行走表面之间的相互作用是通过新条件明确建模的，即\ emph {动态互补性约束}。该方法不需要预定义的接触序列，并自动生成脚步。我们通过一组任务来表征机器人控制目标，并通过解决最佳控制问题来解决它。我们表明，可以通过指定最小的参考集，例如恒定所需的质量速度中心和地面上的参考点来自动实现行走运动。此外，我们分析了接触模型选择如何影响计算时间。我们通过为人形机器人ICUB生成和测试步行轨迹来验证该方法。

这项工作介绍了模型预测控制（MPC）的公式，该公式适应基于任务的模型的复杂性，同时保持可行性和稳定性保证。现有的MPC实现通常通过缩短预测范围或简化模型来处理计算复杂性，这两者都可能导致不稳定。受到行为经济学，运动计划和生物力学相关方法的启发，我们的方法通过简单模型解决了MPC问题，用于在地平线区域的动力学和约束，而这种模型是可行的，并且不存在该模型的复杂模型。该方法利用计划和执行的交织来迭代识别这些区域，如果它们满足确切的模板/锚关系，可以安全地简化这些区域。我们表明，该方法不会损害系统的稳定性和可行性特性，并在仿真实验中衡量在四足动物上执行敏捷行为的仿真实验中的性能。我们发现，与固定复杂性实现相比，这种自适应方法可以实现更多的敏捷运动，并扩大可执行任务的范围。

在粗糙的地形上的动态运动需要准确的脚部放置，避免碰撞以及系统的动态不足的计划。在存在不完美且常常不完整的感知信息的情况下，可靠地优化此类动作和互动是具有挑战性的。我们提出了一个完整的感知，计划和控制管道，可以实时优化机器人所有自由度的动作。为了减轻地形所带来的数值挑战，凸出不平等约束的顺序被提取为立足性可行性的局部近似值，并嵌入到在线模型预测控制器中。每个高程映射预先计算了步骤性分类，平面分割和签名的距离场，以最大程度地减少优化过程中的计算工作。多次射击，实时迭代和基于滤波器的线路搜索的组合用于可靠地以高速率解决该法式问题。我们在模拟中的间隙，斜率和踏上石头的情况下验证了所提出的方法，并在Anymal四倍的平台上进行实验，从而实现了最新的动态攀登。

Controller design for bipedal walking on dynamic rigid surfaces (DRSes), which are rigid surfaces moving in the inertial frame (e.g., ships and airplanes), remains largely uninvestigated. This paper introduces a hierarchical control approach that achieves stable underactuated bipedal robot walking on a horizontally oscillating DRS. The highest layer of our approach is a real-time motion planner that generates desired global behaviors (i.e., the center of mass trajectories and footstep locations) by stabilizing a reduced-order robot model. One key novelty of this layer is the derivation of the reduced-order model by analytically extending the angular momentum based linear inverted pendulum (ALIP) model from stationary to horizontally moving surfaces. The other novelty is the development of a discrete-time foot-placement controller that exponentially stabilizes the hybrid, linear, time-varying ALIP model. The middle layer of the proposed approach is a walking pattern generator that translates the desired global behaviors into the robot's full-body reference trajectories for all directly actuated degrees of freedom. The lowest layer is an input-output linearizing controller that exponentially tracks those full-body reference trajectories based on the full-order, hybrid, nonlinear robot dynamics. Simulations of planar underactuated bipedal walking on a swaying DRS confirm that the proposed framework ensures the walking stability under different DRS motions and gait types.

我们开发一种方法来构造来自表示基本上非线性（或不可连锁的）动态系统的数据集构成低维预测模型，其中具有由有限许多频率的外部强制进行外部矫正的双曲线线性部分。我们的数据驱动，稀疏，非线性模型获得为低维，吸引动力系统的光谱子纤维（SSM）的降低的动态的延长正常形式。我们说明了数据驱动的SSM降低了高维数值数据集的功率和涉及梁振荡，涡旋脱落和水箱中的晃动的实验测量。我们发现，在未加工的数据上培训的SSM减少也在额外的外部强制下准确预测非线性响应。

由于有限的有效载荷能力有限，因此在山区环境中的救援任务几乎无法通过标准的腿部机器人或飞行机器人来实现。我们提出了一个新颖的概念，用于绳索攀岩机器人，该机器人可以谈判最新的斜坡并承担重载的有效载荷。机器人通过绳子固定在山上，并配备了一条腿来推向山上并开始跳跃动作。在跳跃之间，提升机被用来绕/放开绳索，以垂直移动并影响横向运动。这种简单的（但有效）的两倍致动，使系统能够实现高安全性和能源效率。确实，绳索可以防止机器人掉落，同时弥补了大部分重量，从而大大减少了腿部执行器所需的努力。我们还提出了一种最佳控制策略，以生成克服障碍的点对点轨迹。由于使用了自定义简化的机器人模型，我们可以实现快速计算时间（$ <$ 1 s）。我们使用完整的机器人模型验证了凉亭模拟中生成的最佳运动，显示了提出的方法的有效性，并确认了我们概念的兴趣。最后，我们进行了可及性分析，表明可实现的目标区域受到脚壁接触的摩擦特性的强烈影响。

通过提供超出人为局限性的环境，机器人是空间探索的关键仪器。跳跃机器人概念是有吸引力的谈判复杂地形的解决方案。然而，在克服的工程挑战中，能够持续运行的跳跃机器人概念，机械故障模式的减少是最基本的。本研究提出开发跳跃机器人，重点是减少机制维护的最小致动。我们介绍了Sarrus式连杆的合成，以限制系统在不使用典型的同步齿轮的情况下对系统进行三种翻译程度。我们将目前的研究界定到垂直固体跳跃，以评估基本主驱动轴的性能。实验室示威者有助于转移理论概念和方法。实验室示威者进行了63％的动能转换效率的跳跃，理论最大为73％。令人满意的运行开辟了朝向太空勘探跳跃机器人平台的发展的设计优化和方向跳跃能力。