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.

The importance of humanoid robots in today's world is undeniable, one of the most important features of humanoid robots is the ability to maneuver in environments such as stairs that other robots can not easily cross. A suitable algorithm to generate the path for the bipedal robot to climb is very important. In this paper, an optimization-based method to generate an optimal stairway for under-actuated bipedal robots without an ankle actuator is presented. The generated paths are based on zero and non-zero dynamics of the problem, and according to the satisfaction of the zero dynamics constraint in the problem, tracking the path is possible, in other words, the problem can be dynamically feasible. The optimization method used in the problem is a gradient-based method that has a suitable number of function evaluations for computational processing. This method can also be utilized to go down the stairs.

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.

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.

人类能够以显着的敏捷性和轻松的方式谈判计划和计划外行为。本文的目的是系统地研究这种人类行为向两足步行机器人的翻译，即使形态本质上不同。具体而言，我们从计划和计划外的下台开始的人类数据开始。我们从人类减少阶层建模的角度分析了这些数据，编码质量（COM）运动学和接触力的中心，这使这些行为将这些行为转化为双皮德机器人的相应降低阶模型。我们通过基于非线性优化的控制器将所得的行为嵌入了两足机器人的全阶动力学中。最终结果是在不足的步行机器人上模拟中计划和计划外的下台。

跳跃可能是克服小地形差距或障碍的有效运动方法。在本文中，我们提出了两种不同的方法，可以用类人形机器人进行跳跃。具体而言，从预定义的COM轨迹开始，我们开发了速度控制器的理论和基于优化技术评估关节输入的优化技术的扭矩控制器。在模拟和类人形机器人ICUB中，对控制器进行了测试。在模拟中，机器人能够使用两个控制器跳跃，而实际系统仅使用速度控制器跳跃。结果突出了控制质心动量的重要性，他们表明联合性能，即腿部和躯干关节的最大功率，以及低水平的控制性能是至关重要的，以实现可接受的结果。

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。

本文为两足机器人提供了一个步态控制器，鉴于局部斜率和摩擦锥信息，可以在各个地形上行走高度敏捷。没有这些考虑，不合时宜的影响会导致机器人绊倒，而在姿势脚下的切向反作用力不足会导致滑倒。我们通过以新颖的方式将基于角动量线性倒置的摆（ALIP）和模型预测控制（MPC）脚放置计划者组合来解决这些挑战，该模型由虚拟约束方法执行。该过程始于从Cassie 3D Bipedal机器人的完整动力学中抽象，该机器人的质量动力学中心的精确低维表示，通过角动量参数化。在分段平面地形假设和消除机器人质量中心的角动量的术语中，有关接触点的质心动力学变为线性，并具有四个尺寸。重要的是，我们在MPC公式中以均匀间隔的间隔内包含步骤的动力学，以便可以从逐步到步进机器人的演变上进行现实的工作空间约束。低维MPC控制器的输出通过虚拟约束方法直接在高维Cassie机器人上实现。在实验中，我们验证了机器人控制策略在各种表面上具有不同倾斜和质地的性能。

This paper presents a state-of-the-art optimal controller for quadruped locomotion. The robot dynamics is represented using a single rigid body (SRB) model. A linear time-varying model predictive controller (LTV MPC) is proposed by using linearization schemes. Simulation results show that the LTV MPC can execute various gaits, such as trot and crawl, and is capable of tracking desired reference trajectories even under unknown external disturbances. The LTV MPC is implemented as a quadratic program using qpOASES through the CasADi interface at 50 Hz. The proposed MPC can reach up to 1 m/s top speed with an acceleration of 0.5 m/s2 executing a trot gait. The implementation is available at https:// github.com/AndrewZheng-1011/Quad_ConvexMPC

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。

步行运动计划基于运动的不同组成部分（DCM）和线性倒置模型（LIPM）是可以实现的替代方案之一，以生成在线人类人体机器人步态轨迹。该算法需要调整不同的参数。在此，我们开发了一个框架来获得最佳参数，以实现Real Robot步态的稳定且节能的轨迹。为了找到最佳轨迹，在机器人的每个下肢关节下，代表能耗的四个成本函数，关节速度和应用扭矩的总和，以及基于零矩（ZMP）稳定性标准的成本函数。遗传算法用于框架中，以优化这些成本函数中的每一个。尽管轨迹计划是在简化模型的帮助下完成的，但通过考虑Bullet Physics Engine Simulator中的完整动力学模型和脚部接触模型，可以获得每个成本函数的值。这种优化的结果是，以最有效的方式行走的最稳定性和行走是相互对比的。因此，在另一次尝试中，对ZMP和以三种不同速度的能量成本函数进行了多目标优化。最后，我们比较了使用最佳参数生成的设计轨迹，并将模拟产生的仿真模拟器。

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。

我们提出了一个基于倒置摆的可溶性双头步行模型，该模型具有两个无质量的铰接腿，能够在不平坦的地板和倾斜的平面上行走。两足机器人的大步迈进，是由于站立腿的摆动运动和尾腿的铰接运动。由于腿部的交替作用，站立和尾腿的交替作用以及挡块运动的能量保存，因此可以步态。通过在步幅之间的过渡和每个步幅的适应性之间施加相同的最大开口角，可以在不平坦的表面和倾斜平面上进行运动。该模型可溶于封闭形式，并且在时间上可逆，对不同类型的双头运动进行建模。已经得出了步态速度作为机器人参数的函数的几个优化结果。

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。

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。

这项工作将控制屏障功能（CBF）与全身控制器结合在一起，以使MIT类人动物自我避免。现有的反应性控制器进行自我避免，不能保证无碰撞的轨迹，因为它们不利用机器人的完整动态，从而损害了运动学的可行性。相比之下，拟议的CBF-WBC控制器可以实时理解机器人的动力学不足，以确保无碰撞运动。该方法的有效性在模拟中得到了验证。首先，一个简单的手段实验表明，CBF-WBC使机器人的手能够偏离不可行的参考轨迹，以避免自我收集。其次，CBF-WBC与设计用于动态运动的线性模型预测控制器（LMPC）结合使用，并使用CBF-WBC来跟踪LMPC预测。质心动量任务还用于产生有助于人形运动和干扰恢复的手臂运动。步行实验表明，CBF允许质心动量任务产生可行的手臂运动，并在高级规划师提供的脚步位置或摇摆轨迹时避免腿部自我收获，对于真正的机器人来说是不可行的。

本文提出了一个模型预测控制（MPC）框架，以实现MIT类人体上的动态步态。除了适应脚步位置和在线时机外，该建议的方法还可以理解高度，接触扳手，躯干旋转，运动学限制和谈判不均匀的地形。具体而言，线性MPC（LMPC）通过与当前的脚步位置进行线性线性线性线性来优化所需的脚步位置。低级任务空间控制器跟踪从LMPC的预测状态和控制轨迹，以利用全身动力学。最后，采用自适应步态频率方案来修改步进频率并增强步行控制器的鲁棒性。 LMPC和任务空间控制都可以作为二次程序（QP）有效地求解，因此适用于实时应用程序。模拟研究中，MIT类人动物遍历波场并从冲动性干扰中恢复为拟议方法恢复。

由于机器人的脚下缺乏致动，全球地位控制是一个挑战性问题。在本文中，我们应用基于混合的倒立摆（H唇）踩踏3D废除后的双模型机器人进行全球位置控制。H-Lip行走的步骤步骤（S2S）动态近似于机器人行走的实际S2S动态，其中步长被认为是输入。因此，基于H唇的反馈控制器大致控制机器人表现得像H唇，它在误差不变集中保持的差异。模型预测控制（MPC）应用于3D中的全球位置控制的H唇。然后，H唇踩踏然后产生用于跟踪机器人的所需步进尺寸。此外，转向行为与步骤规划集成。拟议的框架在与概念验证实验中的模拟中验证了在模拟中的3D欠扰动的双模型机器人Cassie。

本文提出了一个最佳的运动计划框架，以自动生成多功能的四足动物跳跃运动（例如，翻转，旋转）。通过质心动力学的跳跃运动被配制为受机器人基诺动力约束的12维黑盒优化问题。基于梯度的方法在解决轨迹优化方面取得了巨大成功（TO），但是，需要先验知识（例如，参考运动，联系时间表），并导致次级最佳解决方案。新提出的框架首先采用了基于启发式的优化方法来避免这些问题。此外，针对机器人地面反作用力（GRF）计划中的基于启发式算法的算法创建了优先级的健身函数，增强收敛性和搜索性能。由于基于启发式的算法通常需要大量的时间，因此计划离线运动并作为运动前库存储。选择器旨在自动选择用用户指定或感知信息作为输入的动作。该框架仅通过几项具有挑战性的跳跃动作在开源迷你室中的简单连续跟踪PD控制器进行了成功验证，包括跳过30厘米高度的窗户形状的障碍物，并在矩形障碍物上与左悬挂式障碍物。 27厘米高。

我们正在寻求控制设计范例的腿部系统，可以绕过昂贵的算法，这些算法依赖于这些系统中广泛使用的重型电脑，但能够通过使用更便宜的无优化框架来匹配他们可以做的事情。在这项工作中，我们提出了我们在波士顿东北大学（HUSKY Carbon}的Quadrupeal Robot的建模和控制设计中的初步结果，这些机器人在波士顿东北大学（Nu）开发中。在我们的方法中，我们利用了监督控制员和明确的参考调理（ERG）来实施地面反作用力约束。通常使用昂贵的优化强制执行这些约束。但是，在这项工作中，ERG操纵应用于监控控制器的状态参考以通过基于Lyapunov稳定性参数的更新法来强制执行地面接触限制。因此，计算的方法比广泛使用的基于优化的方法更快。