两足动物的步行是机器人一直试图模仿数十年的最重要人类的标志之一。尽管以前的控制方法已经达到了在某些地形上行走的机器人，但仍需要一个框架，可以在各种兼容的表面上进行稳定和稳健的运动。这项工作提出了一种新型的生物力学风格的控制器，该控制器调节腿的刚度，以支持在兼容的地形上进行健壮和动态的两足动力。首先，扩展了3D双滑道模型，以支持具有可变刚度和阻尼参数的兼容表面上的首次运动。然后，将提出的控制器与线性季节调节器（LQR）控制器进行比较，就踏上软地形的稳健性而言。 LQR控制器显示仅达到174 kN/m的中等地面刚度水平，而其刚度较低，则其失败。相反，所提出的控制器可以在低至30 kN/m的刚度水平下产生稳定的步态，从而导致腿的垂直接地穿透性比其静止长度的10％深。提出的框架可以通过为多种合规形的地形生成稳定的步行轨迹来推进两足步行的领域，可用于控制双子和人形生物，以及改善具有可调刚度的假体设备的控制器。

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。

本文介绍了一个新颖的自适应频率MPC框架，用于在地形上具有不均匀的垫脚石上的两足球运动。详细说明，我们打算使用此MPC实现双足体周期步态的自适应脚部和步态，以便在不慢下放慢速度的情况下以不连续性穿越地形。我们将这种自适应频率MPC与Kino-Dynamics轨迹优化，以实现最佳步态时期，质量中心（COM）轨迹和脚部位置。我们使用全身控制（WBC）以及自适应频率MPC来跟踪离线优化的最佳轨迹。在数值验证中，我们具有优化的自适应频率MPC框架已显示出比固定频率MPC的优势。所提出的框架可以控制两足动物的机器人，穿过具有扰动的石头高度，宽度和表面形状的不均匀的垫脚石地形，同时保持平均速度为1.5 m/s。

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。

在腿部机器人的机车上，执行高度敏捷的动态动作，例如跳跃或跑步的踏板乐队，这仍然是一个挑战性的问题。本文提出了一个框架，该框架结合了轨迹优化和模型预测控制，以在踏脚石上执行强大的连续跳跃。在我们的方法中，我们首先利用基于机器人的全非线性动力学的轨迹优化来生成各种跳跃距离的周期性跳跃轨迹。然后，基于模型预测控制的跳跃控制器设计用于实现平滑的跳跃过渡，从而使机器人能够在步进石上实现连续跳跃。得益于将MPC作为实时反馈控制器的合并，该提议的框架也得到了验证，可以对机器人动力学上的高度扰动和模型不确定性具有不均匀的平台。

在各种条件下行走期间关节阻抗的知识与临床决策以及机器人步态培训师，腿部假体，腿矫形器和可穿戴外骨骼的发展相关。虽然步行过程中的脚踝阻抗已经通过实验评估，但尚未识别步行期间的膝盖和髋关节阻抗。在这里，我们开发并评估了下肢扰动器，以识别跑步机行走期间髋关节，膝关节和踝关节阻抗。下肢扰动器（Loper）由致动器组成，致动器通过杆连接到大腿。 Loper允许将力扰动施加到自由悬挂的腿上，同时站立在对侧腿上，带宽高达39Hz。在以最小的阻抗模式下行走时，Loper和大腿之间的相互作用力低（<5N），并且对行走图案的效果小于正常行走期间的对象内变异性。使用摆动腿动力学的非线性多体动力学模型，在摆动阶段在速度为0.5米/秒的速度的九个受试者期间估计臀部，膝关节和踝关节阻抗。所识别的模型能够预测实验反应，因为分别占髋部，膝关节和踝部的平均方差为99％，96％和77％。对受试者刚度的平均分别在34-66nm / rad，0-3.5nm / rad，0-3.5nm / rad和2.5-24nm / rad的三个时间点之间变化，分别用于臀部，膝部和踝关节。阻尼分别在1.9-4.6 nms / rad，0.02-0.14 nms / rad和0.2-2.4 nms / rad的0.02-0.14 nms / rad供应到0.2-2.4nms / rad。发达的洛普勒对不受干扰的行走模式具有可忽略的影响，并且允许在摆动阶段识别臀部，膝关节和踝关节阻抗。

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。

自适应控制可以解决控制系统中的模型不确定性。但是，它是专为跟踪控制而设计的。近期机器人控制的最新进步表明，力控制可以有效地实现敏捷和强大的运动。在本文中，我们提出了一种用于腿机器人的新型自适应力控制框架。我们以我们提出的方法介绍了一种新的架构，将自适应控制纳入二次编程（QP）力控制。由于我们的方法是基于力控制，它还保留了基线框架的优势，例如对不均匀地形，可控摩擦约束或软撞击的鲁棒性。我们的方法在模拟和硬件实验中成功验证。虽然基线QP控制在具有小负载的身体跟踪误差中显示出显着的降级，但我们所提出的基于自适应力的控制可以使12千克Unitree A1机器人能够在粗糙的地形上行走，同时承载最多6次kg（50％的机器人重量）。当站在四条腿时，我们所提出的自适应控制甚至可以允许机器人在机器人高度中携带多达11kg的负载（机器人重量的92％），并且在机器人高度中具有小于5cm的跟踪误差。

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。

在腿的运动中重新规划对于追踪所需的用户速度，在适应地形并拒绝外部干扰的同时至关重要。在这项工作中，我们提出并测试了实验中的实时非线性模型预测控制（NMPC），用于腿部机器人，以实现各种地形上的动态运动。我们引入了一种基于移动性的标准来定义NMPC成本，增强了二次机器人的运动，同时最大化腿部移动性并提高对地形特征的适应。我们的NMPC基于实时迭代方案，使我们能够以25美元的价格重新计划在线，\ Mathrm {Hz} $ 2 $ 2 $ 2美元的预测地平线。我们使用在质量框架中心中定义的单个刚体动态模型，以提高计算效率。在仿真中，测试NMPC以横穿一组不同尺寸的托盘，走进V形烟囱，并在崎岖的地形上招揽。在真实实验中，我们展示了我们的NMPC与移动功能的有效性，使IIT为87美元\，\ Mathrm {kg} $四分之一的机器人HIQ，以实现平坦地形上的全方位步行，横穿静态托盘，并适应在散步期间重新定位托盘。

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。

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.

我们提出了一个框架，以使用基于适应性神经调节的线性反向摆（LIP）控制器来生成3D发导的两足机器人的周期性轨迹参考。我们使用LIP模板模型在当前步骤结束时估算机器人的质量（COM）位置和速度，并制定一个离散控制器，该控制器确定下一个脚步位置以实现所需的步行配置文件。该控制器配备了基于神经网络的自适应术语，该术语降低了模型不匹配的模型和物理机器人之间的不匹配，这特别影响了横向运动。然后，使用针对唇部模型计算的脚放置位置用于生成任务空间轨迹（COM和摇摆脚部轨迹），以使实际机器人实现稳定的步行。我们使用快速，实时的基于QP的逆运动算法，该算法从任务空间轨迹中产生联合参考，从而使配方独立于机器人动力学知识。最后，我们用数字机器人在两种情况下都获得了稳定的周期性运动，并在模拟和硬件实验中实施了建议的方法。

Animals run robustly in diverse terrain. This locomotion robustness is puzzling because axon conduction velocity is limited to a few ten meters per second. If reflex loops deliver sensory information with significant delays, one would expect a destabilizing effect on sensorimotor control. Hence, an alternative explanation describes a hierarchical structure of low-level adaptive mechanics and high-level sensorimotor control to help mitigate the effects of transmission delays. Motivated by the concept of an adaptive mechanism triggering an immediate response, we developed a tunable physical damper system. Our mechanism combines a tendon with adjustable slackness connected to a physical damper. The slack damper allows adjustment of damping force, onset timing, effective stroke, and energy dissipation. We characterize the slack damper mechanism mounted to a legged robot controlled in open-loop mode. The robot hops vertically and planar over varying terrains and perturbations. During forward hopping, slack-based damping improves faster perturbation recovery (up to 170%) at higher energetic cost (27%). The tunable slack mechanism auto-engages the damper during perturbations, leading to a perturbation-trigger damping, improving robustness at minimum energetic cost. With the results from the slack damper mechanism, we propose a new functional interpretation of animals' redundant muscle tendons as tunable dampers.

本文介绍了一个框架，用于合成双皮亚机器人步行，该框架通过数据驱动的台阶（S2S）动力学模型适应未知环境和动态误差。我们首先合成一个S2S控制器，该S2S控制器使用脚部的S2S动力学从混合线性倒置摆（H-LIP）模型中稳定步行。接下来，通过经典的自适应控制方法在线学习了机器人S2S动力学的数据驱动表示。因此，通过适当的连续输出合成捕获数据驱动的S2S控制器和低级跟踪控制器，可以通过适当的连续输出合成来实现所需的离散脚放置。所提出的方法是在仿真的3D两足机器人，Cassie和改进的参考速度跟踪的模拟中实现的。所提出的方法还能够实现步行行为，以适应未知载荷，不准确的机器人模型，外部干扰力，偏置速度估计和未知斜率。

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。

我们已经开发了带有被动动态步行机制的双头机器人。这项研究提出了一个指南针模型，其摇摆质量连接到上半身，并沿水平方向振荡，以阐明上半身水平动力学对两足动物行走的影响。该模型的极限周期进行了数值搜索，并研究了它们的稳定性和能源效率。根据支持摇摆质量的弹簧常数，获得了几个不同的极限周期。特定类型的解决方案降低了稳定性，同时降低了意外下降并提高能源效率的风险。获得的结果归因于摇摆的质量朝与上半身相反的方向移动，从而防止行走时加速和减速的大幅变化。研究了所提出的模型的运动与实际的双头机器人与人类步态之间的关系。

在双皮德机器人上生成健壮步态的能力是他们在硬件上成功实现的关键。为此，这项工作扩展了混合零动力学（HZD）的方法 - 传统上，该方法仅在完美影响事件下通过周期性限制来说明机车稳定性 - 通过包含盐矩阵，以构成合成强大的步行步态的观点。通过共同将扩展盐矩阵的规范和步态生成过程中的机器人的扭矩最小化，我们表明合成的步态比单独使用任何一个术语产生的步态更强大。这些结果在模拟和硬件中显示了琥珀色3M平面和阿塔兰特较低体外外骨骼（无论有没有人类）。最终结果是实验验证，即将盐矩阵与HZD方法相结合，在实践中会产生更健壮的两足步行。

Humans can balance very well during walking, even when perturbed. But it seems difficult to achieve robust walking for bipedal robots. Here we describe the simplest balance controller that leads to robust walking for a linear inverted pendulum (LIP) model. The main idea is to use a linear function of the body velocity to determine the next foot placement, which we call linear foot placement control (LFPC). By using the Poincar\'e map, a balance criterion is derived, which shows that LFPC is stable when the velocity-feedback coefficient is located in a certain range. And that range is much bigger when stepping faster, which indicates "faster stepping, easier to balance". We show that various gaits can be generated by adjusting the controller parameters in LFPC. Particularly, a dead-beat controller is discovered that can lead to steady-state walking in just one step. The effectiveness of LFPC is verified through Matlab simulation as well as V-REP simulation for both 2D and 3D walking. The main feature of LFPC is its simplicity and inherent robustness, which may help us understand the essence of how to maintain balance in dynamic walking.

我们提出了一种基于直接质心控制的人形机器人的运动和平衡的综合方法。我们的方法使用人形生物的五质量描述。它从机器人的所需脚部轨迹和质心参数产生全身运动。一组简化的模型用于制定一般和直观的控制定律，然后实时应用它们，以估算和调节质量位置的中心和多体惯性主轴的方向。所提出的算法的组合产生了一条伸展的步态，并具有自然的上身运动。由于仅需要6轴IMU和关节编码器才能实现，因此机器人之间的可移植性很高。我们的方法已通过类人类开放式平台对实验进行了实验验证，证明了全身运动和推动排斥能力。