仿人机器人高能效自激步态生成与平衡控制方法研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    61703043
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    25.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    F0306.自动化检测技术与装置
  • 结题年份:
    2020
  • 批准年份:
    2017
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2018-01-01 至2020-12-31

项目摘要

Improving energy efficiency of humanoid robots is becoming significant for humanoid’s application. Investigations unveil that human’s walking gaits are generated by the spinal cord, and the adjustment of the brain and muscles are the key issue for energy efficiency and balancing ability. Up to now, humanoid self-excitation gait does not have the feature of high energy efficient, because it only simulates the spinal cord but not the brain and muscles. The study of humanoid self-excitation gaits based on the adjustment mechanism of the brain and muscles is a basic scientific problem needed to be solved...In this project, a self-excitation gait generation and control model of humanoid robot will be built, and the intrinsic relationship between the input and output of the generator will be found. Methods of energy-efficient self-excitation gait generation based on reinforcement learning and the reflective balance control with anthropomorphic muscle viscoelasticity will be studied with the adjustment mechanism of the brain and muscles. Mapping disciplinarian of parameters of the self-excitation gait generator, the coordinated gait which matches the physical characteristics of the robot and the balance control based on interaction force coupling optimization will be solved. This project will provide a new method for humanoid walking with high energy efficiency, which have important academic significance and practical value.
提高仿人机器人的行走能效是延长持续运行时间的关键,对其应用具有重要意义。研究表明,人体步态由脊髓自激产生,而人脑和肌肉的调节作用对步态的能效、平衡性起着决定性作用。目前,仿人机器人自激步态无高能效的特性,其原因在于仅模拟了脊髓产生步态的机理,尚未借鉴人脑和肌肉对步态的协调、平衡控制机制。研究借鉴人脑和肌肉调节机制的仿人机器人自激步态生成与控制方法,是亟需解决的基础科学问题。..本项目将仿生学与工学相结合,借鉴人脑和肌肉对自激步态的调节机理,建立仿人机器人高能效自激步态控制器模型,探索自激步态生成器的输入输出参数间的内在联系规律,研究基于强化学习的高能效自激步态生成方法、具有拟人肌肉粘弹性的反射平衡控制方法等,解决自激步态生成器的参数映射规律、匹配机器人物理特性的协调步态生成方法、作用力耦合优化的平衡控制等科学问题,为仿人机器人高能效稳定行走提供一种新方法,具有重要的学术意义及实用价值。

结项摘要

仿人机器人是一个多关节、非线性、强耦合的复杂系统,仿人机器人通过关节协调耦合运动传递身体动能和势能,但主动驱动行走能效低的问题日益凸显。.本项目围绕仿人机器人高能效自激步态生成与平衡控制前沿理论与方法,建立了基于中枢神经反射原理的双中央模式发生器(CPG:Central Pattern Generators)模型,并在多组神经元之间进行相互刺激或抑制,通过调整振荡器参数,获得了输入与输出的内在映射规律,实现行走动作的自校正;提出了基于空间量化动力学理论的直膝行走步态生成方法,能效较屈膝步态行走时提升67%;在行走过程中为快速应对冲击型扰动的问题,利用监督学习对基于李群的非线性卡尔曼滤波进行精确状态估计结果修正的基础上,提出了基于质心加速度变化的三步落脚点调整算法,并借鉴了人体的肌肉耦合机理,构建了仿人机器人拟人肌肉粘弹性模型的柔顺控制器来减少机体振动,使得机器人具备了高能效自激步态调整和快速恢复稳定行走能力。.本项目提出的方法在已研制的BHR-6P仿人机器人上进行了验证,实验结果表明项目所提出的技术方案提高了仿人机器人高能效运动和平衡控制的能力,推进了仿人机器人走向实际应用。

项目成果

期刊论文数量(7)
专著数量(0)
科研奖励数量(1)
会议论文数量(9)
专利数量(5)
Simultaneous Prevention of Rotational and Translational Slip for a Humanoid Robot
同时防止人形机器人旋转和平移滑移
  • DOI:
    10.3390/app8091554
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    Applied Sciences-Basel
  • 影响因子:
    2.7
  • 作者:
    Zhou Qinqin;Yu Zhangguo;Zhang Si;Chen Xuechao;Qin Mingyue;Zhang Weimin;Huang Qiang
  • 通讯作者:
    Huang Qiang
Computationally Efficient Coordinate Transformation for Field-Oriented Control Using Phase Shift of Linear Hall-Effect Sensor Signals
使用线性霍尔效应传感器信号相移进行场定向控制的计算高效坐标变换
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    IEEE Transactions on Industrial Electronics
  • 影响因子:
    7.7
  • 作者:
    Yu Zhangguo;Qin Mingyue;Chen Xuechao;Meng Libo;Huang Qiang;Fu Chenglong
  • 通讯作者:
    Fu Chenglong
Disturbance Rejection for Biped Walking Using Zero-Moment Point Variation Based on Body Acceleration
基于身体加速度的零力矩点变化的双足行走干扰抑制
  • DOI:
    10.1109/tii.2018.2890195
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    IEEE Transactions on Industrial Informatics
  • 影响因子:
    12.3
  • 作者:
    Yu Zhangguo;Zhou Qinqin;Chen Xuechao;Li Qingqing;Meng Libo;Zhang Weimin;Huang Qiang
  • 通讯作者:
    Huang Qiang
Motion Planning for Bipedal Robot to Perform Jump Maneuver
双足机器人跳跃动作的运动规划
  • DOI:
    10.1186/s13617-018-0080-2
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    Applied Sciences-Basel
  • 影响因子:
    2.7
  • 作者:
    Jiang Xinyang;Chen Xuechao;Yu Zhangguo;Zhang Weimin;Meng Libo;Huang Qiang
  • 通讯作者:
    Huang Qiang
Turning Gait Planning Method for Humanoid Robots
仿人机器人转弯步态规划方法
  • DOI:
    10.3390/app8081257
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    Applied Sciences-Basel
  • 影响因子:
    2.7
  • 作者:
    Yang Tianqi;Zhang Weimin;Chen Xuechao;Yu Zhangguo;Meng Libo;Huang Qiang
  • 通讯作者:
    Huang Qiang

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  • 发表时间:
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    陈学超;朱丽岩;黄瑛;巩文静;郝雅
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    郝雅
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    10.1039/c4ob01852d
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    2017
  • 期刊:
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  • 作者:
    张铮;陈学超;庄金平;郑秀梅
  • 通讯作者:
    郑秀梅

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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