四足机器人步态控制
目 录
abstract 2
1.引言 5
1.1四足机器人的研究 5
1.1.1国外四足机器人的研究 5
1.1.2国内四足主机器人的研究 8
1.1.3四足机器人的发展趋势 9
1.2本文研究内容及章节安排 10
1.2.1研究界定 10
1.2.2研究内容 10
1.2.3章节安排 10
2.四足机器人机械结构 11
2.1设计原理 11
2.2舵机的选用 11
2.3腿结构设计 12
2.4机体结构设计 14
2.5四足机器人组装流程 14
2.5.1关节组装 14
2.5.2机体组装 15
3.四足机器人控制系统 17
3.1有线控制系统 17
3.1.1QSC32E舵机板 17
3.1.1.1供电说明 18
3.1.1.2复位电路 19
3.1.2上位机软件 19
3.1.3上位机软件控制 22
3.2无线控制系统 22
3.2.1Arduino外接单片机 22
3.2.2Arduino单片机控制实验 23
3.2.3MEMS传感器选用 24
3.2.4传感器实验 25
4.四足机器人步态 27
4.1步态规划 27
4.2步态实验 29
4.2.1前进步态 29
4.2.2后退步态 29
4.2.3左转步态 29
4.2.4右转步态 30
5.四足机器人步行稳定性 31
5.1稳定性分析 31
5.2稳定性评价标准 32
结论 33
参考文献 34
附件 35
致谢 42
1.引言
随着科技的日新月异，机器人
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
技术[1，2]蓬勃发展，从家庭里的电子设备到工厂的生产器械再到科学界的外星探索工具，它们或是仿生设计，或是具有智能识别能力，给人类的生活和生产方式带来了巨大变革。
在机器人技术中，足式机器人[3]是其一个重要分支。对于同为自主移动机器人的轮式和履带式机器人，足式机器人的优势就在于它的腿机构。首先，腿机构与地面的接触是离散的点接触，所以足式机器人的复杂地面动力高且对地表破坏性小；其次，腿机构本身具有良好的机动性；再者，腿机构作为一种悬挂系统能够吸收振动，使机体运动时保持高稳定性；最后，腿机构可以让机体完成障碍物的跨越，使足式机器人具有很强的地面适应性。地球有90％以上的陆地面积是各种非结构环境[4]，综上所述，足式机器人能够像自然界的有腿生物一样自由地在陆地上行动。如今，足式机器人逐渐在服务业、国防、军事、科学研究等各个领域被应用，已成为国际学术界研究的热点方向。
四足机器人是公认的最佳的足式机器人形式，它是依照自然界的四足类动物形态结构进行设计的。相对于两足机器人，它的承载能力强、稳定性好，相对于六足、八足机器人，它的结构简单、便于控制。此外，四足机器人既能以静态稳定的步态缓慢平滑地行走，又能以动态稳定的步态进行跑动，如果安装操作手之类的话还能成为一个稳定灵活的工作平台。因此，四足机器人有着极其诱人的应用前景。但有关四足机器人的内含机理、基本特性等仍需等待突破。构建具有更大负载能力、更高动态性和更强环境适应性的高性能四足仿生机器人是当前一个主流的研究方向。
1.1四足机器人的研究
1.1.1国外四足机器人的研究
十九世纪设计出的“机械马”是国外对足式行走机器的早期探索。20世纪60年代，机器人进入了用机械和液压控制其运动的发展阶段。这一阶段最具代表性的研究是1968年美国Mosher设计的四足车“Walking Truck” [5]，如图1.1所示。
图1.1 Walking Truck
80年代，随着计算机与机器人技术的发展和广泛的研制应用，四足机器人进
入了具有自主行为的现代足式机器人研究阶段。
现代四足机器人研究最系统化最全面且成果最多的是日本东京工业大学的広癞福田机器人研究室（HIROSE.FUKUSHIMA ROBTICS LAB），该实验室从80年代开始至今已成功研制出3个系列12款四足机器人。具有代表性的有：1976年研制的世界上第一个具有自主行走能力的现代四足机器人KUMOI[6]，如图1.2所示。之后成功研制的用以野外探测和挖掘地雷的TITAN系列机器人TITAN—VIII[7]，如图1.3所示。TITAN—VIII机器人的软硬件俱全、功能完备且具有多种步态选择，在该机上配套有专门针对四足移动机器人开发的操作系统VKI，其基本参数为：每条腿3个自由度，大腿关节处2个自由度，膝关节处一个自由度，质量大约为4O kg，有效负载在5～7 kg，行走速度在0.3～0.9m/s之间。9O年代成功研制的壁面全方位移动的NINJA系列机器人NINJAI，如图1.4所示。NINJAI的基本参数：每一条腿3自由度，长1800mm，宽500mm，高400mm，质量为45kg，各关节轴12个直流电机，每个电机4Ow，上升速度48cm／min，横向移动速度96cm／min，每个脚底20个小吸盘，共能产生大约1500N吸力。近年研制成功的TITANIX机器人[8]，如图1.5所示。
另外，日本电气通信大学的木村浩等人成功研制了采用基于神经振荡子模型CPG的控制策略[9,10]的Patrush系列和Tekken系列四足机器人，而CPG是近10年来在足式机器人控制上取得的最具突破性的成果[11]。日本东北大学研制开发了腿轮结合的步行机器人Chariot系列，还有日本的空气动力实验室（Kyoto Univ.Tsuchiya Lab）也在进行四足机的研制[12]。
abstract 2
1.引言 5
1.1四足机器人的研究 5
1.1.1国外四足机器人的研究 5
1.1.2国内四足主机器人的研究 8
1.1.3四足机器人的发展趋势 9
1.2本文研究内容及章节安排 10
1.2.1研究界定 10
1.2.2研究内容 10
1.2.3章节安排 10
2.四足机器人机械结构 11
2.1设计原理 11
2.2舵机的选用 11
2.3腿结构设计 12
2.4机体结构设计 14
2.5四足机器人组装流程 14
2.5.1关节组装 14
2.5.2机体组装 15
3.四足机器人控制系统 17
3.1有线控制系统 17
3.1.1QSC32E舵机板 17
3.1.1.1供电说明 18
3.1.1.2复位电路 19
3.1.2上位机软件 19
3.1.3上位机软件控制 22
3.2无线控制系统 22
3.2.1Arduino外接单片机 22
3.2.2Arduino单片机控制实验 23
3.2.3MEMS传感器选用 24
3.2.4传感器实验 25
4.四足机器人步态 27
4.1步态规划 27
4.2步态实验 29
4.2.1前进步态 29
4.2.2后退步态 29
4.2.3左转步态 29
4.2.4右转步态 30
5.四足机器人步行稳定性 31
5.1稳定性分析 31
5.2稳定性评价标准 32
结论 33
参考文献 34
附件 35
致谢 42
1.引言
随着科技的日新月异，机器人
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
技术[1，2]蓬勃发展，从家庭里的电子设备到工厂的生产器械再到科学界的外星探索工具，它们或是仿生设计，或是具有智能识别能力，给人类的生活和生产方式带来了巨大变革。
在机器人技术中，足式机器人[3]是其一个重要分支。对于同为自主移动机器人的轮式和履带式机器人，足式机器人的优势就在于它的腿机构。首先，腿机构与地面的接触是离散的点接触，所以足式机器人的复杂地面动力高且对地表破坏性小；其次，腿机构本身具有良好的机动性；再者，腿机构作为一种悬挂系统能够吸收振动，使机体运动时保持高稳定性；最后，腿机构可以让机体完成障碍物的跨越，使足式机器人具有很强的地面适应性。地球有90％以上的陆地面积是各种非结构环境[4]，综上所述，足式机器人能够像自然界的有腿生物一样自由地在陆地上行动。如今，足式机器人逐渐在服务业、国防、军事、科学研究等各个领域被应用，已成为国际学术界研究的热点方向。
四足机器人是公认的最佳的足式机器人形式，它是依照自然界的四足类动物形态结构进行设计的。相对于两足机器人，它的承载能力强、稳定性好，相对于六足、八足机器人，它的结构简单、便于控制。此外，四足机器人既能以静态稳定的步态缓慢平滑地行走，又能以动态稳定的步态进行跑动，如果安装操作手之类的话还能成为一个稳定灵活的工作平台。因此，四足机器人有着极其诱人的应用前景。但有关四足机器人的内含机理、基本特性等仍需等待突破。构建具有更大负载能力、更高动态性和更强环境适应性的高性能四足仿生机器人是当前一个主流的研究方向。
1.1四足机器人的研究
1.1.1国外四足机器人的研究
十九世纪设计出的“机械马”是国外对足式行走机器的早期探索。20世纪60年代，机器人进入了用机械和液压控制其运动的发展阶段。这一阶段最具代表性的研究是1968年美国Mosher设计的四足车“Walking Truck” [5]，如图1.1所示。
图1.1 Walking Truck
80年代，随着计算机与机器人技术的发展和广泛的研制应用，四足机器人进
入了具有自主行为的现代足式机器人研究阶段。
现代四足机器人研究最系统化最全面且成果最多的是日本东京工业大学的広癞福田机器人研究室（HIROSE.FUKUSHIMA ROBTICS LAB），该实验室从80年代开始至今已成功研制出3个系列12款四足机器人。具有代表性的有：1976年研制的世界上第一个具有自主行走能力的现代四足机器人KUMOI[6]，如图1.2所示。之后成功研制的用以野外探测和挖掘地雷的TITAN系列机器人TITAN—VIII[7]，如图1.3所示。TITAN—VIII机器人的软硬件俱全、功能完备且具有多种步态选择，在该机上配套有专门针对四足移动机器人开发的操作系统VKI，其基本参数为：每条腿3个自由度，大腿关节处2个自由度，膝关节处一个自由度，质量大约为4O kg，有效负载在5～7 kg，行走速度在0.3～0.9m/s之间。9O年代成功研制的壁面全方位移动的NINJA系列机器人NINJAI，如图1.4所示。NINJAI的基本参数：每一条腿3自由度，长1800mm，宽500mm，高400mm，质量为45kg，各关节轴12个直流电机，每个电机4Ow，上升速度48cm／min，横向移动速度96cm／min，每个脚底20个小吸盘，共能产生大约1500N吸力。近年研制成功的TITANIX机器人[8]，如图1.5所示。
另外，日本电气通信大学的木村浩等人成功研制了采用基于神经振荡子模型CPG的控制策略[9,10]的Patrush系列和Tekken系列四足机器人，而CPG是近10年来在足式机器人控制上取得的最具突破性的成果[11]。日本东北大学研制开发了腿轮结合的步行机器人Chariot系列，还有日本的空气动力实验室（Kyoto Univ.Tsuchiya Lab）也在进行四足机的研制[12]。
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