被动仿人步行机器人控制系统设计(附件)
仿人机器人集成了多门自然学科﹑多项高新科技，代表了机器人的尖端技术。所以仿人机器技术是当今研究的热点之一。而在仿人机器人领域中被动力学行走一直是一个重要的研究方向，其关键就是对仿人步行机理﹑步态特性的分析，同时利用仿人行走时高效﹑自然﹑柔顺等优势，对机器人自身结构和其动力学势进行充分利用，并在此基础上为双足机器人的研究制造打下良好的基础[1]。本文建立双足有膝机器人动力学模型，分析被动双足机器人行走时的类人步态特性，加深了解机器人被动行走的本质。之后对被动双足机器人控制系统进行设计，同时采用基于角度不变的控制策略来提高双足机器人的自适应能力，使其能够在平地上行走，并通过仿真来验证控制策略的有效性。首先，本文介绍了国内外被动双足机器人的研究概况和存在的主要问题，并指出本文研究的主要内容。其次，指出控制系统增加作用并对控制系统提出几点要求，提出总体控制方案。再次，在对点足直腿模型运动学分析的基础上，建立有膝机器人简化模型。结合人类步行特性对机器人行走步态具体划分，并基于理想性假设，利用Lagrange法对模型进行动力学建模，推导摆动阶段动力学方程，并进行ADAMS仿真。然后，次对双足机器人控制系统硬件部分进行设计。双足机器人控制系统以AT89C51单片机为核心，由核心处理器模块﹑舵机模块﹑电源模块等构成。核心处理器模块主要是对各种信息数据进行处理，协调各模块合作完成预定任务；驱动模块主要负责实现机器人行走动作；电源模块负责整个系统的电源供给。之后，为实现双足机器人在平地上的稳定行走，提出基于角度不变的控制策略，并通过MATLAB仿真验证角度不变控制策略的可靠性。最后，对本文设计的被动仿人机器人控制系统进行评价和总结，指出设计成果和展望未来，提出完善措施。关键词：被动双足机器人；控制；单片机；舵机；仿真 目录
第一章 绪论 1
1.1 研究的背景和意义 1
1.2 国内外的研究现状 1
1.2.1 国外研究现状 1
1.2.2 国内的研究概况 5
1.3 目前存在的问题 5
1.4 本文主要研究内容 6
第二章 控制系统总体方案 8
2.1 控制系统的功能和要求 8
2.2 控制系统总体框图 8
第三章 双足有膝被动机
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
义 1
1.2 国内外的研究现状 1
1.2.1 国外研究现状 1
1.2.2 国内的研究概况 5
1.3 目前存在的问题 5
1.4 本文主要研究内容 6
第二章 控制系统总体方案 8
2.1 控制系统的功能和要求 8
2.2 控制系统总体框图 8
第三章 双足有膝被动机器人运动学和动力学建模 10
3.1 引言 10
3.2 有膝双足机器人模型建立 10
3.3 双足有膝机器人的运动学建模 11
3.3.1 正运动学建模 11
3.3.2 逆运动学建模 12
3.4 双足有膝机器人的动力学建模 13
3.5 稳定性分析 16
3.6 本章小结 17
第四章 仿人机器人控制系统的硬件设计 18
4.1 引言 18
4.2 核心处理器的选型 18
4.3 电机伺服系统 21
4.4 电源模块 23
4.5 本章小结 25
第五章 仿人机器人控制策略及其仿真 26
5.1 引言 26
5.2 角度不变控制策略 26
5.3 PD控制研究 28
5.3.1 双足机器人PD控制器设计 28
5.3.2 PD仿真结果 30
5.4 本章小结 30
结论与展望 31
致谢 33
参考文献 34
第一章 绪论
1.1 研究的背景和意义
“机器人”一词最早提出是为了能够将人类从各种危险﹑复杂繁忙的工作中解放出来，替代人类从事各类工作。机器人技术涉及了电子机械等多种自然学科。代表了机电一体化的最高成就，是二十世纪人类最伟大的成果之一。
机器人从应用环境方面可以大致分为两大类：特种机器人和工业机器人。特种机器人是用于非制造业并服务于人类的各种机器人总称。而所谓的工业机器人就是在工业生产的多关节操作臂。
在众多的机器人类型中，由于仿人双足机器人具有的类人运动方式从而在环境适应性，能耗，灵活性方面具有很大优越性。所以双足机器人具有重大的研究意义和价值[2]。
1.2 国内外的研究现状
1.2.1 国外研究现状
(1) 美国的研究概况
McGee教授于1989年提出了“被动动力行走”概念,并利用该原理建立一款无膝关节的双足机器人样机，如图11所示，该样机为避免摆动腿与地面产生干涉而在腿部安装了伸缩机构。不久之后并在此基础上，又成功建立了有膝关节的双足机器人，如图12所示，为阻止小腿的过度伸展，机器人在其膝关节处特别安装安装了角度抑制机构。为解决先前一直存在的侧向稳定问题，两款样机均采用了双内腿、外腿的四足结构[3]。机器人足部为弧状以增大稳定行走范围,这样的足行设计被后续的很多研究所采用。但是由于这样的结构设计，机器人只能够在二维平面内运动。
Andy Ruina教授和他的研究小组研制了一款同时具备膝关节和手臂的纯被动三维弧脚双足机器人，如13所示,该设计为了削弱机器人在碰撞过程中产生的不稳定因素，在弧形足底部添加了阻尼器。在机器人上加装对称手臂和膝关节的目
的是为了有效提高机器人的行走稳定性同时也加强了对行走路线的引导,使得机器人的步态更加拟人化。这种机器人在结构上具有更为高度的类人性,将机器人被动动力行走的优越性特点进行了完美的诠释。
图11无膝机器人模型 图12 有膝机器人模型
由于纯被动机器人只能在一定的斜坡上行走，为了增强机器人的环境适应性和抗干扰能力,在一些关节施加控制力矩,此类机器人被称为为欠驱动机器人。欠驱动机器人克服了纯被动机器人只能在一定坡度的斜面上行走的的局限性,实现了在平地、上坡甚至崎岖的地面上行走的功能。
康奈尔的科研人员在上一个纯被动机器人的基础上成功研制出了带有上体的欠驱动机器人,如图 14所示。该机器人共拥有5个自由度,为了实现类人行走时踝关节“蹬地”的效果，机器人在踝关节处安装了弹簧提升机构,此机器人平均步速为0.44m/s，能耗比仅为0.05，大致与人类的步行相当。实现了高度类人运动。此项成果在2005年2月《Science》上在发表,并从此成为欠驱动机器人的经典设计[4]。
无膝关节欠驱动机器人Ranger,如图15所示，该机器人采用了McGeer经典结构,为避免运动过程中出现擦地现象在踝关节施加了驱动力矩,行走过程中能够自如控制。
图13纯被动机器人 图14 欠驱动机器人 图15 机器人Ranger
代尔夫特理工大学研制出了三款以气动肌肉作为动力的输入被动机器人:Mike（16）,Max（17）,Denise（18）。气动肌肉是一种柔性驱动装置,可以有效减小机器人自身的质量,同时可以使行走步态更加柔顺。
Mike重为7kg,高0.7m,腿部设计中采用分布式配重机构,采用8条McKibben气动肌肉驱动,不带躯干,行走速度约为 0.4m/s,频率为1.6Hz。
Max重为10kg,腿高0.6m,总身高为1.1m,采用了两个充满CO2气体的气罐来驱动肌肉,同时带有躯干协调机构。机器人稳定行式走步距为0.35m,频率1.2Hz,速度为0.42m/s。
Denise重量为8kg,高为1.5m,共有五个自由度,其中踝关节两个,膝关节两个,髋关节一个。为了方便调节侧向偏移,在腿部安装有弹性装置。踝关节采用了类似于滑板式的结构,躯干处安装气缸用来带动气动肌肉,行走速度为 0.4m/s,但其能耗比为0.08,是 ASIMO能耗比的十倍[5]。
图16 机器人Mike 图 17机器人Max 图 1 8机器人 Denise
气动肌肉柔顺特性好，类似生物肌肉,但其响应速度慢,所以代尔夫特理工大学在研制了上述的气动肌肉机器人的同时研制了以伺服电机作为驱动装置的欠驱动机器人:Meta(19),Flame(110),Leo(111)。
第一章 绪论 1
1.1 研究的背景和意义 1
1.2 国内外的研究现状 1
1.2.1 国外研究现状 1
1.2.2 国内的研究概况 5
1.3 目前存在的问题 5
1.4 本文主要研究内容 6
第二章 控制系统总体方案 8
2.1 控制系统的功能和要求 8
2.2 控制系统总体框图 8
第三章 双足有膝被动机
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
义 1
1.2 国内外的研究现状 1
1.2.1 国外研究现状 1
1.2.2 国内的研究概况 5
1.3 目前存在的问题 5
1.4 本文主要研究内容 6
第二章 控制系统总体方案 8
2.1 控制系统的功能和要求 8
2.2 控制系统总体框图 8
第三章 双足有膝被动机器人运动学和动力学建模 10
3.1 引言 10
3.2 有膝双足机器人模型建立 10
3.3 双足有膝机器人的运动学建模 11
3.3.1 正运动学建模 11
3.3.2 逆运动学建模 12
3.4 双足有膝机器人的动力学建模 13
3.5 稳定性分析 16
3.6 本章小结 17
第四章 仿人机器人控制系统的硬件设计 18
4.1 引言 18
4.2 核心处理器的选型 18
4.3 电机伺服系统 21
4.4 电源模块 23
4.5 本章小结 25
第五章 仿人机器人控制策略及其仿真 26
5.1 引言 26
5.2 角度不变控制策略 26
5.3 PD控制研究 28
5.3.1 双足机器人PD控制器设计 28
5.3.2 PD仿真结果 30
5.4 本章小结 30
结论与展望 31
致谢 33
参考文献 34
第一章 绪论
1.1 研究的背景和意义
“机器人”一词最早提出是为了能够将人类从各种危险﹑复杂繁忙的工作中解放出来，替代人类从事各类工作。机器人技术涉及了电子机械等多种自然学科。代表了机电一体化的最高成就，是二十世纪人类最伟大的成果之一。
机器人从应用环境方面可以大致分为两大类：特种机器人和工业机器人。特种机器人是用于非制造业并服务于人类的各种机器人总称。而所谓的工业机器人就是在工业生产的多关节操作臂。
在众多的机器人类型中，由于仿人双足机器人具有的类人运动方式从而在环境适应性，能耗，灵活性方面具有很大优越性。所以双足机器人具有重大的研究意义和价值[2]。
1.2 国内外的研究现状
1.2.1 国外研究现状
(1) 美国的研究概况
McGee教授于1989年提出了“被动动力行走”概念,并利用该原理建立一款无膝关节的双足机器人样机，如图11所示，该样机为避免摆动腿与地面产生干涉而在腿部安装了伸缩机构。不久之后并在此基础上，又成功建立了有膝关节的双足机器人，如图12所示，为阻止小腿的过度伸展，机器人在其膝关节处特别安装安装了角度抑制机构。为解决先前一直存在的侧向稳定问题，两款样机均采用了双内腿、外腿的四足结构[3]。机器人足部为弧状以增大稳定行走范围,这样的足行设计被后续的很多研究所采用。但是由于这样的结构设计，机器人只能够在二维平面内运动。
Andy Ruina教授和他的研究小组研制了一款同时具备膝关节和手臂的纯被动三维弧脚双足机器人，如13所示,该设计为了削弱机器人在碰撞过程中产生的不稳定因素，在弧形足底部添加了阻尼器。在机器人上加装对称手臂和膝关节的目
的是为了有效提高机器人的行走稳定性同时也加强了对行走路线的引导,使得机器人的步态更加拟人化。这种机器人在结构上具有更为高度的类人性,将机器人被动动力行走的优越性特点进行了完美的诠释。
图11无膝机器人模型 图12 有膝机器人模型
由于纯被动机器人只能在一定的斜坡上行走，为了增强机器人的环境适应性和抗干扰能力,在一些关节施加控制力矩,此类机器人被称为为欠驱动机器人。欠驱动机器人克服了纯被动机器人只能在一定坡度的斜面上行走的的局限性,实现了在平地、上坡甚至崎岖的地面上行走的功能。
康奈尔的科研人员在上一个纯被动机器人的基础上成功研制出了带有上体的欠驱动机器人,如图 14所示。该机器人共拥有5个自由度,为了实现类人行走时踝关节“蹬地”的效果，机器人在踝关节处安装了弹簧提升机构,此机器人平均步速为0.44m/s，能耗比仅为0.05，大致与人类的步行相当。实现了高度类人运动。此项成果在2005年2月《Science》上在发表,并从此成为欠驱动机器人的经典设计[4]。
无膝关节欠驱动机器人Ranger,如图15所示，该机器人采用了McGeer经典结构,为避免运动过程中出现擦地现象在踝关节施加了驱动力矩,行走过程中能够自如控制。
图13纯被动机器人 图14 欠驱动机器人 图15 机器人Ranger
代尔夫特理工大学研制出了三款以气动肌肉作为动力的输入被动机器人:Mike（16）,Max（17）,Denise（18）。气动肌肉是一种柔性驱动装置,可以有效减小机器人自身的质量,同时可以使行走步态更加柔顺。
Mike重为7kg,高0.7m,腿部设计中采用分布式配重机构,采用8条McKibben气动肌肉驱动,不带躯干,行走速度约为 0.4m/s,频率为1.6Hz。
Max重为10kg,腿高0.6m,总身高为1.1m,采用了两个充满CO2气体的气罐来驱动肌肉,同时带有躯干协调机构。机器人稳定行式走步距为0.35m,频率1.2Hz,速度为0.42m/s。
Denise重量为8kg,高为1.5m,共有五个自由度,其中踝关节两个,膝关节两个,髋关节一个。为了方便调节侧向偏移,在腿部安装有弹性装置。踝关节采用了类似于滑板式的结构,躯干处安装气缸用来带动气动肌肉,行走速度为 0.4m/s,但其能耗比为0.08,是 ASIMO能耗比的十倍[5]。
图16 机器人Mike 图 17机器人Max 图 1 8机器人 Denise
气动肌肉柔顺特性好，类似生物肌肉,但其响应速度慢,所以代尔夫特理工大学在研制了上述的气动肌肉机器人的同时研制了以伺服电机作为驱动装置的欠驱动机器人:Meta(19),Flame(110),Leo(111)。
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