四足机器人步态分析及运动控制系统设计(附件)【字数：10950】
指导教师 张奔 摘 要机器人技术基础是一门新兴的交叉型学科，它的内容涵盖电子，力，生物，系统工程，计算机学和人工智能学等基础科学。四足机器人比两足机器人更稳定，可以避免冗余和六腿机器人的复杂性。首先，分析了机器人的机械结构，计算了步行过程中四条腿，三条腿和单条腿的自由度。然后建立四足机器人的并联运动学模型，将上平台相对于下平台的位置定义为T，然后求解的技巧是使用平行运动学公式进行求解每个足底相对于平台的位置。然后，建立单腿运动学模型，根据脚趾在基座坐标中的位置，从而对三个关节角进行排序。在此基础上，根据约束关节的力学分析机器人身体的空间极限运动范围。步态规划是本文的重点。根据本文设定的假设，在保证稳定性的条件下，它可能是最优的，并且在能耗，效率和运动空间方面是最优的。然后在移动空间的约束下讨论相应的初始姿态。静态稳定性是保证稳定步行的最基本的前提。为了获得更大的稳定裕度，我们首先计算出固定重心的静态步态。在此基础上，计划采用静态步态来提高动作的平滑度。为了解决在凹凸不平的地面行走的问题，采用了一个抛物线型的跨越步行过程。同时在结构与运动参数之间关系的稳定性边界上，给出了这两种稳定性的进展。
目 录
第一章 绪论 1
1.1.课题研究背景、意义 1
1.2. 四足机器人的优点 1
1.3. 四足机器人发展趋势 2
1.4.课题研究的基本内容、重点难点及要解决的主要问题 3
1.5 本章小结 5
第二章 四足机器人的步态规划及稳定性分析 6
2.1四足机器人的本体结构介绍 6
2.2 四足机器人的步态规划 6
2.2.2 步态规划及时序分析 7
2.3步态分析指令 8
2.4正运动学分析 11
2.5逆运动学分析 13
2.6仿真模拟 15
2.7 静态稳定性判断 16
2.8本章小结 17
第三章 四足机器人控制系统设计 18
3.1四足机器人系统结构设计 18
3.2关节运动规划控制器硬件设计 18
3.2.1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
控制器 19
3.2.2行走机构控制系统 19
3.3控制系统的软件设计 19
3.3.1控制程序 21
3.3.2直行控制系统的结构框图 22
3.4本章小结 23
总结 24
致谢 25
参考文献 26 绪论
1.1.课题研究背景、意义
从人类发明机器人到今天，许许多多的种类和功能不同的机器人已经走入我们的生活，他们大多数都是为人们服务的所以绝大多数都是模仿人类功能设计而成的。作为移动机器人平台，行走机器人的最大优势与齿轮式机器人的最大优势相比，它不仅可以穿越障碍，还可以穿越沙，沼泽等特殊道路，如工程勘察和军事侦察等特殊道路，它也可以设计为娱乐机器人或家庭服务机器，以及完整步行机器中的四足机器人。仿生四足步行机器人的研究具有重要意义，随着科技的发展，移动业务机器人在世界范围内的研发速度明显加快，与此同时，人们深知移动机器人的优势，例如在核工业，化学工业不是工人开展检测，检验等工作，在办公室，医院，酒店，家庭等服务；建筑物，大型船体，水槽清洗；在自动焊接作业的有毒环境中；为地球未知表面检测等这些活动，而是机器人来代替工人来完成这些高难度及危险工作。所以，相比于发展中国家而言发达国家非常重视机器人的研究，在其设计，生产，应用等行业已经形成了一定完整的产业链，与此同时，拓扑理论学与计算机图形学，计算机视觉等。机器人的研究将推动相关步行机器人的研究关系到许多其他的学科的发展，例如，力学，机械设计，机械制造学，材料学，计算机科学等等学科的发展。世界上现有的移动机器人通常是全腿式或轮式机器人。脚踏型机器人拥有着良好的运动灵敏性和较强的躲避障碍的能力，但现有的技术水平导致运动速度较低，轮式机器人运动速度较快，但躲避障碍物的能力和运动性能和非结构化环境移动能力不是很强，该研究能够有效的结合轮式机器人和足部机器人的优点，实现良好的机动性和更高的移动速度，但是历史上对于机器人的研究一直处于萌芽阶段，而且连续性也不强，因此，研究的成功必将提高我国在这一领域的国际竞争力。主要和最直接的应用领域是特殊的机器人平台。由于其灵活的移动方式和高速度，在将一定数量的功能设备添加到合适的地方之后，可以完成扫雷，风险检测和消除核污染威胁等一些危险任务。另外，由于环境识别和适应能力强，本项目还有另一个潜在的应用场地作为空间探索机器人。
1.2. 四足机器人的优点
四足机器人具有稳定性强，各种姿态容易分析，自由度较少等优点，所以国际上大都喜欢研究四足机器人。腿机构是四足步行机器人最重要的设计部分之一。正确选择支腿机构不仅可以使机器人的机构简单，易于设计，而且可以大大简化控制方案。由于技术原因，科学家们目前正在制造四足动物机器人，但四足动物具有很强的适应环境的能力，并且它们可以在很浅而且很硬的复杂地面，如沙石，雪地，软地和草地上可以爬过一定的坡度，穿越一定宽度的障碍物和沟壑，并将在不久的将来在以下地区发挥重要作用：例如，如果脚踏机底盘已经安装在陆地上的某些农业机械，水稻，露台上，在同一环境中，有些机械在采矿，如果运行机械底盘安装时，巷道的大坡会提高让路能力，在空间导航领域，行星探测机器人的“脚”安装将大大提高其在地球上的移动性；在边境行动战场应用，交通运输，侦察，排雷等；在危险和特殊的环境。在反恐工作中排雷和爆破拆除。探索地球表面，地震后的搜救，核工业放射性物质的运输和处理，小空间的运行，碎片，洞穴探测，管道检测，维护等方面，娱乐，服务和指导等方面，在脚部行走假肢的日常生活中有着很大的应用前景。
四足动物在不同地区有着广泛的应用，并发挥着特殊的作用。四足动物对研究和开发具有重要意义。
1.3. 四足机器人发展趋势
由于人类创造了以计算机为代表的各种信息处理和计算工具，我们进一步扩大和扩展了人脑的功能。机器人的诞生和传感器等技术的发展已成为20世纪人类科学发展的伟大成就之一。
1920年，法国科学家在它的小说里构造了一个不知疲倦的机器人奴仆，它可以无休止的代替人们进行工作，这位科学家就是著名的卡雷尔卡佩克，由他构造出来的机器人将人类从繁重枯燥的工作中解放出来，并将这种机器命名ROBOTA（机器人）这个词由此演变而来。
目 录
第一章 绪论 1
1.1.课题研究背景、意义 1
1.2. 四足机器人的优点 1
1.3. 四足机器人发展趋势 2
1.4.课题研究的基本内容、重点难点及要解决的主要问题 3
1.5 本章小结 5
第二章 四足机器人的步态规划及稳定性分析 6
2.1四足机器人的本体结构介绍 6
2.2 四足机器人的步态规划 6
2.2.2 步态规划及时序分析 7
2.3步态分析指令 8
2.4正运动学分析 11
2.5逆运动学分析 13
2.6仿真模拟 15
2.7 静态稳定性判断 16
2.8本章小结 17
第三章 四足机器人控制系统设计 18
3.1四足机器人系统结构设计 18
3.2关节运动规划控制器硬件设计 18
3.2.1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
控制器 19
3.2.2行走机构控制系统 19
3.3控制系统的软件设计 19
3.3.1控制程序 21
3.3.2直行控制系统的结构框图 22
3.4本章小结 23
总结 24
致谢 25
参考文献 26 绪论
1.1.课题研究背景、意义
从人类发明机器人到今天，许许多多的种类和功能不同的机器人已经走入我们的生活，他们大多数都是为人们服务的所以绝大多数都是模仿人类功能设计而成的。作为移动机器人平台，行走机器人的最大优势与齿轮式机器人的最大优势相比，它不仅可以穿越障碍，还可以穿越沙，沼泽等特殊道路，如工程勘察和军事侦察等特殊道路，它也可以设计为娱乐机器人或家庭服务机器，以及完整步行机器中的四足机器人。仿生四足步行机器人的研究具有重要意义，随着科技的发展，移动业务机器人在世界范围内的研发速度明显加快，与此同时，人们深知移动机器人的优势，例如在核工业，化学工业不是工人开展检测，检验等工作，在办公室，医院，酒店，家庭等服务；建筑物，大型船体，水槽清洗；在自动焊接作业的有毒环境中；为地球未知表面检测等这些活动，而是机器人来代替工人来完成这些高难度及危险工作。所以，相比于发展中国家而言发达国家非常重视机器人的研究，在其设计，生产，应用等行业已经形成了一定完整的产业链，与此同时，拓扑理论学与计算机图形学，计算机视觉等。机器人的研究将推动相关步行机器人的研究关系到许多其他的学科的发展，例如，力学，机械设计，机械制造学，材料学，计算机科学等等学科的发展。世界上现有的移动机器人通常是全腿式或轮式机器人。脚踏型机器人拥有着良好的运动灵敏性和较强的躲避障碍的能力，但现有的技术水平导致运动速度较低，轮式机器人运动速度较快，但躲避障碍物的能力和运动性能和非结构化环境移动能力不是很强，该研究能够有效的结合轮式机器人和足部机器人的优点，实现良好的机动性和更高的移动速度，但是历史上对于机器人的研究一直处于萌芽阶段，而且连续性也不强，因此，研究的成功必将提高我国在这一领域的国际竞争力。主要和最直接的应用领域是特殊的机器人平台。由于其灵活的移动方式和高速度，在将一定数量的功能设备添加到合适的地方之后，可以完成扫雷，风险检测和消除核污染威胁等一些危险任务。另外，由于环境识别和适应能力强，本项目还有另一个潜在的应用场地作为空间探索机器人。
1.2. 四足机器人的优点
四足机器人具有稳定性强，各种姿态容易分析，自由度较少等优点，所以国际上大都喜欢研究四足机器人。腿机构是四足步行机器人最重要的设计部分之一。正确选择支腿机构不仅可以使机器人的机构简单，易于设计，而且可以大大简化控制方案。由于技术原因，科学家们目前正在制造四足动物机器人，但四足动物具有很强的适应环境的能力，并且它们可以在很浅而且很硬的复杂地面，如沙石，雪地，软地和草地上可以爬过一定的坡度，穿越一定宽度的障碍物和沟壑，并将在不久的将来在以下地区发挥重要作用：例如，如果脚踏机底盘已经安装在陆地上的某些农业机械，水稻，露台上，在同一环境中，有些机械在采矿，如果运行机械底盘安装时，巷道的大坡会提高让路能力，在空间导航领域，行星探测机器人的“脚”安装将大大提高其在地球上的移动性；在边境行动战场应用，交通运输，侦察，排雷等；在危险和特殊的环境。在反恐工作中排雷和爆破拆除。探索地球表面，地震后的搜救，核工业放射性物质的运输和处理，小空间的运行，碎片，洞穴探测，管道检测，维护等方面，娱乐，服务和指导等方面，在脚部行走假肢的日常生活中有着很大的应用前景。
四足动物在不同地区有着广泛的应用，并发挥着特殊的作用。四足动物对研究和开发具有重要意义。
1.3. 四足机器人发展趋势
由于人类创造了以计算机为代表的各种信息处理和计算工具，我们进一步扩大和扩展了人脑的功能。机器人的诞生和传感器等技术的发展已成为20世纪人类科学发展的伟大成就之一。
1920年，法国科学家在它的小说里构造了一个不知疲倦的机器人奴仆，它可以无休止的代替人们进行工作，这位科学家就是著名的卡雷尔卡佩克，由他构造出来的机器人将人类从繁重枯燥的工作中解放出来，并将这种机器命名ROBOTA（机器人）这个词由此演变而来。
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