双足步行机器人设计(附件)
在全球机械自动化技术不停发展的背景下，机器人领域也获得了较快的发展。双足步行机器人由于有较高的仿人性，且对于帮助残疾人辅助运动起到重要作用，所以这些年在机器人研究领域一直作为重点研究。对于双足机器人来讲，它行走的步态方式和行走时各个关节的位置是保证整体动作顺利完成的关键。本文以参加中国机器人大赛的双足机器人作为设计对象，简单分析了竞赛的双足机器人的步态，并阐释了怎么在规定前提下完成对双足步行机器人步态的规划和控制，为设计自主脱线式双足步行机器人奠下基础。论文结合了人类行走的特点，并且通过简单的模拟去分析，最后制定了6个自由度的机器人，选择的舵机型号为春天sr403p,控制部分采用的是常见的单片机stm8s105k4t6，整体的机器人材料选用的是结构性能强，轻巧的铝合金。关键词 双足机器人，机器人，控制,步态规划目 录
1 引言 1
1.1 研究背景 1
1.2 国内外双足机器人研究现状 1
1.3 研究内容 5
2 双足机器人总体方案的设计 5
2.1 双足步行机器人的总体分析 6
2.2 机器人结构设计 6
3 双足步行机器人的步态规划 13
3.1 步态规划的原则 13
3.2 步态规划的具体方法 14
4 实验验证 21
实验结论与总结 24
1 引言
当今社会，随着科学技术的不断发展，智能机器人技术越来越受到大家的注重，而机器人学是近来几十年发展起来的一门综合性学科，双足机器人则是机器人研究领域的热门之一[1]。双足步行机器人的研究需要结合机械工程、计算机基础以及程序、控制工程、电工电子工程、仿生学和人工智能等多个领域的知识，同时，它自身研究的结果也将促进这些学科的发展。
1.1 研究背景
随着科技的不断发展，有关机器人的研究越来越成为热点。在从机器人被研究的开始，仿人机器人就一直被人们关注和研究，本次研究的双足机器人也是一种基本反映人体运动特点的模型。通过肢体走路是大部分动物的运动方式，人类更是通过双脚行走。双足机器人的运动复杂，涉及到仿生学和运动学，且它完全自主脱线式运动，通过对它结构的分析，其对于环境
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结果也将促进这些学科的发展。
1.1 研究背景
随着科技的不断发展，有关机器人的研究越来越成为热点。在从机器人被研究的开始，仿人机器人就一直被人们关注和研究，本次研究的双足机器人也是一种基本反映人体运动特点的模型。通过肢体走路是大部分动物的运动方式，人类更是通过双脚行走。双足机器人的运动复杂，涉及到仿生学和运动学，且它完全自主脱线式运动，通过对它结构的分析，其对于环境的融入性比较高。其它类型的机器人还有履带式机器人和轮式机器人，但是和双足机器人比较下来双足更具有特别的优势，首先双足机器人能够在比较窄小的地方行走，且双足步行机器人能够越过一般障碍物、能够上下楼梯或者在凹凸不平的地面活动，由于其本身特殊性，故能够替代人类在有辐射，灰尘，以及高毒的恶劣条件下作业，并且人型机器人能够从事一般的家务活，或者代替人照顾老人[2]。双足步行机器人的建立是完全根据人类的运动方式来分析的。所以对双足机器人的研究不仅仅让我们更充分了解自己的运动特点，而且这对运动学仿生学来说是具有特别的价值。如果对于动物行走的原理有了充分的依据，便能够更快，更精准的对足式运动机器人进行研发。与此同时，对于相关机构研究假肢乃至于更先进的助行工具提供了很好的科学依据和帮助。所以对它的研究在医疗行业有着非凡的意义和价值。技术成熟后将能够充分帮助残疾人士。[3]。通过以上介绍，双足机器人的研究有着非常广阔的市场。
1.2 国内外双足机器人研究现状
1.2.1 国外双足机器人研究现状
日本在1971年由I.Kato研制出第一台真正的双足步行机器人，并命名为wap3，它的最大步幅是15mm，周期是45s，此机器人的成功研制拉开了双足机器人研究领域的序幕。
在1976至1986年间，牛津大学witt等人制造而且完善了一种人型机器人，运动速度达到0.23m/s,功率大概是4w。
1986年，日本本田公司推出了双足机器人的研究计划，于这之后便一直研究，并于1996年11月推出拥有和人外貌特征相似的p2型机器人，如图1，它是世界上第一个脱线的并且能够自主移动的人形机器人，它有28个自由度，体重为210kg，身高1800mm。该款机器人通过六个脚底压力传感器，加速度传感器、和陀螺仪把地面上的情况识别出并发送到机器人的控制系统，从而根据地面情况的信息判断，控制身体的平衡。它在地面行走的速度可以达到3 km/h，并且能够适应的路面环境很多，其中包括狭窄的通道，还有稍微凹凸的地面。在一些小型障碍物前面，它也能顺利跨过去，它还能够上下楼梯，甚至推动小车。
在这之后本田公司又推出了p3机器人，p3是p2的升级版，身高变为1600mm，体重变为130kg，在改进的新技术下，p3的行走能力和行走稳定性都得到了提高。
这两代机器人的问世标志着人型机器人的研究在世界范围内拉开序幕。在这以后，世界上的很多机构投入大量的时间和精力研发人型机器人。也出现了一大批智慧的结晶。
本田公司在2012年又推出了新一代的人型机器人ASIMO，如图2，这标志着日本机器人的研究又进入了一个新的阶段。与之前的p2和p3比较，ASIMO重量更轻，仅有43kg，体形更小，仅有1200mm。它选用本公司自主研究的处理器，动力方面选的是伺服电机，并搭配了镍氢电池，并且采用了I-walkinga技术，简称智能实时灵活行走技术。
实时灵活行走技术是用来预测运动控制的最新技术，它是通过结合零力矩点（zmp）步行技术从而计算和预测出之后的动作，从而根据反馈的情况来提前调整机器人的步伐，这样就能够控制阿西莫机器人具有边行走边调整整体姿势，从而达到动态行走的功能，这项技术大大改善了当初机器人运动时假如需要转弯，必须得先要直线行走运动停止，再进行原地转弯的劣势。且使运动动作尤其是转弯动作看起来更加连续流畅，同时阿西莫通过零力矩点控制技术和C-ATGRF控制技术使落脚地点更加的精准，更加符合人运动的特点。而且可以通过调整ASIMO的步伐大小调整运动的速度。
本田在2004年12月又推出了新一代的ASIMO机器人，它能够在运动的过程中快速对周围的环境进行判断，并且能够灵活的运动，新一代ASIMO机器人通过上半身弯曲和扭曲的新姿势作为控制的关键，并且这款搭配了高速处理的硬件，实现了正常2.5km/h的行走速度和6km/h的奔跑速度。其共有34个自由度，重54kg，高1300mm。
同时ASIMO搭配了众多传感器，其中包括脚部的六轴向方向传感器，身体内的加速传感器和陀螺仪等。
它通过由地面的传感器获得周围信息，在步行的同时通过对周围环境的采集和事先存入体内的地图对比，可以实现错误路线的更正，同时它能够检测到障碍物，并凭自己判断绕开这些障碍物。它能够通过视觉传感器以及手腕上的力传感器检测人的动作，并且能够根据对方的握手动作进行配合。甚至能够自己拿物品或者接过其他人手上的物品。
图1 p2型机器人 图2 ASIMO机器人
1 引言 1
1.1 研究背景 1
1.2 国内外双足机器人研究现状 1
1.3 研究内容 5
2 双足机器人总体方案的设计 5
2.1 双足步行机器人的总体分析 6
2.2 机器人结构设计 6
3 双足步行机器人的步态规划 13
3.1 步态规划的原则 13
3.2 步态规划的具体方法 14
4 实验验证 21
实验结论与总结 24
1 引言
当今社会，随着科学技术的不断发展，智能机器人技术越来越受到大家的注重，而机器人学是近来几十年发展起来的一门综合性学科，双足机器人则是机器人研究领域的热门之一[1]。双足步行机器人的研究需要结合机械工程、计算机基础以及程序、控制工程、电工电子工程、仿生学和人工智能等多个领域的知识，同时，它自身研究的结果也将促进这些学科的发展。
1.1 研究背景
随着科技的不断发展，有关机器人的研究越来越成为热点。在从机器人被研究的开始，仿人机器人就一直被人们关注和研究，本次研究的双足机器人也是一种基本反映人体运动特点的模型。通过肢体走路是大部分动物的运动方式，人类更是通过双脚行走。双足机器人的运动复杂，涉及到仿生学和运动学，且它完全自主脱线式运动，通过对它结构的分析，其对于环境
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
结果也将促进这些学科的发展。
1.1 研究背景
随着科技的不断发展，有关机器人的研究越来越成为热点。在从机器人被研究的开始，仿人机器人就一直被人们关注和研究，本次研究的双足机器人也是一种基本反映人体运动特点的模型。通过肢体走路是大部分动物的运动方式，人类更是通过双脚行走。双足机器人的运动复杂，涉及到仿生学和运动学，且它完全自主脱线式运动，通过对它结构的分析，其对于环境的融入性比较高。其它类型的机器人还有履带式机器人和轮式机器人，但是和双足机器人比较下来双足更具有特别的优势，首先双足机器人能够在比较窄小的地方行走，且双足步行机器人能够越过一般障碍物、能够上下楼梯或者在凹凸不平的地面活动，由于其本身特殊性，故能够替代人类在有辐射，灰尘，以及高毒的恶劣条件下作业，并且人型机器人能够从事一般的家务活，或者代替人照顾老人[2]。双足步行机器人的建立是完全根据人类的运动方式来分析的。所以对双足机器人的研究不仅仅让我们更充分了解自己的运动特点，而且这对运动学仿生学来说是具有特别的价值。如果对于动物行走的原理有了充分的依据，便能够更快，更精准的对足式运动机器人进行研发。与此同时，对于相关机构研究假肢乃至于更先进的助行工具提供了很好的科学依据和帮助。所以对它的研究在医疗行业有着非凡的意义和价值。技术成熟后将能够充分帮助残疾人士。[3]。通过以上介绍，双足机器人的研究有着非常广阔的市场。
1.2 国内外双足机器人研究现状
1.2.1 国外双足机器人研究现状
日本在1971年由I.Kato研制出第一台真正的双足步行机器人，并命名为wap3，它的最大步幅是15mm，周期是45s，此机器人的成功研制拉开了双足机器人研究领域的序幕。
在1976至1986年间，牛津大学witt等人制造而且完善了一种人型机器人，运动速度达到0.23m/s,功率大概是4w。
1986年，日本本田公司推出了双足机器人的研究计划，于这之后便一直研究，并于1996年11月推出拥有和人外貌特征相似的p2型机器人，如图1，它是世界上第一个脱线的并且能够自主移动的人形机器人，它有28个自由度，体重为210kg，身高1800mm。该款机器人通过六个脚底压力传感器，加速度传感器、和陀螺仪把地面上的情况识别出并发送到机器人的控制系统，从而根据地面情况的信息判断，控制身体的平衡。它在地面行走的速度可以达到3 km/h，并且能够适应的路面环境很多，其中包括狭窄的通道，还有稍微凹凸的地面。在一些小型障碍物前面，它也能顺利跨过去，它还能够上下楼梯，甚至推动小车。
在这之后本田公司又推出了p3机器人，p3是p2的升级版，身高变为1600mm，体重变为130kg，在改进的新技术下，p3的行走能力和行走稳定性都得到了提高。
这两代机器人的问世标志着人型机器人的研究在世界范围内拉开序幕。在这以后，世界上的很多机构投入大量的时间和精力研发人型机器人。也出现了一大批智慧的结晶。
本田公司在2012年又推出了新一代的人型机器人ASIMO，如图2，这标志着日本机器人的研究又进入了一个新的阶段。与之前的p2和p3比较，ASIMO重量更轻，仅有43kg，体形更小，仅有1200mm。它选用本公司自主研究的处理器，动力方面选的是伺服电机，并搭配了镍氢电池，并且采用了I-walkinga技术，简称智能实时灵活行走技术。
实时灵活行走技术是用来预测运动控制的最新技术，它是通过结合零力矩点（zmp）步行技术从而计算和预测出之后的动作，从而根据反馈的情况来提前调整机器人的步伐，这样就能够控制阿西莫机器人具有边行走边调整整体姿势，从而达到动态行走的功能，这项技术大大改善了当初机器人运动时假如需要转弯，必须得先要直线行走运动停止，再进行原地转弯的劣势。且使运动动作尤其是转弯动作看起来更加连续流畅，同时阿西莫通过零力矩点控制技术和C-ATGRF控制技术使落脚地点更加的精准，更加符合人运动的特点。而且可以通过调整ASIMO的步伐大小调整运动的速度。
本田在2004年12月又推出了新一代的ASIMO机器人，它能够在运动的过程中快速对周围的环境进行判断，并且能够灵活的运动，新一代ASIMO机器人通过上半身弯曲和扭曲的新姿势作为控制的关键，并且这款搭配了高速处理的硬件，实现了正常2.5km/h的行走速度和6km/h的奔跑速度。其共有34个自由度，重54kg，高1300mm。
同时ASIMO搭配了众多传感器，其中包括脚部的六轴向方向传感器，身体内的加速传感器和陀螺仪等。
它通过由地面的传感器获得周围信息，在步行的同时通过对周围环境的采集和事先存入体内的地图对比，可以实现错误路线的更正，同时它能够检测到障碍物，并凭自己判断绕开这些障碍物。它能够通过视觉传感器以及手腕上的力传感器检测人的动作，并且能够根据对方的握手动作进行配合。甚至能够自己拿物品或者接过其他人手上的物品。
图1 p2型机器人 图2 ASIMO机器人
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