下载文档原格式
双足机器人步行规划与控制方法研究的开题报告一、选题背景和意义：双足机器人是一种模拟人类步态的机器人，具有广阔的应用前景和研究意义。
随着机器人技术的不断发展，双足机器人在工业生产、服务机器人、救援机器人等领域有着广泛的应用。
然而，双足机器人的步行规划与控制是机器人技术中的难点和热点问题之一。
二、研究内容和目标：本研究将研究双足机器人的步行规划与控制方法，主要包括以下内容：1. 基础理论研究：分析双足机器人步行的动力学特性和控制原理，建立机器人步行控制系统的数学模型；2. 步态生成研究：研究双足机器人的步态生成算法，设计有效的步态规划方法，确保机器人步行平稳性和稳定性；3. 姿态控制研究：研究姿态控制算法，根据机器人的运动轨迹和姿态变化对机器人进行控制，保证机器人稳定运动；4. 实验验证：通过实验验证，检验所提出的步行规划与控制方法的有效性和可行性。
本研究的目标是设计一种高效、稳定的双足机器人步行控制方法，达到机器人行走平稳性、稳定性和自适应性要求，为双足机器人应用领域提供高效的技术支撑。
三、研究方法和步骤：本研究采用理论分析和实验验证相结合的方法，具体步骤如下：1. 基础理论研究：深入理解双足机器人的动力学特性和控制原理，建立机器人步行控制系统的数学模型；2. 步态生成研究：研究双足机器人的步态生成算法，设计有效的步态规划方法；3. 姿态控制研究：研究姿态控制算法，根据机器人的运动轨迹和姿态变化对机器人进行控制；4. 实验验证：通过实验验证，检验所提出的步行规划与控制方法的有效性和可行性。
四、预期成果：通过本研究，预期可以得到以下成果：1. 可以深入理解双足机器人的动力学特性和控制原理，建立机器人步行控制系统的数学模型；2. 提出一种高效、稳定的步行规划方法，确保机器人步行平稳性和稳定性；3. 提出一种有效的姿态控制算法，保证机器人稳定运动；4. 通过实验验证，检验所提出的步行规划与控制方法的有效性和可行性。
双足仿生机器人行走机构设计
双足仿生机器人行走机构设计一般包括以下几个关键部分：
1. 足底结构：足底结构是机器人与地面接触的部分，需要具备良好的稳定性和抓地力。
一般采用橡胶材料制作，设计有凹凸纹路或者类似动物脚掌的结构，以增加摩擦力和抓地力。
2. 关节设计：双足仿生机器人的每个腿部都需要多个关节来实现自由运动。
关节设计需要考虑到机器人的稳定性和灵活性，一般采用电机驱动的旋转关节或者液压/气动驱动的线性关节。
3. 动力系统：机器人行走需要动力系统提供能量。
一般采用电池或者电源供电，驱动关节的电机需要具备足够的扭矩和速度来实现机器人的行走。
4. 传感器：为了实现机器人的平衡和姿态控制，需要配备各种传感器。
例如，陀螺仪和加速度计可以用来检测机器人的倾斜角度，力传感器可以用来感知地面反作用力，视觉传感器可以用来感知周围环境。
5. 控制系统：双足仿生机器人的行走需要一个高效的控制系统。
控制系统可以根据传感器的反馈信息，实时调整关节的运动，以保持机器人的平衡和稳定。
总体来说，双足仿生机器人行走机构设计需要考虑到稳定性、灵活性、能量效率和控制系统的要求。
具体的设计方案需要根据机器人的应用场景和需求来确定。
双足竞步机器人的步态规划翟胜杭;姜豪;祝铠甲;张鹏;刘利;史颖刚;胡国田【期刊名称】《机械研究与应用》【年(卷),期】2017(030)001【摘要】以双足竞步机器人为研究对象,提出了一种可以对机器人进行快速调试的方法.该方法先建立机器人的数学模型和运动学方程,求出机器人正运动学的解,并进行步态规划,计算出机器人行走或其他动作过程中各关节摆动的角度,再进行上机调试.测试结果表明,在该方法所得结果的基础上,进行一定的调节,就能够让机器人完成预期动作.这种离线规划、在线微调的快速调试方法,能够有效提高同类型机器人的调试效率.【总页数】5页(P10-14)【作者】翟胜杭;姜豪;祝铠甲;张鹏;刘利;史颖刚;胡国田【作者单位】西北农林科技大学机械与电子工程学院,陕西杨凌 712100;西北农林科技大学机械与电子工程学院,陕西杨凌 712100;西北农林科技大学机械与电子工程学院,陕西杨凌 712100;西北农林科技大学机械与电子工程学院,陕西杨凌712100;西北农林科技大学机械与电子工程学院,陕西杨凌 712100;西北农林科技大学机械与电子工程学院,陕西杨凌 712100;西北农林科技大学机械与电子工程学院,陕西杨凌 712100【正文语种】中文【中图分类】TP242.6【相关文献】1.双足竞步机器人控制系统设计与实现 [J], 李佳怡2.基于单片机的双足竞步机器人控制系统设计 [J], 曾凡菊3.基于Autocad和Pro-E的双足竞步机器人结构设计及轨迹跟踪研究 [J], 李素云4.双足竞步机器人控制系统设计与实现 [J], 李佳怡5.NMPC实时步态规划双足机器人步态轨迹周期稳定性分析 [J], 朱志斌;王岩;陈兴林因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
一种基于CPG的两足机器人步态生成方法
李福东;李金良;于岩;樊炳辉
【期刊名称】《山东科技大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2011(030)003
【摘要】提出一种基于中枢模式发生器(central pattern generator,CPG)的双足机器人步态生成方法.应用Matsuoka振荡器设计了CPG控制器,其输出控制踝关节角度,膝关节和髋关节角度通过轨迹规划得到.通过将CPG输出与"引导曲线"叠加,实现了机器人的连续稳定行走.该方法避免了CPG繁杂的参数优化过程,是CPG应用的一大进步.MATLAB仿真结果证明了所提方法的可行性.
【总页数】6页(P95-100)
【作者】李福东;李金良;于岩;樊炳辉
【作者单位】山东科技大学,机械电子工程学院,山东青岛266510;山东科技大学,机械电子工程学院,山东青岛266510;山东科技大学,机械电子工程学院,山东青岛266510;山东科技大学,机械电子工程学院,山东青岛266510
【正文语种】中文
【中图分类】TP242
【相关文献】
1.三种基于对角小跑步态的四足机器人转弯运动生成方法比较 [J], 洪真;李彬;辛亚先;张慧
2.三种基于对角小跑步态的四足机器人转弯运动生成方法比较 [J], 洪真;李彬;辛亚
先;张慧;
3.一种用于多足步行机器人步态控制的CPG模型 [J], 袁鹏
4.基于CPG的仿蟹机器人复杂地形步态生成方法 [J], 王刚;韩金华;韩世凯;陈曦;叶秀芬
5.基于CPG的六足机器人运动步态控制方法 [J], 林知微;林翰文;刘宗朋
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
・16・
一种双足步行机器人的步态规划方法
□胡洪志马宏绪
国防科技大学机电工程与自动化学院
[摘要]本文介绍了一种双足步行机器人的步态规划方法,以前向运动为例,详细介绍了先分阶段规划然后合成的方法,并
讨论了行走过程中的冲击振动问题及减振措施,实验及仿真结果验证了这一规划方法的有效性。
[关键字]双足步行机器人步态规划减振
[Abstract]In this p a p er ,w e p ut forw ard a m ethod for hum anoid robot g ait p lannin g .W e take forw ard m otion for exam p le ,illustrate the
p hase p lannin g and com p ound m ethod in detail.T his p a p er also discusses the im p act v ibration p roblem and how to g et rid of it.T he ex
2p erim ent and simulation result verified the validation of the m ethod.
[K e y w ords]bi p ed robot ;g ait p lannin g ;v ibration decrease
[作者简介]胡洪志:男,1978年3月生,国防科技大学机电工程与自动化学院研究生,研究方向:智能机器人系统。
马宏绪:男,1966年8月生,国防科技大学机电工程与自动化学院教授,硕士生导师,研究方向:智能机器人系统。
1引言
双足步行机器人的研究是由仿生学、机械工程学和控制理论等多种学科相互融合而形成的一门综合学科,是机器人研究的一个重要分支。
双足步行机器人的研究可以促进多个学科的研究,并为相关学科的研究提供一个平台,具有很大的理论价值。
在实际应用中,双足步行机器人可用于有放射性、危险及其它对人体有害的环境中取代人类劳动,把人从高强度、长时间及单调乏味的工作中解脱出来,具有广阔的市场前景。
步行机器人最大的特征是步行,步态是在步行运动过程中,步行体的身体各部位在时序和空间上的一种协调关系,步态规划是双足步行机器人研究中的一个关键技术。
要实现和提高机器人的行走性能,必须研究实用
而有效的步态规划方法,实现机器人的稳定步行。
2双足步行机器人模型
本文的研究对象是一台具有12关节自由度的双足步行机构,每条腿各有6个自由度,即:踝关节有前向和侧向两个自由度;膝关节一个前向自由度,髋关节具有三个
自由度,包括前向、侧向及转弯自由度。
由仿真分析及实验研究可知,在步行运动中,双足步行机器人前向各关节的运动与侧向各关节运动之间的耦合很小,可以忽略这一耦合的影响,对机器人前向和侧向的运动分开建模。
本文主要讨论前向运动的步态规划问题。
前向运动模型如下图一:
定义:双腿关节,先左腿,后右腿,左腿由下至上,右腿由上至下,依次标注为1,2,3,...,10,11,12,各关节对应的转角依次为θ1,θ2,θ3,…,θ10,θ11,θ12,其中θ1,θ5,θ8,θ12,分别为双腿侧向关节对应的转角;θ2,θ3,θ4,θ11,θ10,θ9为双腿前向关节对应的转角;θ6,
θ7转弯关节在前向运动中始终保持为零。
图一
・17・
图三
图四
图二
3基本规划方法
采用离线规划方法,首先根据机器人实现前向行走的基本姿态,规划各关节的运动,将各关节的转角信息写入数据文件,行走时小板机将数据文件中的数据写入双口RAM ,DSP 控制器从双口RAM 读出规划好的数据,将其送入各对应关节的关节局部控制器
,从而实现各个关节的P ID 位置控制,由这些关节运
动的不同时序和转角形成了机器人前向行走的步态。
3.1前向步态的分阶段规划
机器人的前向行走,由四个侧向关节和六个前向关节的协调运动来实现(转弯关节始终不动),通过侧向关节的运动来移动机构的重心,双腿前向关节的协调运动使机器人向前行走。
为使步态规划易于进行,将前向行走步态设计分为重心右移(先是右腿支撑)、左腿抬起、左腿放下、重心移到双腿中间、重心左移、右腿抬起、右腿放下、重心移到双腿间八个阶段。
下图为前向关节的运动示意图:
在摆动腿前摆时,身体重心从双腿中心移到支撑腿上,因此身体先要向支撑腿一侧扭动来移动重心,为了防止在侧扭时抬腿,而造成身体向摆动腿一侧倾倒,步态设计中将侧扭和抬腿分步设计,即先侧扭,侧扭到位后保持,然后抬腿。
重心的计算:前向行走的过程中,机器人的重心要移动到支撑腿上,重心的移动是通过双腿侧向关节的扭动来实现的,
侧扭角度的计算示意图。
其中,a =0.09m ,b =0.954m
可近似算得侧扭角度:θ=a tan (a/b )=5.39°为了使关节的转动角度平滑改变,用正弦曲线来规划侧向关节的运动,设移动重心所需的时间为t 1,则侧向关节的运动轨迹为:
θc =5.39×sin (p i /2×t /t 1),t ∈[0,t 1]前向运动由双腿的前向关节来协调完成,他们必须满足一定的几何约束关系如图四所示
,由这一约束分析得前向的各关节轨迹规划:
・18・
其中,l =l 1+l 2
R =
x 2+(1-y )2
x :前向的位移y :抬腿的高度
3.2分阶段规划的合成
分阶段的规划便于调试和修改程序,但是运动周期太长,所以在机器人的实际行走过程中,将相关的运动阶段合并使前向和侧向关节同时运动,将侧扭和抬腿动作合并,在落腿的同时重心移至双腿之间,从而提高步行速度,步行的姿态也与人类行走更为相似。
侧向及转身行走的步态规划也可仿照这种方法进行设计,限于篇幅这里就不再赘述。
4步行过程中的冲击振动及减振措施
在步行过程中,摆动腿落地时对地面产生冲击,造成关节的剧烈振动,这是一个影响机器人稳定行走的重要因素。
要提高机器人的步行速度,必须设法减小冲击振动,有学者提出在脚底板加软垫来减小冲击,文中在规划步态时始终保持脚板与地面平行来减小冲击,有一定的效果,但冲击振动仍然对行走稳定性有较大影响。
这里提出另一种减小冲击的方法,在摆动腿落地时适当减小摆动腿踝关节的比例系数,减小关节刚度,从而减小对地冲击,提高行走的稳定性。
5步行稳定性的判断
采用Vukobratovic 提出的ZM P (Zero Moment
Point )方法来验证步行的稳定性,ZM P 公式如下,
式中,x ,y ,z 是机器人身体各部分质心坐标,U
i y
,U ix 是关节驱动力矩。
X O Y 是脚底板所在平面,Z
轴垂直地面向上。
步行机器人的稳定区域是指在步行运动中,由支撑的脚掌所组成的凸形区域在水平面上的投影,本文所用的规划方法使机器人的重心垂直位置始终落在支撑脚的稳定支撑域内,保证了行走的稳定性。
6实验结果及结论
前向行走杆状图:
本文采用分解合成的方法进行双足步行机器人的步态规划,通过实验获得了小步幅的稳定行走,要进一步提高行走的速度和稳定性,实现高速动态步行需要对规划方法和控制方法进行更深入的研究.
参考文献
[1]马宏绪,双足步行机器人动态步行研究,国防科技大学博
士论文,1995年
[2]马宏绪,张彭,张良起,双足步行机器人动态步行的运动控制与实时时位控制方法,机器人Vol.20,No.1,J an ,1998[3]傅京逊等,《机器人学》,1988
[4]YUAN -FAN G ZHEN G HEMAM I ,Im p act Effect s of Bi p ed Contact wit h t he Environment ,IEEE TRAN SAC T ION ON S YS TEM ,MAN AND C Y B ERN E T ICS ,VOL 。
SMC -14,NO.3,MA Y/J
U N E 1984
图5。
