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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
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步态规划是机器人控制领域的研究热点和重要的研究内容。
双足机器人结构复杂，其行走过程是由连续的摆腿和离散的碰撞组成，具有众多自由度，难以通过传统控制理论方法建立动力学模型[1]。
即便勉强采用此类方法，也会导致双足机器人运动过程消耗大，行走速度低，环境适应性差。
实际上相比精准的步态，功能性和抗干扰性更为重要，也能使双足机器人能面对不同环境的需求。
随着信息技术的发展，以强化学习为代表的智能算法以其自适应特性越来越多运用于机器人控制领域[2-3]，但过去强化学习在机器人控制领域的实践都局限于低维的状态空间和动作空间，且一般是离散的情境下。
然而现实世界的复杂任务通常有着高维的状态空间和连续的动作空间。
2013年，DeepMind团队提出了结合深度神经网络和强化学习的DQN算法[4]，解决了高维输入问题。
但DQN仍是一个面向离散控制的算法，对连续动作处理能力不足。
在机器人的实际控制中，每个关节的角度输出是连续值，若把每个关节角取值范围离散化，则行为的数量随自由度的数量呈指数增长。
若进一步提升这个精度，取值的数量将成倍增长。
采用DDPG的双足机器人自学习步态规划方法周友行，赵晗妘，刘汉江，李昱泽，肖雨琴湘潭大学机械工程学院，湖南湘潭411105摘要：为解决多自由度双足机器人步行控制中高维非线性规划难题，挖掘不确定环境下双足机器人自主运动潜力，提出了一种改进的基于深度确定性策略梯度算法（DDPG）的双足机器人步态规划方案。
把双足机器人多关节自由度控制问题转化为非线性函数的多目标优化求解问题，采用DDPG算法来求解。
为解决全局逼近网络求解过程收敛慢的问题，采用径向基（RBF）神经网络进行非线性函数值的计算，并采用梯度下降算法更新神经网络权值，采用SumTree来筛选优质样本。
通过ROS、Gazebo、Tensorflow的联合仿真平台对双足机器人进行了模拟学习训练。
经数据仿真验证，改进后的DDPG算法平均达到最大累积奖励的时间提前了45.7%，成功率也提升了8.9%，且经训练后的关节姿态角度具有更好的平滑度。
《双足机器人步态规划与控制研究》篇一一、引言随着科技的不断进步，双足机器人已经成为现代机器人技术研究的热点之一。
双足机器人以其类似人类的行走方式，具有更高的灵活性和适应性，在服务、救援、军事等领域具有广泛的应用前景。
然而，要实现双足机器人的稳定行走，需要进行步态规划和控制研究。
本文旨在探讨双足机器人步态规划与控制的相关问题，以期为双足机器人的研究与应用提供一定的理论依据和技术支持。
二、双足机器人步态规划步态规划是双足机器人行走的基础，它决定了机器人的行走方式、速度和稳定性。
目前，常见的步态规划方法包括基于规则的方法、基于优化的方法和基于学习的方法。
1. 基于规则的步态规划基于规则的步态规划是根据预先设定的规则和逻辑，使机器人按照一定的步态行走。
这种方法简单易行，但需要针对不同的环境和任务进行规则调整，具有一定的局限性。
针对双足机器人的步态规划，需要考虑到机器人的身体结构、关节运动范围、地面情况等因素，制定出合适的步态规划规则。
2. 基于优化的步态规划基于优化的步态规划是通过建立数学模型，利用优化算法求解最优的步态。
这种方法可以根据机器人的任务和环境变化，自动调整步态参数，具有更好的适应性和灵活性。
常见的优化算法包括遗传算法、粒子群算法、动态规划等。
3. 基于学习的步态规划基于学习的步态规划是通过学习人类或其他生物的行走方式，使机器人模仿或自主学习步态。
这种方法需要大量的学习数据和计算资源，但可以使机器人具有更高的智能和灵活性。
常用的学习方法包括深度学习、强化学习等。
三、双足机器人控制研究双足机器人的控制是实现稳定行走的关键。
目前，常见的控制方法包括基于模型的控制、基于学习的控制和混合控制。
1. 基于模型的控制基于模型的控制是根据机器人的运动学和动力学模型，利用控制器对机器人进行控制。
这种方法需要建立准确的模型，并针对不同的任务和环境进行调整。
常见的控制器包括PID控制器、模糊控制器、神经网络控制器等。
机器人双足步态控制方法的研究与实现第一章绪论在过去几年中，机器人技术得到了长足的发展，已经越来越多地应用于制造业、医疗、军事、物流等领域。
与此同时，双足机器人也在逐渐增加相关应用领域。
随着科技的发展，双足机器人已经成为人类研究和开发的核心领域之一。
在人机交互方面，双足机器人可以更好地模仿人类步态，同样双足机器人也可以在危险的环境中或已经不适用于人类的环境中工作，如铁路维护、搜救行动和灾难应对等。
在双足机器人应用领域中，步态控制是一个非常重要的研究方向。
如何建立双足机器人的步态并对其控制，就是该领域的重要研究内容之一，是该领域研究的重点。
本文旨在对双足机器人步态控制方法的研究和实现进行分析和探讨。
第二章双足机器人步态控制的相关研究现状步态控制是双足机器人研究领域的重点，其研究现状主要包括以下方面：2.1 基本控制方法双足机器人的步态控制主要有两种基本方法：一种是基于动力学模型的控制方法，一种是基于模糊理论的控制方法。
基于动力学模型的控制方法，可以通过建立系统的动力学模型、控制器模型和仿真系统模型来实现。
基于模糊理论的控制方法，其主要特点是可以提高系统的自适应性和鲁棒性，从而提高系统的运动稳定性。
这种方法主要应用于模糊控制算法中，可以较好地解决系统中的死区和不确定性问题。
2.2 步态规划方法双足机器人的步态规划方法主要有基于参数曲线、基于较多来源等多种方法。
基于参数曲线的步态规划方法可以将双足机器人的运动轨迹细分为不同的部分并进行分析，从而得到实现步态控制的参数和条件。
基于多方面来源的步态规划方法则可以充分利用不同信息来源，如IMU、视觉甚至声音等，从而达到更为精确的运动控制效果。
2.3 双足机器人的步态仿真和实验研究在步态仿真和实验研究中，通常使用一些经典的运动过程和PID控制，通过建立双足机器人的运动模型，使用MATLAB、Simulink等工具进行建模和仿真，实现对双足机器人的控制和仿真操作。
・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。
