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邮局订阅号：８２－９４６３６０元／年技术创新机器人技术《ＰＬＣ技术应用２００例》您的论文得到两院院士关注仿人机器人７ＤＯＦ腿部的运动分析与仿真ＴｈｅＫｉｎｅｍａｔｉｃｓＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆ７ＤＯＦＬｅｇｓｏｆＨｕｍａｎｏｉｄＲｏｂｏｔ（北京理工大学机电工程学院智能机器人研究所）张㑇黄强李光日ＺＨＡＮＧＺＨＯＵＨＵＡＮＧＱＩＡＮＧＬＩＧＵＡＮＧＲＩ摘要：传统的６自由度腿部逆运动学求解可以得到唯一解，仿人机器人７自由度腿部由于冗余自由度的存在，其逆运动学求解比６自由度腿部更难。
本文采用Ｄ－Ｈ方法对现有的仿人机器人７自由度的下肢进行运动学建模与分析，用位姿分离法求解步行运动中的逆运动学解，在ＬＭＳＶｉｒｔｕａｌ．Ｌａｂ仿真平台上仿真，为解决机器人的动力学问题做必要的准备。
关键词：仿人机器人；运动学；仿真中图分类号：ＴＰ２４２文献标识码：ＡＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｋｉｎｅｍａｔｉｃｓａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆ７ＤＯＦ（ｄｅｇｒｅｅｓｏｆｆｒｅｅｄｏｍ）ｌｅｇｓｏｆｈｕｍａｎｏｉｄｒｏｂｏｔａｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ａｎｄｔｈｅｉｎｖｅｒｓｅｋｉｎｅｍａｔｉｃｓｓｏｌｕｔｉｏｎｉｓｇａｉｎｅｄｂｙｓｅｐａｒａｔｉｎｇｔｈｅｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｏｆｔｈｅａｎｋｌｅ．ＴｈｅｎｉｔｈａｓｂｅｅｎｓｉｍｕｌａｔｅｄｂｙｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅＬＭＳＶｉｒｔｕａｌ．Ｌａｂｔｏｍａｋｅｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｓｐｒｏｂｌｅｍｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｕｍａｎｏｉｄｒｏｂｏｔ，ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ文章编号：１００８－０５７０（２００８）０２－２－０１９７－０３１前言传统的仿人机器人腿部大多采用６自由度。
６自由度腿部的仿人机器人虽然在给定的空间能够完成任意位置和姿态的作业，但是由于机构的奇异使机器人无法完成一些较为复杂的动作。
北京理工大学机器人研究概况北京理工大学智能机器人研究所黄强提纲一、研究所机器人方向二、仿人机器人研究工作一、研究所机器人方向•移动机器人•微小型机器人•空间机器人•传感器、驱动控制•仿人机器人移动机器人微小型机器人微小型机器人光电传感器人体热释电传感器摄像头仿人机器人研究工作•仿人机器人的国内外研究现状•仿人型机器人仿真平台•仿人型机器人步行规划与控制•仿人机器人设计特点：人类生活环境的适应能力工作环境：办公室、医院等运载工具：小汽车、飞机等仿人机器人具有双脚、双手、头部、躯干的机器人作业的通用性：不需改造环境，可代替人完成各种作业北京理工大学”汇童”仿人机器人国外研究现状•1973年加藤一郎教授为首的日本早稻田大学•1992年日本早稻田大学及工业界组织•1997年日本本田技术研究所（10年秘密研究）–仿人机器人P2、P3、ASIMO相继问世（目前总投资近100亿日圆）•1998年日本通产省国家专项（5年50亿日圆）•2000年日本索尼公司国外研究现状•现在其它组织–德国慕尼黑军事大学–美国麻省理工学院–法国INRIA国家研究所–韩国国家科学技术研究院–日本富士通公司–日本科学技术厅早稻田大学仿人形机器人1985年弾銅琴机器人WABIAN仿人形机器人日本通产省国家专项仿人形机器人国内研究现状•起步较早的研究单位–国防科技大学–哈尔滨工业大学•现在研究行列–清华大学–上海交通大学–上海大学–中科院沈阳自动化所–北京理工大学–等仿真平台的重要性•软件–控制方法评价–系统软件开发•硬件–机械机构设计–电机性能的评价•降低成本•缩短研究周期建立与实际的仿人机器人具有一致性的仿真系统仿真平台构成•机器人动力学模型•电机数学模型•传感器数学模型•外界环境模型•控制器•等基本环境：DADS（Dynamics Analysis andDesign System)地面反力接触模型建立杨氏系数模量原理:⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧>+-±±=+-±<+-+=tp 1.52r 2r m t p 1.52r 2r mt p 1.5r p 2r 2r m c v v )]δC 1C 1([1r 10.733E v v )]δC 1C 10.99([1r 10.733E v v )]δv v )tanh(2.5C 1C 1([1r 10.733E F E m : 杨氏模量C r : 弹性系数: 相对位移r : 接触半径δ•优点：–计算精度高–实际接触变形等同F = KX + DX.K : 6×6 线性弹性矩阵D : 对角色阻尼矩阵X : 相对位移量和旋转量⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡--=l I 4E 0l I 6E 00l I 4E 0l I 6E 0000l I G 0000l I 6E 0l I 12E 00l I 6E 000l I 12E 000000l A E K z b 2xb yb 2y b x b 2y b 3yb 2x b 3xb b 力/力矩传感器模型建立•优点：–计算简单–和实际传感器等同单梁理论:电机模型建立•根据目标运动算出电机所需技术指标•根据所用的实际电机算出机器人的运动性能电机参数:能量、力矩和时间常数仿真平台实验3维步行确定速度2km/h时所需电机力矩2. 仿人型机器人步行规划与控制稳定步行方面前人的工作1.基于机器人动力学的离线步态规划–First design ZMP, then derive body motionTakanishi: ICAR’85; Shin: ICRA’90;Hirose: ICRA’98; Dasgupta: ICRA’99, etc.–Derive body motion by maximizing stability margin Huang: ICRA’99难以应付实际环境的不确定性稳定步行方面前人的工作2. 基于机器人模型的在线控制–Control based on full dynamics including footcontact forcesFurusho: IJRR’90; Fujimoto: ICRA’98–Control based on simplified dynamicsYamaguchi: ICRA’96; Zheng: IEEE TransR&A’90; Kajita: ICRA’96; Takanishi: IROS’91;Hirai: ICRA’98, Gienger at ICRA’01•环境突发变化的快速响应•传感信息的局部反馈固有步态反射动作•通常环境的周期韵律动作•不断学习和练习而获得人类的韵律步行•环境突发变化的快速响应•在线的局部传感反馈•已知环境的周期运动•离散的动力学方程计算而获得传感反射仿人型机器人的步行动态步态动态步态规划•足部运动:适应路面条件（凹凸路面，楼梯等）•躯干运动:维持稳定性(平衡作用)创新点:(Huang et al, IEEE Trans. R&A 2001)–不事先规定轨迹ZMP–同时考虑躯干运动范围和ZMP稳定区域•ZMP反射控制踝关节以保持期望的ZMP位置•着地相位反射控制脚以合适时间着地•躯干姿势反射控制大腿关节以保持期望的躯干姿势HipKneeAnkl e∆θa(t)∆θh(t)∆Z (t)传感反射创新点:(Huang et al, IEEE Trans. R&A 2005)–不需要机器人模型易于对付环境突发变化的快速响应ZMP反射o o∆θa(n T s)= Sδθa(j T s)δθa(j T s) ={K ac*d zmp(j T s)-K as*∆θ ((j-1)T s)F z> 0F z= 0∆θa控制踝关节以保持期望的ZMP位置ooo 控制脚以合适时间着地∆Z f (nT s )= S δZ f (j T s )δZ f (j T s ) ={K fc *F z -K fs *∆Z f ((j-1)T s )F z > 0F z = M r∆Z f着地相位反射o ∆θ h (n T s )= S δθh (j T s )δθh (j T s ) ={∆θ actb (j T s )-K hs *∆θh ((j-1)T s )F z > 0F z = 0∆θ h 控制大腿关节以保持期望的躯干姿势躯干姿势反射基于传感器的实时仿真未知凹凸路面步行3. 仿人机器人设计机构设计•材料轻型–铝镁合金•机构刚性–谐波减速器–机构形状•传动机构连接–传动器件特制及特殊加工控制系统•多计算机动体系结构：动作规划、运动控制、信息处理、遥操作等多级计算机•分布式处理：视觉、语言、力觉、平衡觉等采用分布式DSP处理•多种通讯方式：Memory Link内存共享、无线网络和有线网络传输•计算机控制结构复杂动作设计人体运动获取运动学匹配动力学匹配实验Humanoid Robot BHR-2 （2005年）•Degrees of Freedom:32•Weight63[kg]•Dimension–Height: 1.6[m]–Width:0.5[m]–Depth:0.3[m]•Sensors–Gyrometers–G-sensors–6 force/torque sensors–Vision–Sound“Sword ” MovementHuman actorRobot Model汇童参展创新中国“十五”重大成就展凤凰卫视科技创新成就展谢谢！。
北京理工大学研究生院
研〔2015〕017号
关于表彰2015年春季校级优秀博士、
硕士学位论文获得者的决定
各学院及相关培养单位：
为鼓励广大在校研究生认真作好学位论文工作，保证学位授予质量，根据《北京理工大学评选优秀博士、硕士学位论文条例》，经各学院推荐，学位评定分委员会初评，校学位评定委员会十届四次全体会议审定，石鹏等11名博士研究生的学位论文被评为校级优秀博士学位论文；白志玲等71名硕士研究生的学位论文被评为校级优秀硕士学位论文；同时他们的指导教师张景瑞教授等也获得“优秀学位论文指导教师”称号。
希望在校研究生以获奖学生为榜样，发扬科学严谨和勇攀高
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峰的精神，刻苦学习，勇于创新，取得优异成果；希望研究生指导教师以获奖教师为榜样，进一步强化质量意识，突出创新能力和创新精神的培养，培养更多的优秀人才。
附件：1.北京理工大学2015年春季优秀博士学位论文名单
2.北京理工大学2015年春季优秀硕士学位论文名单
北京理工大学研究生院
2015年2月3日- 2 -
附件1
北京理工大学2015年春季优秀博士学位论文名单
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附件2
北京理工大学2015年春季优秀硕士学位论文名单
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《》课件一、教学内容本节课的教学内容来自于《》教材的第五章节，主题为“的感知与行动”。
具体内容包括：1. 的感知系统，包括视觉、听觉、触觉等；2. 的行动系统，包括驱动器、传感器等；3. 感知与行动的结合，包括避障、追踪等。
二、教学目标1. 让学生了解的感知与行动系统的基本构成和工作原理；2. 培养学生运用感知与行动的知识解决实际问题的能力；3. 提高学生对技术的兴趣和认识。
三、教学难点与重点重点：的感知与行动系统的基本构成和工作原理；难点：如何运用感知与行动的知识解决实际问题。
四、教具与学具准备教具：多媒体课件、模型；学具：笔记本电脑、学习软件。
五、教学过程1. 实践情景引入：展示一段避障的视频，引导学生思考是如何感知障碍物并行动的。
2. 知识点讲解：介绍的感知与行动系统的基本构成和工作原理。
3. 例题讲解：以一个简单的追踪问题为例，讲解如何运用感知与行动的知识解决问题。
4. 随堂练习：让学生运用学习软件模拟一个避障的过程，巩固所学知识。
5. 课堂小结：回顾本节课所学内容，强调重点和难点。
六、板书设计1. 的感知系统视觉听觉触觉2. 的行动系统驱动器传感器3. 感知与行动的结合避障追踪七、作业设计1. 请简述的感知与行动系统的基本构成和工作原理。
2. 以一个简单的追踪问题为例，运用感知与行动的知识解决问题，并写出解题过程。
八、课后反思及拓展延伸课后反思：本节课通过视频引入、知识点讲解、例题讲解和随堂练习等环节，使学生了解了的感知与行动系统的基本构成和工作原理，并能够运用所学知识解决实际问题。
但在教学过程中，对于感知与行动的结合部分，学生的理解仍有待提高，需要在今后的教学中加强练习和应用。
拓展延伸：引导学生思考的感知与行动技术在生活中的应用，如智能家居、自动驾驶等，激发学生对技术的兴趣和认识。
重点和难点解析一、教学内容细节1. 的感知系统细节：在教学中，需要重点关注的视觉、听觉和触觉感知系统。
视觉感知系统包括图像识别、颜色识别等；听觉感知系统包括声音识别、语意理解等；触觉感知系统包括物体识别、力度感应等。
