双足步行机器人转弯步态规划及其实现

双足行走机器人运动轨迹规划林保蛟;华云松;顾岩秀【摘要】针对双足行走机器人数学描述复杂,分析较为困难等问题,采用五次多项式插值法规划机器人的关节运动轨迹,为每个关节设计相应的轨迹,达到运动学求解过程中所得出的转动角度,使机器人从起始位置运动到某个规定的目标位置,实现机器人在作业空间的行走.通过对机器人运动轨迹的分析,结果表明了用五次多项式插值法是一种规划双足机器人步态行走的较好方法,得到的机器人关节运动轨迹图更加光滑平稳.【期刊名称】《电子科技》【年(卷),期】2017(030)002【总页数】4页(P45-48)【关键词】双足机器人;运动轨迹;五次多项式插值法【作者】林保蛟;华云松;顾岩秀【作者单位】上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海200093;上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海200093;上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海200093【正文语种】中文【中图分类】TP242双足行走机器人是一个多自由度、非线性、具有复杂动力学特性的多体系统, 21世纪以来，国内外许多个人和单位相继推出了各自研制的双足机器人，各国研究学者认为机器人技术对未来新兴产业的兴起和发展具有重要意义[1]。

因其外形和功能形似人类。

适合在人类生活和工作的环境中与人类协同工作[2-3]，还可代替人类在危险环境中作业，拓宽人类的活动空间[4]，有高度的适应性与灵活性。

实现稳定步行是双足机器人研究的首要任务[5]，合理的步态规划是机器人稳定步行的基础。

欧盟在第七框架计划(FP7)中规划了“认知系统与机器人技术”研究、美国启动了“国家机器人计划”、日本和韩国则针对服务型方面的机器人制定了主要的研究策略。

最具代表性的有日本早稻田大学加藤一郎教授研制的WAP系列样机,日本东京大学研制的HS、H6型仿人型双足步行机器人等。

我国同时在国家高技术研究发展计划(863计划)、国家科技重大专项、国家自然科学基金等规划中对机器人技术的研究与发展应用给予重视[6]。

双足机器人步行原理双足机器人作为一种具有高度仿生性的机器人，其步行原理是其设计和运动的核心。

双足机器人的步行原理主要包括步态规划、动力学控制和传感器反馈三个方面。

下面将对这三个方面逐一进行介绍。

首先，步态规划是双足机器人步行的基础。

在步态规划中，需要确定双足机器人的步行轨迹、步频和步幅。

通过对双足机器人的步行轨迹进行规划，可以确保机器人在行走过程中保持平衡，避免摔倒和碰撞。

而步频和步幅的规划则可以使机器人在行走过程中保持稳定的速度和节奏。

通过合理的步态规划，双足机器人可以实现稳定、高效的步行运动。

其次，动力学控制是双足机器人步行的关键。

在动力学控制中，需要考虑双足机器人的力学特性和运动学特性，以实现对机器人步行过程中的力和力矩的精确控制。

动力学控制可以通过对双足机器人的关节和驱动器进行精确的控制，使机器人在行走过程中保持平衡和稳定。

同时，动力学控制还可以实现双足机器人在不同地形和环境中的适应性，使其能够应对各种复杂的行走场景。

最后，传感器反馈是双足机器人步行的重要保障。

通过搭载各种传感器，如惯性传感器、视觉传感器、力觉传感器等，可以实时获取双足机器人的姿态、速度、力和力矩等信息，从而为动力学控制提供准确的反馈。

传感器反馈可以使双足机器人实现实时的自适应控制，及时调整步行姿态和步行速度，保证机器人在行走过程中保持稳定和安全。

综上所述，双足机器人的步行原理涉及步态规划、动力学控制和传感器反馈三个方面，通过这三个方面的协同作用，可以实现双足机器人稳定、高效的步行运动。

未来，随着步行机器人技术的不断发展和完善，相信双足机器人将在更广泛的领域发挥重要作用，为人类生活和工作带来更多的便利和可能。

双足机器人步行原理
双足机器人步行原理基于仿生学和机器人控制理论，旨在模拟人类的步行运动。

它主要基于以下原理和控制策略：
1. 动态平衡控制：双足机器人在行走过程中需要保持动态平衡，这意味着机器人需要时刻根据自身的姿态、行走速度和地面情况来调整步态和控制力矩，以保持机体的稳定。

2. 步态规划：双足机器人的步态规划决定了每一步腿的运动轨迹和步频。

一般来说，机器人上半身的重心会向前倾斜，然后交替迈步。

步态规划需要考虑腿部的受力、身体姿态、地面摩擦力等多个因素。

3. 步态控制：基于步态规划，机器人需要实现对每一步的力矩控制和低级关节控制。

这意味着机器人需要根据颈部、腰部、髋部、膝关节和脚踝关节的传感器反馈信息来调整关节的输出力和控制策略。

4. 感知与反馈：双足机器人需要运用各种传感器来感知自身的状态和周围环境，例如倾斜传感器、压力传感器、陀螺仪等。

这些传感器的数据能够提供给控制系统供其根据需要调整步行姿势和控制力矩。

5. 动力学控制：双足机器人需要考虑自身的动力学特性，以及地面反作用力的影响。

动力学控制通过综合各种传感器信息和动力学模型来计算机器人每一步所需的力矩，以提供足够的力量来维持步行。

综上所述，双足机器人步行的原理涉及动态平衡控制、步态规划、步态控制、感知与反馈以及动力学控制等多个方面。

通过精确的控制策略和高度集成的感知系统，机器人能够模拟人类的步行运动，并具备稳定的步行能力。

双足竞步机器人设计与制作技术报告一、引言二、设计原理1.动力系统2.传感系统3.平衡控制系统平衡是双足机器人最基本的功能之一、平衡控制系统基于双足机器人的运动状态及传感器信息，通过反馈控制算法实现平衡控制，使机器人能够保持稳定的步态。

4.步态控制系统步态控制系统主要通过控制机器人的下肢运动，完成双足的协调步行。

常见的步态控制算法有离散控制、预先编程控制、模型预测控制等。

三、制作过程1.机械结构设计2.电子系统设计电子系统设计主要包括电路设计和控制系统设计。

电路设计需要根据机器人的运行需求进行电源和信号处理电路的设计。

控制系统设计需要根据机器人的传感信息和控制算法，选择合适的控制器和通信模块。

3.程序开发与调试程序开发是制作双足竞步机器人不可或缺的一步。

在程序开发过程中，需要针对平衡控制、步态控制和传感器数据处理等方面进行编程，并进行相应的调试与优化。

四、技术难点与解决方案1.平衡控制技术2.步态规划与控制技术步态控制是双足竞步机器人实现协调步行的关键。

根据机器人的设计和运行需求，选取合适的步态控制算法，并进行动态规划和控制，可以实现优化的步态控制。

3.动力系统设计与电路优化机器人的动力系统设计要考虑电机选择、电机驱动电路和电源供应等多个方面。

同时，还需要对电子电路进行优化，减小功耗和提高效率，以提高机器人的运行时间和性能。

五、总结双足竞步机器人的设计与制作技术包括机械结构设计、电子系统设计、程序开发与调试等多个环节。

通过充分考虑机器人的平衡控制和步态控制等关键技术，可以设计出性能优良的双足竞步机器人。

但是，在设计与制作过程中还需要不断尝试与改进，以逐步优化机器人的性能。

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。

两足式自走机器人实验报告本实验旨在设计和制作一种能够实现自主行走的两足式机器人，并通过实验验证其稳定性和行走能力。

通过该实验，能够加深对机器人结构和运动控制的理解，同时探索机器人在不同环境下的适应能力。

实验原理：两足式机器人是一种模仿人类步行的机器人，其设计灵感来源于人类运动生理学和动物运动机制。

在机器人的机械结构上，通常采用两条类似于人的双腿，脚部配有足底传感器以获取地面信息。

控制系统利用回馈控制和动态平衡算法，实现机器人的稳定行走。

实验步骤和结果：1. 设计和制作机器人的机械结构：根据机器人的预期功能和要求，设计机器人的双腿结构，选择合适的材料进行制作。

通过螺旋电机和关节连接完成机械结构的组装。

2. 完成机器人的电子设计和控制系统的搭建：设计机器人的电子线路，包括传感器、执行机构和控制芯片等。

设置动态平衡算法和运动控制程序，并进行算法调试和优化。

3. 进行机器人的行走实验：将机器人放置在光滑的地面上，通过控制程序操控机器人进行行走。

观察机器人步态和姿态的稳定性，记录机器人的行走速度和穿越障碍物的能力。

通过实验，我们得到了以下结果：1. 机器人能够实现基本的稳定行走：机器人能够通过动态平衡算法保持两腿的平衡，保证机器人不倒下。

虽然在初期的测试中机器人有时会出现摇晃和摆动的情况，但经过算法的调优和参数的优化，机器人能够保持更好的稳定性。

2. 机器人的行走速度较慢：由于机器人使用的是电机驱动的关节，其速度受到电机的转速限制。

因此，机器人的行走速度相对较慢，需要进一步优化驱动系统以提高机器人的运动速度。

3. 机器人的障碍物穿越能力有待提高：在穿越障碍物的实验中，机器人会遇到平衡和稳定性的挑战。

当障碍物高度较高时，机器人容易失去平衡而倒下。

因此，需要改善机器人的感知和控制系统，提高其在复杂环境中的适应能力。

实验总结：通过本实验，我们成功设计和制作了一种两足式自走机器人，并验证了其行走能力和稳定性。

实验结果表明，机器人能够实现基本的稳定行走，但其行走速度和穿越障碍物的能力还有待提高。

1 引言机器人是作为现代高新技术的重要象征和发展结果，已经广泛应用于国民生产的各个领域，并正在给人类传统的生产模式带来革命性的变化，影响着人们生活的方方面面。

对于步行机器人来说，它只需要模仿人在特殊情况下(平地或己知障碍物)完成步行动作，这个条件虽然可以使机器人的骨骼机构大大降低和简化，但也不是说这个系统就不复杂了，其步行动作一样是高度自动化的运动，需要控制机构进行复杂而巧妙地协调各个关节上的动作。

双足机器人的研究工作开始于上世纪60年代末，只有三十多年的历史，然而成绩斐然。

如今已成为机器人领域主要研究方向之一。

最早在1968年，英国的Mosher．R 试制了一台名为“Rig”的操纵型双足步行机器人[1]，揭开了双足机器人研究的序幕。

该机器人只有踝和髋两个关节，操纵者靠力反馈感觉来保持机器人平衡。

1968~1969年间，南斯拉夫的M.Vukobratovic提出了一种重要的研究双足机器人的理论方法，并研制出全世界第一台真正的双足机器人。

双足机器人的研制成功，促进了康复机器人的研制。

随后，牛津大学的Witt等人也制造了一个双足步行机器人，当时他们的主要目的是为瘫痪者和下肢残疾者设计使用的辅助行走装置。

这款机器人在平地上走得很好，步速达0.23米/秒。

日本加藤一郎教授于1986年研制出WL－12型双足机器人。

该机器人通过躯体运动来补偿下肢的任意运动,在躯体的平衡作用下，实现了步行周期1.3秒，步幅30厘米的平地动态步行。

法国Poitiers大学力学实验室和国立信息与自动化研究所INRIA机构共同开发了一种具有15个自由度的双足步行机器人BIP2000，其目的是建立一整套具有适应未知条件行走的双足机器人系统。

它们采用分层递解控制结构，使双足机器人实现站立、行走、爬坡和上下楼梯等。

此外，英国、苏联、南斯拉夫、加拿大、意大利、德国、韩国等国家，许多学者在行走机器人方面也做出了许多工作。

国内双足机器人的研制工作起步较晚。