二足机器人的姿态稳定性研究
机器人控制系统中的姿态稳定研究
机器人控制系统中的姿态稳定研究机器人一直以来是科技领域的一个重要方向，随着计算机、信息和机械技术的快速发展，机器人的智能化、自主化、高速化和高精度化得到了长足的进步。
而机器人的控制系统是其中极为核心的一环，而姿态稳定则是控制系统中最为关键的一部分。
姿态稳定是机器人控制系统中最基础的一个问题，其主要功能是协调机器人运动时的运动轨迹和姿态角度，保持其在任何情况下都能够保持平衡。
要实现这一功能，首先需要了解机器人的运动轨迹，并通过合适的算法进行运动控制和姿态调整。
其次，需要建立一个精确的动力学模型，来了解机器人在运动过程中的瞬时状态和角度。
最后，需要配合高效的传感器和控制器，以保证机器人能够及时地感知和响应外部环境变化，从而使其能够保持平衡。
机器人的控制系统可以分为三层：底层控制系统、中间层控制系统和高层控制系统。
在底层控制系统中，主要包括运动控制、力学建模和可编程控制器等。
运动控制是机器人控制系统中最为基础的一个环节，它要求机器人在任何运动过程中都能够保持不偏离预设轨迹，同时能够及时响应控制信号。
力学建模则是了解机器人在不同位置和姿态下的瞬时状态和角度，而可编程控制器则是实现这一功能的重要手段。
中间层控制系统则主要负责姿态控制和力控制。
姿态控制是机器人在运动过程中最为基础的一个问题，需要通过精确的模型分析和优化算法来实现。
力控制则是保持机器人在任何情况下都能够保持平衡的重要一步。
在高层控制系统中，则包括路径规划、智能决策和信息系统三部分。
路径规划需要建立一个优化的路径规划模型，来实现机器人在不同环境下的自主控制。
智能决策则需要建立一个理性的判断模型，来实现机器人在任何情况下都能够做出最优决策。
信息系统则是保证机器人的控制系统能够及时感知和处理外部环境变化，从而使其能够保持不断可靠和高效。
综合上述，机器人的控制系统中姿态稳定的研究是非常重要的。
在机器人的任何运动过程中，姿态的稳定都是保证机器人运动和操纵的关键。
基于STM32的双足机器人控制系统的研究
基于STM32的双足机器人控制系统的研究双足机器人是一种仿生机器人，可以模拟人类的步行动作，并具备移动和平衡能力。
为了实现双足机器人的控制，需要一个强大的控制系统来处理传感器数据并生成相应的控制指令。
在基于STM32的双足机器人控制系统的研究中，主要包括以下几个方面：1.传感器数据获取与处理：双足机器人需要使用多种传感器来获取关于环境和自身状态的数据，以便进行相应的控制。
如惯性测量单元(IMU)、压力传感器、编码器等。
通过使用STM32微控制器，可以使用其丰富的通用输入/输出接口和模拟输入/输出接口，轻松地与各种传感器进行通信并获取数据。
然后通过处理这些数据，可以计算机器人的姿态、速度、加速度等状态信息。
2.动作控制算法：为了保持双足机器人的平衡和稳定，需要开发相应的动作控制算法。
这些算法根据传感器数据分析机器人的状态，并生成相应的控制指令来调整机器人的姿态和步行动作。
例如，使用PID控制器来调整姿态，使用预测控制算法来计算步行动作。
在STM32微控制器上实现这些算法，可以快速和高效地生成控制指令。
3.控制指令生成与执行：在STM32微控制器中，可以通过编程将控制指令转换为电机和执行器的操作信号。
这些信号可以通过PWM信号、模拟输出、脉冲信号等方式传递给电机驱动器、执行器等设备。
通过这些设备，可以控制机器人的运动和姿态。
4.通信与交互：为了实现与外部设备的通信和交互，可以使用STM32微控制器的通信接口，如串口、CAN总线等。
通过这些接口，可以将双足机器人的数据发送给外部设备进行分析和处理，也可以接收外部设备的指令进行控制。
同时，也可以将控制系统与计算机进行连接，通过编程界面实现对机器人的监控和控制。
总之，基于STM32的双足机器人控制系统的研究可以实现对机器人的感应、动作控制和通信交互等功能。
通过充分利用STM32微控制器的高性能和丰富的接口资源，可以实现高效、精确和稳定的控制系统，从而提升双足机器人的性能和应用范围。
双足机器人稳定性理论研究
１ 稳定 性 判 据
双 足 机 器 人 脚 掌 和 地 面 之 间存 在 单 边 约 束 ，这 种
系 统 本 质 上 是 不 稳 定 的 。要 能 够 实 现 稳 定 、 连 续 的 步
传 感器 （ ／ 矩 传感 器 ） 生输 出 。 力 力 产
态 ， 须 对 其 进 行 稳 定 性 分 析 。 定 性 是 双 足 机 器 人 研 必 稳 究 的 核 心 问 题 ， 其 对 于 机 器 人 的 快 速 运 动 ， 定 性 问 尤 稳 题 更 为 重 要
从 而使机 器人 处于稳 定步 态 。 足机 器人运 动过 程 中 ， 双 Ｚ ＭＰ是 随 时 间 变 化 的 ， ＭＰ 离 支 撑 面 边 缘 的 最 短 距 离 Ｚ 称 为 稳 定 裕 度 ， 当 在 其 内 时 是 稳 定 的 ， 反 之 是 不 稳 定
的。
支 撑 面 积 小 、 撑 面 的 形 状 随 时 间 变 化 较 大 、 心 的 相 支 质 对 位 置 高 等 特 点 ， 其 中最 复 杂 、 制 难 度 最 大 的 动 态 是 控 系 统 。但 双 足 机 器 人 比其 它 步 行 机 器 人 具 有 更 高 的 灵 活 性 ， 动 能 力 好 ， 以 在 崎 岖 的 路 面 和 复 杂 的 环 境 中 移 可
制 ， 重 要 的是 在 稳 定 性 基 础 理 论 上 的 突 破 。 更
实 验 中 ，一 般 利 用 安 装 在 机 器 人 脚 部 的 传 感 器 对
Ｚ ＭＰ 的 实 际 位 部 如
结 构 的 简 化 模 型 。 在 该 模 型 中 ，两 个 刚 性 物 体 互 相 接 触 ， 中 之 一 再 与 地 面 接 触 。 利 用 这 一 模 型 ， 一 个 刚 其 对 体 施 加在 另一 个 刚 体上 的力 和力 矩进 行 多 点 测 量 ， 也 就 是 当 机器 人运 动 时 ， 部 承 受 地 面 的作 用 力 ， Ｆ 脚 使 Ｔ
复杂路况下双足机器人稳定行走的设计
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复杂路况下双足机器人稳定 行走的设计
汇报人： 2024-01-02
目录
• 引言 • 双足机器人稳定行走的基本原
理 • 复杂路况对双足机器人稳定行
走的影响 • 双足机器人的设计与优化 • 实验与验证 • 结论与展望
01
引言
研究背景与意义
背景
随着科技的不断发展，双足机器人在许多领域具有广泛的应用前景，如服务、 救援、探索等。然而，在复杂路况下，双足机器人的稳定行走仍面临诸多挑战 。
意义
设计出能够在复杂路况下稳定行走的双足机器人，对于提高机器人性能、拓展 应用领域、推动相关技术的发展具有重要意义。
国内外研究现状
01
国内研究现状
国内在双足机器人稳定行走方面取得了一定的成果，如XX大学研制的
双足机器人能够在平坦路面上实现稳定行走，但面对复杂路况仍存在不
足。
02
国外研究现状
国外在双足机器人技术方面处于领先地位，如XX公司和XX大学合作开
硬件设备
使用高性能的伺服电机和 传感器，确保机器人的稳 定性和精确性。
软件算法
采用先进的控制算法和优 化算法，实现机器人的稳 定行走和自主导航。
实验结果与分析
稳定性
01
通过实验验证，双足机器人在复杂路况下能够保持稳定的行走
姿态，无明显晃动或失步现象。
适应性
02
机器人能够适应不同地形和路况，包括崎岖不平的地面、楼梯
发的双足机器人能够在崎岖路面上实现稳定行走，但成本较高，难以大
规模应用。
03
发展趋势
双足机器人拟人步态规划与稳定性研究
双足机器人拟人步态规划与稳定性研究一、内容概要本文针对双足机器人的拟人步态规划与稳定性展开深入研究。
文章首先介绍了双足机器人的发展背景与现状，指出了当前双足机器人研究领域中存在的问题与挑战。
在此基础上，文章重点探讨了双足机器人的拟人步态规划原理和稳定性控制方法。
拟人步态规划部分详细阐述了如何根据双足机器人的解剖结构、动力学特性以及运动目标，设计出符合人类行走特性的步态规划算法。
稳定性控制方法则主要研究了在各种行走状态下，如何通过调整双足机器人的肢体姿势和关节角度，以提高其行走稳定性和舒适性。
为实现拟人步态规划的稳定控制，文章提出了一种基于仿生学原理的优化控制策略。
该策略结合了模糊逻辑控制和梯度下降法的思想，能够根据实时采集的双足机器人姿态数据，动态调整控制参数，从而实现步态规划与稳定控制的有效结合。
为了验证所提算法的有效性，文章在仿真环境中进行了大量的实验验证。
实验结果表明，与传统控制方法相比，所提出的仿生优化控制策略在双足机器人的拟人步态规划和稳定性控制方面具有显著的优势。
文章总结了研究成果，并展望了未来双足机器人研究的发展方向。
指出通过进一步研究双足机器人的感知与认知能力，实现更高程度的自主步态规划和适应性操控，将是未来研究的重点和难点。
1. 双足机器人的发展和应用前景随着科技的不断发展，机器人已经逐渐成为我们生活中不可或缺的一部分。
双足机器人作为一种模仿人类行走方式的高科技产品，吸引了广泛关注。
双足机器人的发展可以追溯到上世纪六十年代，但直到近年来，随着控制理论、传感器技术及材料科学等领域的飞速进步，双足机器人才得到了快速发展。
尤其是近年来，一系列突破性的研究成果面世，如Boston Dynamics公司推出的双足机器人“大狗”(BigDog)，以及最新的“阿尔法”(Alpha)和“里约”(Rio)双足机器人，充分展示了双足机器人在运动性能、稳定性和自主导航等方面的潜力。
尽管双足机器人在实验室环境中已取得令人瞩目的成果，但其在实际应用中仍面临诸多挑战，特别是在复杂的地形环境下，如何保证双足机器人的稳定性和安全性成为了亟待解决的问题。
小型舞蹈双足机器人的设计及实现
小型舞蹈双足机器人的设计及实现随着科技的不断发展，机器人已经逐渐成为了人们生活中不可或缺的一部分。
双足机器人更是备受关注，因为它能够模仿人类的步态和行走方式，具有很高的研究和实用价值。
本文将着重介绍小型舞蹈双足机器人的设计和实现过程。
一、设计方案1.1 结构设计小型舞蹈双足机器人的结构设计需要考虑到机器人的稳定性和灵活性。
一般来说，双足机器人的结构包括两条腿、躯干和头部。
由于设计的是小型舞蹈机器人，所以结构设计的关键是要保证其舞蹈动作的流畅性和美观性。
1.2 控制系统设计小型舞蹈双足机器人的控制系统设计是整个机器人设计中最为关键的一部分。
控制系统需要保证机器人可以按照预设的舞蹈动作进行运动，并能够对外界环境的变化做出及时的反应。
控制系统通常采用的是传感器和执行器相结合的方式。
传感器可以用来感知机器人身体的姿态和环境的变化，执行器则用来控制机器人的运动。
在小型舞蹈双足机器人的设计中，通常会采用陀螺仪、加速度计和位置传感器等来感知机器人身体的姿态，然后通过舵机等执行器来控制机器人的运动。
1.3 电源供应与动力系统设计小型舞蹈双足机器人通常会采用锂电池或者镍氢电池作为电源供应，这样可以保证机器人的动力足够，同时又能够保持机器人的轻巧性。
动力系统通常会采用电机和舵机相结合的方式，电机用来提供机器人的移动动力，舵机用来控制机器人的身体姿态。
二、实现过程2.1 结构制作与装配在实现小型舞蹈双足机器人的过程中，首先需要进行结构制作与装配工作。
根据设计方案，制作机器人的腿部、躯干和头部，并进行装配。
在装配过程中需要保证机器人的结构稳定，同时要保证机器人的外形美观。
在结构制作与装配完成之后，就需要进行控制系统的调试工作。
首先需要编写控制程序，然后进行传感器和执行器的调试，保证机器人可以按照预设的舞蹈动作进行运动。
在调试过程中需要考虑到机器人的稳定性和姿态控制的准确性。
最后需要进行电源供应与动力系统的调试工作。
将电池与动力系统连接起来，然后进行动力系统的调试，保证机器人的动力足够，并且能够保持机器人的轻巧性。
复杂路况下双足机器人稳定行走的设计与研究
关键词 ： 双足机器人 ； 稳定行走 ； 复 杂路 况
中图分类号 ： Ｔ Ｐ ２ ４ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ： １ ０ ０ ９ — ３ ０ ４ ４ （ ２ ０ １ ３ ） １ ６ — ３ ８ ４ ５ — ０ ５
Ｕｎ ｄｅ ｒ Ｓ ｔ ａ ｂ ｌ ｅ Ｃｏ ｍｐ ｌ ｅ ｘ Ｒｏ ａ ｄ Ｗａ ｌ ｋ ｉ ｎ ｇ Ｂｉ ｐ ｅ ｄ Ｒｏ ｂ ｏ ｔ Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｎ ｄ Ｒｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ
由度双足机器人 Ｋ Ｄ Ｗ一 １ 等。 本文在 参考 国内外相关研 究的基础上 ， 设计 了能在 一般 路面上稳定行走 的双足机器人 ， 以Ａ Ｔ ＭＥ Ｌ 公 司的Ａ ｔ ｍ ｅ ｇ ａ １ ２ ８ 为核心设
ｍｅ ｎ ｔ ｅ ｄ ｂ ｙ ｔ ｈ ｅ ｒ ｏ ｂ ｏ ｔ ｆ ｅ ｅ ｔ ｔ ｏ ｕ ｃ ｈ ｔ ｈ ｅ ｓ ｗ ｉ ｔ ｃ ｈ ｔ Ｏ ｒ ｅ ａ ｌ — — ｔ ｉ ｍｅ ａ ｄ ｊ ｕ ｓ ｔ ｍｅ ｎ ｔ ｓ ｒ ｏ ｂ ｏ ｔ ｐ ｏ ｓ ｔ ｕ ｒ ｅ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｕ ｎ ｅ ｖ ｅ ｎ ｓ ｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ ｓ ｉ ｎ ｏ ｒ ｄ ｅ ｒ ｔ Ｏ ｍａ ｋ ｅ ｔ ｈ ｅ ｒ ｏ —
ａ ｓ ｔ ｈ ｅ ｍａ ｉ ｎ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｌ ｅ ｒ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｓ ａ ｍｅ ｔ ｉ ｍｅ ， ｔ ａ ｋ ｅ ａ ｄ ｖ ａ ｎ ｔ ａ ｇ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｔ ｈ ｅ ｓ ｅ ｎ ｓ ｏ ｒ ｔ ｈ ｅ ＡＤＸＬ３ ４ ５ ｒ ｅ ｔ ｕ ｒ ｎ ｏ ｆ ａ ｎ ｇ ｕ ｌ ａ ｒ ｖ ｅ ｌ ｏ ｃ ｉ ｙ ｔ ｃ ｈ ａ ｎ ｇ ｅ ｓ ｕ ｐ ｐ ｌ ｅ —
双足机器人的运动控制技术
双足机器人的运动控制技术双足机器人是近年来机器人技术领域的研究热点之一。
它们模拟人类的双腿结构，通过精密的控制算法和传感器技术实现步行、奔跑等运动能力。
本文将介绍双足机器人的运动控制技术及其应用。
一、传感器技术在双足机器人运动控制中的应用传感器技术在双足机器人的运动控制中起到了至关重要的作用。
双足机器人需要通过感知周围环境和自身状态来做出相应的动作调整。
常用的传感器包括惯性测量单元（IMU）、摄像头、压力传感器等。
惯性测量单元测量机器人的加速度和角速度，用于判断机器人的姿态；摄像头可以感知周围的视觉信息，例如识别障碍物、安全轨迹等；而压力传感器则可以监测机器人脚底的压力分布情况，用于平衡控制和稳定性调整。
通过这些传感器技术，双足机器人可以实时获取环境和自身状态的信息，并根据此信息进行运动控制的决策和调整。
二、基于力触觉的运动控制技术除了传感器技术，基于力触觉的运动控制技术也是双足机器人中的重要一环。
通过力触觉传感器，机器人可以感知到外界的接触力和力矩，从而做出相应的动作调整。
在步行过程中，双足机器人需要保持平衡并适应地面的不平整情况。
通过力触觉传感器获取足底与地面的接触力信息后，机器人可以根据不同地面情况进行步态调整，比如调整步长、踩踏力度等，以保持平衡和稳定性。
此外，在运动中碰到障碍物时，双足机器人通过力触觉传感器感知到的碰撞力可以触发反应机制，避免受到伤害或继续运动。
这种基于力触觉的运动控制技术为双足机器人增加了应对外界情况的能力。
三、运动规划与控制算法运动规划与控制算法是双足机器人运动控制的核心。
它们决定了机器人在实际运动中的姿态、步态以及动作顺序。
在步行中，双足机器人需要根据目标位置、环境约束等进行运动规划。
常用的算法包括最优控制、模型预测控制等，可以通过优化目标函数，如能耗、速度等，来生成最优的运动轨迹。
控制算法则负责实时调整机器人的动作参数，以保持平衡稳定。
PID控制器、模糊控制器等经典的控制算法被广泛应用于双足机器人控制中。
小型舞蹈双足机器人的设计及实现
小型舞蹈双足机器人的设计及实现引言随着科技的不断发展，机器人技术在各个领域得到了广泛的应用，其中机器人舞蹈已经成为了一种时尚和艺术表现。
在这个背景下，设计并制作一款小型舞蹈双足机器人成为了一个新的挑战和机遇。
本文将从设计的角度，详细介绍小型舞蹈双足机器人的设计及实现过程。
一、需求分析在设计小型舞蹈双足机器人之前，我们首先需要明确这款机器人的应用场景以及功能需求。
具体来说，小型舞蹈双足机器人需要具备以下功能和特点：1.双足行走：机器人需要能够通过双足行走的方式在平地上进行移动。
2.舞蹈表演：机器人需要能够执行各种舞蹈动作，包括转身、跳跃、摆臂等。
3.稳定性：机器人在进行舞蹈表演时需要保持稳定，不易倒地或者失去平衡。
4.远程控制：机器人需要能够通过无线遥控器或者APP进行远程控制。
5.动作自由度：机器人需要具备足够的关节自由度，以便实现各种复杂的舞蹈动作。
二、机械结构设计基于以上的功能需求，我们进行了小型舞蹈双足机器人的机械结构设计。
机械结构设计主要包括机器人的身体结构、关节设计以及驱动设计。
1.身体结构：为了保证机器人具备足够的稳定性，我们采用了双足设计，并在双足之间设置了一个重心平衡器。
重心平衡器可以根据机器人的姿态动态调整，以保持机器人的稳定性。
2.关节设计：机器人的关节设计是机械结构设计中的关键部分。
我们采用了多自由度的关节设计，包括膝关节、髋关节、踝关节等。
这些关节可以使机器人具备足够的灵活性，可以执行各种舞蹈动作。
3.驱动设计：为了保证机器人的动作自由度，我们采用了多电机驱动设计。
每个关节都配备了独立的电机，可以实现各种舞蹈动作的执行。
三、控制系统设计控制系统设计是小型舞蹈双足机器人设计中的另一个关键部分。
控制系统设计包括姿态控制、运动规划以及远程控制等。
1.姿态控制：为了保证机器人在舞蹈表演过程中保持稳定，我们采用了倒立摆控制算法。
通过倒立摆控制算法，可以实时调整机器人的姿态，保持其平衡。
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1. 引言双足仿生机器人是一种模仿人类步行方式的机器人，其行走机构的设计是实现机器人自主行走的关键。
本文将介绍双足仿生机器人行走机构的设计原理、结构与控制方法。
2. 设计原理双足仿生机器人的行走机构设计基于人类步行的原理。
人类步行是一种交替进行的两足动作，每步分为摆动相和支撑相。
在摆动相中，一只脚离地，并向前摆动；在支撑相中，另一只脚着地支撑身体。
机器人的行走机构需要模拟这一过程，通过控制各关节的运动实现机器人的步行。
3. 结构设计双足仿生机器人的行走机构包括传感模块、控制模块和执行模块。
传感模块用于感知机器人身体姿态和环境信息，如倾斜角、步长和地面状态等。
控制模块根据传感器信号和预设的步态参数计算关节的运动轨迹和力矩控制信号。
执行模块根据控制模块的指令，控制各关节运动，实现机器人的步行。
具体的结构设计包括：3.1 关节设计双足仿生机器人的关节设计需要考虑力矩传输、运动范围和结构强度等因素。
一般采用电机驱动的关节设计，通过控制电机的转动角度和力矩，实现机器人的步行动作。
3.2 脚底设计机器人的脚底设计需要考虑地面的摩擦力、稳定性和抗震性等因素。
一般采用具有摩擦力的材料作为脚底，例如橡胶或塑料材料。
同时，在脚底设计中还可以添加传感器，用于感知地面的状态和表面特征。
3.3 稳定性设计双足仿生机器人的稳定性设计是保证机器人能够在不倒地的情况下行走。
稳定性设计包括重心的控制、姿态的调节和动态平衡控制等。
通过控制机器人的关节运动和重心转移，使机器人能够保持平衡并行走。
4. 控制方法双足仿生机器人的行走机构控制方法包括开环控制和闭环控制两种。
4.1 开环控制开环控制是指根据预设的步态参数，通过控制各关节的运动轨迹和力矩，实现机器人的步行。
开环控制简单但稳定性较差，容易受到外界干扰影响。
4.2 闭环控制闭环控制是根据传感器信号和控制模块的反馈信息，实时调整关节的运动轨迹和力矩，以实现更加稳定的步行。
机器人双足步态控制方法的研究与实现
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。
仿人双足机器人多地形步态规划和稳定控制方法
卡尔曼滤波器是一种适合用于估计状态变量 的线性二次高斯系统的最优估计算法。该策 略使用卡尔曼滤波器来估计机器人的姿态、 速度和位置等状态变量，并根据估计结果来 调整机器人的脚底力和重心位置，以保持机 器人的稳定行走。此外，该策略还可以通过 实时更新环境参数来适应不同的地形和环境
条件。
基于模糊逻辑的稳定控制策略
实验结果
分析实验结果，包括机器 人在不同地形上的稳定性 表现和控制效果。
06
结论与展望
研究成果总结
已实现仿人双足机器人在不同地形下的稳定行走
通过采用先进的步态规划和稳定控制算法，机器人能够在沙滩、草地、碎石路等复杂地形 下实现稳定行走。
提高了机器人的适应性和灵活性
通过优化步态规划和控制算法，机器人能够适应不同的地形和环境变化，并保持稳定的行 走性能。
基于矢状面的步态规划方法
基于矢状面的步态规划方法是一种经典的步态规划方法，它将机器人的 腿部运动分为矢状面上的前后运动和水平面上的左右运动两个部分，分 别进行规划。
该方法通常将机器人的腿部在矢状面上的运动表示为正弦或余弦函数， 而在水平面上的运动则表示为多项式函数。通过调整这些函数的参数，
可以控制机器人在行走过程中的步长、步频、步高等参数。
动性。
03
动态地形
这种地形可能会随着时间变化而变化，例如，机器人需要在行走过程
中避开移动的物体或者在行走过程中跨越障碍物。在这种地形上，机
器人需要能够实现动态的步态调整和稳定控制。
基于机器学习的地形分类与步态规划
利用机器学习算法对不同的地形进行分类
通过机器学习算法对大量的地形数据进行训练和学习，可以实现对不同地形的准确分类。
ห้องสมุดไป่ตู้
两足步行椅机器人及其稳定性计算研究
完整的步态规划主要 包括姿态 的规划 和稳定性计算
两 方 面 的 内容 ， 者 互 相 影 响 ， 系 密 切 。姿 态 规 划 二 关 指 的是 机 器 人 行 走 过 程 中各 部 分 的 运 动 轨 迹 的 规
ｓｍ ｕｌ ｔｏ ｉ ａ ｉ ｎ．
关 键词 ： 两足 步 行 椅 机 器人
ＺＭ Ｐ
机 械 结 构 步 态规 划 稳 定 性 计 算 Ｚ ＭＰ
Ｋｅ ｒ ｓ ｙ ｗｏ ｄ ：ｂ ｐ ｄ ｗａ ｋｎ — ｈ ｉ ｒ ｂ ｔ ｍ ｅ ｈ ｎ ｃ ｌ ｏ ｓｒ ｃｉ ｎ ｇ ｉ ｐ ａ ｎ ｎ ｓａ ｉ ｔ ｏ ｐ ｔｔｏ ｉｅ ｌ ｉｇ ｃ ａｒ ｏ ｏ ｃ ａ ｉａ ｎ ｔ ｕ ｔｏ ａｔ ｌｎ ｉ ｇ ｃ ｔ ｂｌ ｙ ｃ ｍ ｕ ａ ｉｎ ｉ
，
Ｓ ａ ｇ ａ ０ ０ ０ ｈ ｎ ；２ Ｉ ｓｉ ｔ ｏ ｍａ ｅＰｒ ｃｓｉ ｇ ａ ｄ Ｐａ ｔｒ ｈ ｎ ｈ ｉ ０ ３ ，Ｃ ｉ ａ ． ｎ ｔｔ ｅ ｆ Ｉ ｇ ｏｅｓｎ ｎ ｔ ｎ ２ ｕ ｅ
Ｒｅ ｏ ｎ ｔｏ ｃ ｇ ｉｉｎ，Ｓ ａ ｇ ａ ｏｏ ｇ Ｕｎ ｖ ｒ ｉｙ，Ｓ ａ ｇ ａ ０ ０ ０，Ｃｈ ｎ ｈ ｎ ｈ ｉ ｉ ｔｎ ｉ ｅ ｓｔ Ｊａ ｈ ｎ ｈ ｉ２ ０ ３ ｉａ
Ｚ ａ ｇ Ｈｕ —ｉｇ Ｚ ａ ｎ ｆ ｉ ＭａＰｅ—ｕ ｈ ｎ ｉｑｎ ｈ ｏＱｕ — ｅ ｉｓ ｎ
Ｇｏ ｅ ｇ ｕ Ｚｈ ｎ Ｚｈｅ ｇ ｅ ｇ— ｎ Ｃｈ ｎ ｙｉ
１ Ｓ ａ ｇ ａ ｏｏ ｇ Ｕ ｉｅ ｓｔ ｓａ ｃ ｎ ｔ ｕ ｅｏ ｂ ｔｃ ， ． ｈ ｎ ｈ ｉ ｉ ｔｎ ｎ ｖ ｒｉ Ｒｅｅ ｒｈ Ｉ ｓｉ ｔ ｆ Ｒｏ ｏｉｓ Ｊａ ｙ ｔ
张慧 卿 赵 群 飞 马 培荪 缑 正 郑 承毅 １上 海 交 通 大学 机 械 与动 力工 程 学 院机 器人 研 究所 ， ． 上海 ２ ０ ３ ０００ ２ 上 海交 通 大学 电子信 息 与 电气 工 程 学 院 图像 ． 处 理 与模 式识 别 研究 所 ， 海 ２ ０ ３ 上 ０００
双足机器人步态仿真及腿部设计与控制
越障行走的适应性研究
障碍物识别的准确性
研究基于计算机视觉或传感器技术的障碍物识别方法，以提高 双足机器人越障行走的准确性。
腿部机构的灵活性
针对越障行走过程中，研究双足机器人腿部机构的灵活性设计， 以实现平稳、安全的越障动作。
自适应控制策略
根据障碍物的类型、大小和形状等因素，研究双足机器人的自适 应控制策略，以实现更高效、稳定的越障行走。
，延长机器人的工作时间。
稳定性和灵活性
03
腿部设计应同时保证机器人的稳定性和灵活性，以实现平稳、
灵活的运动。
常用腿部设计方案
01
两段式腿
两段式腿是一种常见的双足机器人腿部设计方案，由大腿和小腿组成
，通过关节连接。这种设计具有结构简单、易于控制等优点。
02 03
三段式腿
三段式腿是一种更为复杂的双足机器人腿部设计方案，由大腿、膝盖 和小腿组成，通过两个关节连接。这种设计具有更大的灵活性，能够 适应更复杂的地形和运动需求。
实验环境
实验平台设在一个模拟各种地形和环境的实验室环境中 ，以便对机器人的适应性和性能进行全面测试。
实验结果展示及分析
步态仿真
通过在实验平台上模拟不同种 类的步态，如步行、奔跑和跳 跃，研究人员可以观察到双足 机器人在不同运动状态下的性
能表现。
腿部设计与控制
通过调整机器人的腿部结构和 控制策略，研究人员观察到机 器人在不同地形和环境中的适
01
双足机器人步态仿真是通过计 算机模拟双足机器人的行走过 程，以评估机器人的稳定性、 效率和安全性。
02
步态仿真基于生物学原理，将 机器人的腿部机构简化为生物 体的腿部结构，并模拟其运动 过程。
03
双足溜冰机器人步态规划的研究
设参考系 Ｏ Ｙ的平面和机器人的支撑面重合 ， Ｘ 坐标原点为支 蹬 出 以使前脚 滑 出 。接着 机 器人 进行 单腿 溜 冰运 动 ， 冰 运动 示。 当溜 完成时 ， 左脚落地准备下一个溜冰运动周期 。 撑脚的中心。根据 ＤＡｅ ｂ ｒ原理， ．ｌ ｅｔ ｍ 将机器人溜冰运动时所受的 全部作用力和力矩 向Ｐ ￣（ Ｍ Ｚ Ｐ点 ） 简化， ： 得
； 位 于两脚 的支 撑 区域 内 ， 器人 的运 动 速度 较慢 。机 器 人 的姿 态 平 面 ） 机
稳 定性 分析 和 控制 都 比较简 单 ， 不再 加 以分 析 。 本文
（ ） 略作用于支撑脚上面的滚动摩擦力 ， ３忽 将摆动腿着地时 地面对脚掌的反作用力记为 ， 摩擦力记为 ， 面反作用力和 地
点） 点来描述两足类机器人的运动稳定性［１ Ｚ ４６ ＭＰ是指两足步行 １］ ５。
机 构在 步行 运 动过程 中 ， 面 内支 反力 的作 用 点 ， 这一 点 ， 支撑 围绕 机构 运动的合 力矩为零 。在两足 步行机构 稳定 的步行 运动 中 ，ＭＰ Ｚ 具 有如 下性 质 ：ＭＰ始终 位于 支撑 脚 掌所组 成 的稳定 区域 内。 Ｚ
开 （ ） 蕊 单溜 溜完 左落 始 调 莲 腿冰 冰成 腿地
∑ｍ ｒ尸ｘ ＋ ） ∑ 一 Ｓ Ｐｘ￣０ ， ）（ Ｇ ＋一 ∑（ｋ ）Ｆ － — ＝
ｉ ， ｋ
（） １
式中 ： ｍ一质量点 ｉ 的质量 ； Ｅ ｉ 一质量点的位置矢量 ； ｎ＝ ｘｙ， ］ ｐ＝
１４ ４
李金 良等 ： 溜冰机 器人步 态规 划的研 究 双足
第９ 期
行了研究 ， 同时对规划 的步态做了仿真分析。
溜冰机器人 Ｚ ＭＰ点 ，如图 ３ 所示 。对于两足溜冰机器人来 说，由于其为两足机构 ，因此 Ｚ Ｐ理论也适用于姿态稳定性分 Ｍ 析， 本文在合理假设的基础上 ， 应用 Ｚ Ｐ理论来判断溜冰机器人 Ｍ 的姿态稳定性 。 借助理论力学工具及稳定步态所需满足的动力学
毕业设计(论文)-双足智能机器人的设计与实现模板
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。
双足机器人的行走控制与仿真
双足机器人的行走控制与仿真双足机器人是一种复杂的人造机器人，它可以模拟人类的步态进行行走。
在当今科技的发展中，双足机器人的应用越来越广泛，例如在残疾人康复、足球比赛和军事领域等方面都起着重要的作用。
为了实现双足机器人的高效和安全行走，需要进行行走控制和仿真的研究。
一、双足机器人的行走控制在双足机器人的行走控制中，主要有以下几个方面的技术：1. 步态规划步态规划是指为双足机器人规划一套合理的步态方式，让机器人可以稳定地进行行走。
在步态规划中，需要考虑足端和身体的着地位置、步态周期、步幅和步速等因素。
通过这些规划，可以使双足机器人实现更加灵活、平稳的步态。
2. 动力学控制动力学控制是指控制机器人进行行走时，根据机器人当前的状态、环境变化和任务需求，及时调整机器人的姿态，实现稳定的步态。
在动力学控制中，需要考虑机器人的平衡性、稳定性和动态性。
3. 路径跟踪控制路径跟踪控制是指通过计算机控制双足机器人的步伐，由计算机控制机器人按照预设的路径进行行走。
这种控制方法可以更加稳定地控制机器人步态，减少机器人的倒地风险。
二、双足机器人的仿真双足机器人的仿真是指通过计算机模拟实际的机器人操作和环境，以验证双足机器人的行走控制算法和策略。
通过仿真，可以更加准确地评估双足机器人的性能，从而为实际应用提供优秀的参考。
1. 建立仿真模型建立双足机器人的仿真模型是仿真的首要步骤。
在建立仿真模型时，需要考虑双足机器人的几何结构、质量、动力学特性等因素。
通过数学建模和仿真建模软件，可以构建出一个符合实际情况的双足机器人模型，以便进一步进行仿真分析和测试。
2. 仿真分析仿真分析是通过模拟实际情况，测试控制算法和策略的有效性。
在仿真分析中，可以模拟不同的运动状态、环境因素和操作要求，验证不同的控制方案和策略。
仿真分析可以大幅度缩短实际测试时间和成本，并可以重复测试以进行验证。
3. 仿真优化双足机器人的仿真优化是指通过仿真结果分析，改进双足机器人的行走控制算法和策略，提高双足机器人的稳定性、灵活性和交互性。
双足机器人平衡原理_理论说明以及概述
双足机器人平衡原理理论说明以及概述1. 引言1.1 概述双足机器人作为一种重要的先进机器人形态，在近年来得到了广泛的关注和研究。
它在模仿人类步态、实现稳定行走等方面具有巨大潜力，被视为未来机器人技术发展的重要方向之一。
本文旨在介绍双足机器人平衡原理及其相关理论，深入探讨双足机器人平衡控制算法、传感技术和动力学模型等核心内容。
通过对这些关键问题的讨论，可以更好地理解双足机器人的运动特性和平衡能力，并为实际应用场景提供指导。
1.2 文章结构本文共分为五个主要部分。
首先是引言部分，介绍了文章的背景和目的，并概述了后续各章节内容安排。
其次是双足机器人平衡原理部分，重点探讨了基本原理、控制算法和传感技术等关键要素。
接下来是理论说明部分，详细阐述了双足机器人的动力学模型、平衡控制策略以及环境感知与反馈调整等内容。
然后是实际应用场景分析部分，具体探讨了双足机器人在工业生产领域和医疗康复领域的现有应用，并对未来发展趋势和挑战进行了展望。
最后是结论与展望部分，总结了本文的主要内容，并对双足机器人的发展前景进行了探讨。
1.3 目的本文的目标是全面介绍双足机器人平衡原理及其相关理论，从而加深对双足机器人技术的理解和认识。
通过对基本原理、控制算法和传感技术等方面的探讨，可以帮助读者更好地了解双足机器人在平衡控制方面的工作原理。
同时，通过分析实际应用场景和未来发展趋势，可以指导双足机器人技术在各个领域中的应用和创新。
最终，本文旨在促进双足机器人技术的发展，推动其在工程实践中发挥更大的作用。
2. 双足机器人平衡原理双足机器人的平衡是指在各种环境和运动条件下，保持自身稳定的能力。
为了实现双足机器人的平衡，需要借助基本原理、控制算法和传感技术等多个方面的知识。
2.1 基本原理双足机器人平衡的基本原理是仿生学中的"动态步态"，即通过不断调节步长、步频以及中心点位置等参数，使得机器人在行走过程中能够实现平稳的姿态。
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第 ｌ 期
孙 学俭 等． 二足 机器人 的姿 态稳定 性研究
可写 成 ：
２ ９
点 的加 速度 为 ａ 各部 分 的角动 量 为 Ｈ ， ｉ ， 而 为 第ｉ 部分 。根 据 Ｎｅ ｏ ｗｔｎ或 Ａｌｍｂ ｒ 定 理 ， ｅ ｅｔ 设 参考 坐标 系 ０一 Ｚ， ０点取 矩可得 ： ＸＹ 对
收 稿 日期 ： ０ ６０ — ８ ２ ０—３１
的反作用 力 Ｒ 及力 距 Ｍ ， 作 用 点 在 Ｐ 点 （ 其 称 Ｐ 点为地 面反 作 用力 点 ， 见 图 （ ） 详 ｂ 所示 ） 。腿 与脚裸 各部分 质量 为 ｍ， 各部 分质 心为 Ｇ， 质 各
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一
足 着地时 的力及 力矩平 衡 问题进行 分析 。
了爬 不起 来 ， 就不 能 称 为机 器 人 。二 足机 器 那
人 行走 的稳定性 是一 个复杂 的 问题 。在 人类 步
１ 受 力分 析 及 脚 部 旋转 指 示点
二 足机器 人 的 足是 由腿 、 踝 和 足三 部 分 脚
组成。
（ ＋ Ｐ Ｔ１ ０１× Ｒ１一 Ｐ Ｇｌ× ｍ１ 一 ０ （ ） ｇ） ５
∑ｍ Ｇｎ ， ＋∑ Ｈ矗 Ｏ
ｉ ２ 一 ｉ ２ ＝
若参 考点选 在 Ｆ点 ， 方程式 （ ） 写成 ： 则 ５可
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第 １ ５卷
第 １期
北京石 油化 工学 院学报
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆＢｅｊ ｇＩ ｓｉｕ ｅｏ ｏ ｒ ａ ｉｎ ｎ ｔｔ ｔ ｆ ｏ ｉ
Ｐｅ ｒ — ｈｅ ｉａ ｃ ｎｏ ｏ ｔ ｏ ｃ ｍ ｃ ｌＴｅ ｈ ｌ ｇｙ
Ｖｏ ． ５ Ｎｏ １ １１ ．
（ Ｏ × ， ） Ｏ ｍｇ ∑ Ｆ ｍ（ —ｇ 一 Ｆ× ）一 ｎ
ｉ ２ 一
Ｍ＋Ｏ Ｒ Ｐ× ＋∑ ∞ ｍ × ｇ一 ∑ Ｈ＆ ＋∑ ∞ ｍ × ｎ （） １
图 １ ｂ 为一从 脚踝 处分 开 的隔 离体 ， 以 （） 可 很清 楚地 显 示 隔离 体 的受 力情 况 ， 中腿 对 脚 其
∑ｍ Ｇ ｎ ， ＋∑ Ｈ＆ Ｏ ｘ ｇ ＋∑ （ ＋ｇ 口 ）
ｉ ２ 一
根 据式 （ ） ３ 可求 出 其 它任 意 静 态参 考 点 的 力矩 ， 如果参 考点 不 选 在 ０点 而 选 在 Ｐ 点 （ 地
面反作 用点 ） 则得 方程式 ： ，
Ｍ ＋ Ｐ Ｇ１× ｍ１ — Ｔ１ Ｐ ｌ× Ｒ１— ０（ ） ｇ 一 ０ ４
ＯＦ 一 — — — — — —— — — — 一
（ ０） １
ｍｌ ０Ｇ１ｇ ＋ — ＯＧ （ ＋ ｇ） ｘ 、 ｍ ］ ｎ
ｍｇ ＋∑ ｍ（ ＋ｇ ） ｎ
ｉ ２ 一
若 只取 方 程式 正 切 失量 部 分 （ 即在 ＸＹ平
面 内） 可得下 列方 程式 ： ，
Ｍａ． ０ ｒ ２ ０７
２ ０ 年 ３月 ０７
二 足 机 器 人 的 姿 态 稳 定 性 研 究
孙 学俭 薛 龙 周 灿 丰
（ 京石油化工学 院， 北 北京 １２ １ ） ０ ６ ７
摘
要
姿态 的稳 定 性 是 二 足 机 器 人 在行 走 过 程 中要 解 决 的重 要 问题 。对 在 不 同形 态 下 机
１ １ 受 力 分 析 ．
态 中 ， 只脚 与地面 接触 ， 另一 只脚 向前 摆 动 一 而 （ 又称单 向支 撑 阶段 ） 占整 个 步 行 环 的 ８ 。 Ｏ
仿 照人 类 ， 于 二足 机器 人研 究 一 足着 地是 首 对
为研究 二足 机器 人 力 和力 矩 方 程 式 ， 二 将 足机器 人各 部分视 为 刚体 Ⅲ 。其 身体 运动链 如
踝 的作 用力 和力矩 用 一Ｒ和 一Ｔ来 描述 。脚 踝
（ ∞ ｍｇ 一 × ＋∑ ＨＧ ＋
ｌ ２ 一
∑ ∞ ｍ（ 一ｇ） × ， ） ｎ
一
（ ９）
２
通过计 算 ， 终得 到 ： 最
部分 的动平衡 方程 式为 ：
Ｍ ＋ ０Ｐ × Ｒ ＋ ０Ｇ１ ｍ １ × ｇ— Ｔ１一 ∞ １× Ｒ１一 Ｈ １ ０Ｇ１× ｍ １ １ Ｇ＋ ａ （ ） ２
图 １ 示。 所
要 的任务 。因此 笔者 只研究 一足着 地 时的稳定
及 失衡 问题 。
任何 机械 问题 都 离不 开 受 力 分 析 ， 面对 下
（ 腿的受力 分析 ａ ）
（ 踝和腿部的受力分析 ｂ ）
图 １ 机 器 人 腿 、 和 足 的受 力 分 析 踝
图 １ ａ 为一 个受 力 和力 矩 刚体 系 统 ， 力 （） 受 分 析如 下 ： 用 于机器 人 上 的外 力 导致 了地 面 作
关 键 词
底 支 撑 多 边 形
中图 法 分 类 号
二足 机 器 人 姿 态 稳 定 性 ； 部 旋 转 指示 点 ； 面 反 作 用 力 点 ； 量 中心 投 影 点 ； 脚 地 质 脚
ＴＰ ４ ２２
二 足机器 人在行 走时姿 态 的稳 定性 非常 重
要 ， 想一 台机器 人 在行 走 时经 常 摔倒 或 摔倒 试
ｍ０ ＋∑ ｍ Ｇ （ ＋ｇ Ｇ ｇ ｎ ） Ｏ
ＯＦ一一
一
２
ｍｇ ＋∑ ｍ（ ＋ ） ｇ ｎ
一
２
若 将式 （ ） ２ 变成 脚 部 的静 平 衡 方式 只要 设
动态项 为零 （ ＆＝０ ａ一０ 即可 ， ： Ｈ ， ） 得
Ｍ ＋ ０Ｐ × Ｒ ＋ ∞ ｌ× １ — Ｔ１一 ｇ ∞ １ Ｒｌ＝ ０ × （） ３
器 人 单 足 着 地 的 稳 定 及失 衡 问题 进 行 了研 究 。对 于 脚 部旋 转 指 示 点 Ｆ（ ＲＩ， 面 反 作 用 力 点 Ｐ（ Ｏ ） Ｆ ）地 Ｃ Ｐ
和 质 量 中心 投 影 点 Ｃ Ｇ Ｏ ） （ Ｃ Ｍ 进行 了分 析 ， 以 得 到 二 足件 。 可