双足步行机器人设计及运动控制
双足竞步机器人控制系统设计与实现
双足竞步机器人控制系统设计与实现感知模块主要包括视觉传感器、力觉传感器、陀螺仪等。
视觉传感器用于获取机器人周围环境的图像信息，力觉传感器用于感知机器人与环境之间的力，陀螺仪用于感知机器人的姿态和角速度。
感知模块将获取到的信息传输给决策模块进行处理。
决策模块主要包括步态规划、姿态控制等。
步态规划根据机器人所处的环境和任务要求，确定机器人的行走步态。
姿态控制根据机器人的姿态信息，控制机器人的身体动作。
决策模块将计算得到的决策传输给执行模块。
执行模块主要包括运动控制器和执行器。
运动控制器根据决策模块的指令，控制执行器的运动。
执行器是机器人的关节执行机构，通过控制关节的旋转，使机器人能够执行相应的动作。
在双足竞步机器人的控制系统中，需要考虑的问题有很多。
首先，需要考虑如何将感知模块获取到的信息进行融合，从而得到准确的环境状态。
其次，需要设计合理的步态规划算法，确保机器人能够平稳地行走。
同时，需要实时调整机器人的姿态，以适应不同的运动要求。
最后，需要保证控制系统的稳定性和鲁棒性，避免系统因外界干扰而产生故障。
为了验证双足竞步机器人控制系统的设计与实现，可以设计实验，并对实验结果进行分析。
可以通过不同的环境和任务场景，测试双足竞步机器人的行走能力和稳定性。
实验中可以使用运动捕捉系统对机器人的运动进行跟踪，并对机器人的步态和姿态进行分析。
总之，双足竞步机器人控制系统设计与实现需要综合考虑感知、决策和执行等方面的问题。
通过合理的系统设计和实验验证，可以实现双足竞步机器人的准确控制和稳定运动。
两足步行机器人控制系统设计以及规划方法研究的开题报告
两足步行机器人控制系统设计以及规划方法研究的开题报告一、选题背景及意义近年来随着机器人技术的快速发展，步行机器人作为机器人中的一类，因其较灵活、稳定性高等优点，被广泛应用于军事、医疗、救援等领域。
而步行机器人的关键技术是控制系统和规划方法，两者的优化设计不仅可以提高机器人的稳定性和灵活性，还能够为机器人的实际应用提供更好的服务。
本文选题的两足步行机器人控制系统设计以及规划方法研究，旨在探索如何针对步行机器人的特殊结构和运动规律，设计出符合机器人步态的控制系统，实现步行机器人在不同场景下的稳定行走，同时研究合适的规划方法，为机器人提供更优秀的行进路径规划和避障策略，从而推动步行机器人在实际应用中的发展与应用。
二、研究内容与方法本文主要研究内容包括两足步行机器人的控制系统设计与规划方法研究，具体分为以下三个部分：1. 步行机器人的运动学建模与控制系统设计根据步行机器人的结构和运动规律，建立步行机器人的运动学模型，分析不同步态下机器人身体各个部分的运动状态，设计分别针对不同状态的控制器，实现对机器人步态和姿态的控制。
2. 步行机器人路径规划方法研究研究步行机器人的路径规划方法，采用A*、RRT、RRT*等常见算法，结合机器人的特殊结构和运动规律，设计适合步行机器人的路径规划策略，通过模拟与实验验证，对所设计的策略进行评估，并进行优化。
3. 步行机器人避障策略研究结合路径规划方法，设计两足步行机器人的避障策略，根据不同场景下机器人的感知及时调整路径规划方案，实现对于障碍物或者人的自动避让，同时保证机器人的安全性和稳定性。
本文的研究方法主要采用仿真模拟和实验室测试相结合的方式，通过matlab和ROS等软件环境进行仿真模拟，采用两足步行机器人实验平台进行实验验证，对所设计的控制系统和规划方法进行验证和优化。
三、预期结果及意义本文预期达到的研究结果包括：1. 设计出符合机器人步态的控制系统，实现步行机器人在不同场景下的稳定行走，提高机器人稳定性和灵活性。
3D双足机器人的动态步行及其控制方法
轨迹生成
基于步态规划结果，将步态序列转 化为关节角度、速度等控制信号， 生成机器人行走的轨迹。
轨迹跟踪与控制
通过反馈控制算法，实时调整机器 人各关节的运动轨迹，实现精确的 轨迹跟踪与控制。
03 3D双足机器人动态步行 的控制方法
基于模型的控制方法
建立动态模型Βιβλιοθήκη 利用机械动力学、运动学等理论，建立3D双足机器人的动态模型 ，包括身体各部分的运动方程、力和运动的关系等。
02
通过对机器人动力学和运动学 特性的深入研究，实现了对机 器人步行的精确控制。
03
引入了先进的控制算法和优化 策略，提高了机器人的稳定性 和适应性。
研究不足与展望
当前的研究仍存在一些不足之处，例如机器人在复杂地形和环境中的适应能力还有 待提高。
对机器人步行的动力学和运动学特性的理解还不够深入，需要进一步的研究和探索 。
控制器设计
基于动态模型，设计合适的控制器，通过调节机器人的姿态、步长 、步频等参数，实现稳定的动态步行。
参数调整
根据实际需要，对控制器参数进行调整，以达到最优的步行性能。
基于学习的控制方法
样本数据采集
通过实际实验或模拟，采集3D双足机器人在不同环境、任务下的 样本数据，包括姿态、速度、加速度等。
深度学习算法
步行周期与相位
步行周期
步行周期是指机器人完成一个完整步态循环所需的时间，通常由支撑相（单足支撑）和摆动相（双足支撑）组成 。
相位控制
相位控制是指控制机器人各关节在行走过程中的运动时序和幅度，实现稳定行走和姿态调整。
步态规划与轨迹生成
步态规划
根据机器人动力学模型和运动 学约束，设计稳定、高效的步 态序列，包括步长、步高、步
双足机器人参数设计及步态控制算法
制算法的改进方向，为未来的研究提供参考。
05
结论与展望
研究工作总结
01
参数设计优化
通过深入研究双足机器人的动力学特性和运动学要求，我们成功优化了
机器人的各项参数，包括惯性参数、连杆长度、关节角度范围等，从而
提升了机器人的稳定性和运动效率。
02
步态控制算法开发
我们开发了一种基于深度强化学习的步态控制算法，该算法能够根据不
VS
控制硬件
双足机器人的控制系统硬件需要具备足够 的计算能力和实时性能，以支持复杂的步 态控制算法和传感器数据处理。选择高性 能的处理器和专用的运动控制芯片，可以 确保机器人对行走指令的快速响应和精确 执行。
动力系统设计参数
要点一
能源供应
双足机器人的动力系统需要为其提供足够的能源供应，以 确保持续稳定的行走能力。选择合适的电池类型和容量， 以满足机器人的能量需求，并在必要时进行能源管理和优 化，以延长机器人的行走时间。
步态稳定性与优化
步态稳定性分析
通过建立机器人的稳定性判据，分析不同步态下的稳定性，为步 态控制算法提供理论指导。
最优控制
以能量消耗、行走速度等为目标函数，通过优化算法求解最优步态 控制策略，实现机器人的高效行走。
仿生学优化
借鉴生物行走的步态特征，对机器人的步态进行优化，提高机器人 在复杂环境中的行走性能。
意义
双足机器人具有人类类似的行走能力，能够在复杂地形中进行灵活移动，这对 于救援、探索等任务具有重要意义。同时，研究双足机器人也有助于我们更深 入地理解人类行走的机理。
双足机器人的应用领域
01
02
03
04
救援领域
在灾难救援场景中，双足机器 人能够跨越障碍，进入危险区
双足竞步机器人设计与制作技术报告
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。
综合设计两足步行机器人
综合设计两足步行机器人
1. 介绍
在现代机器人领域中，两足步行机器人是一类具有挑战性的研究课题。
本文将综合探讨设计两足步行机器人的相关技术和方法，从硬件设计到软件控制都将进行深入讨论。
2. 硬件设计
2.1 机身设计
两足步行机器人的机身设计是至关重要的一环。
在设计过程中需要考虑机身的稳定性、轻量化和结构强度。
2.2 步行机构设计
步行机器人的步行机构设计是影响其运动性能的重要因素。
合理设计步行机构有助于提高机器人的稳定性和效率。
3. 传感系统
传感系统在两足步行机器人中扮演着重要的角色，它可以实时感知周围环境和机器人自身状态，为机器人提供必要的信息。
4. 控制系统
控制系统是两足步行机器人的核心之一，其设计直接决定了机器人的运动性能和智能程度。
采用先进的控制算法和策略能够提高机器人的运动效率和稳定性。
5. 融合智能算法
结合机器学习和人工智能算法，可以使两足步行机器人具备更高的智能性和自适应性。
通过不断优化算法，可以提升机器人在复杂环境下的运动能力。
6. 应用前景
两足步行机器人具有广泛的应用前景，包括服务机器人、医疗辅助机器人和教育机器人等领域。
随着技术的不断进步，两足步行机器人将在更多领域展现其价值。
结论
综合设计两足步行机器人需要多方面的技术和方法的综合运用，从硬件设计到软件控制都需要精准的把握。
未来，随着技术的不断发展和完善，两足步行机器人将成为机器人领域的重要研究方向。
双足机器人制作及其步态运行
双足机器人制作及其步态运行实验目的1 .掌握实验室设备使用方法2 .学会AutoCAD知识并运用以及学习arduino单片机的基本开发3. 了解双足机器人平衡控制方法。
原理说明1. Arduino使用说明Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台。
包含硬件(各种型号的Arduino板)和软件(Arduino IDE)。
它构建于开放原始码simple I/O 介面版，并且具有使用类似Java、C语言的Processing/Wiring开发环境。
主要包含两个主要的部分：硬件部分是可以用来做电路连接的Arduino电路板；另外一个则是Arduino IDE ,你的计算机中的程序开发环境。
你只要在IDE中编写双足步态程序代码，将程序上传到Arduino电路板后，程序便会告诉Arduino电路板要做怎样的步态运行。
2. 双足步态算法双足机器人平衡控制方法其中的“静态步行” (static walking ), 这种方法是在机器人步行的整个过程中，重心( COG, Center of Gravity )在机器人底部水平面的投影一直处在不规则的支撑区域(support region ) 内，这种平衡控制方法的好处是整个机器人行走的过程中，保证机器人稳定行动，不会摔倒。
但是这个平衡控制方法缺点是行动速度非常缓慢(因为整个过程中重心的投影始终位于支撑区域)。
另一种使用的平衡控制方法是“动态步行” (dynamic walking ),在这个控制方法中机器人的步行速度得到了极大的飞跃，显而易见，在得到快速的步行速度同时，机器人很难做到立即停止。
从而使得机器人在状态转换的过程中显现不稳定的状态，为了避免速度带来的影响。
零力矩点( ZMP)被引入到这个控制策略中，在单脚支撑相中，引入ZMP=COG。
引入ZMP的好处在于，如果ZMP严格的存在于机器人的支撑区域中，机器人绝不摔倒。
基丁上述内容，可将机器人的一条腿抽象为上图。
双足机器人运动控制系统设计
双足机器人运动控制系统设计I. 引言双足机器人是一种特殊的机器人，其结构设计和控制方法相对比较复杂。
为了实现双足机器人在不同地形上稳定地行走和完成各种任务，需要一个完善的运动控制系统。
本文将介绍双足机器人运动控制系统的设计。
II. 双足机器人结构设计双足机器人的结构设计主要包括身体结构和腿部结构两部分。
1. 身体结构双足机器人的身体结构一般是由上下两部分组成。
上部分通常包括头部、脖子、躯干、手臂等组成，下部分则是由两条腿和脚组成。
2. 腿部结构双足机器人的腿部结构通常是由腿部骨架、电机、传感器和连杆等组成。
电机主要用于控制腿的运动，传感器可以检测腿的状态，通过控制电机来保持机器人的平衡。
同时，为了保证机器人在不同地形上的行走稳定性，腿部结构也采用了复杂的设计。
III. 双足机器人运动控制系统概述双足机器人的运动控制系统主要包括以下部分：运动规划、状态估计、运动控制和安全保护。
1. 运动规划双足机器人的运动规划是指如何规划机器人的运动轨迹。
对于双足机器人这种高自由度的机器人来说，运动规划就显得尤为重要。
一个好的运动规划方案可以让机器人更加高效地完成各种动作和任务，同时可以防止机器人在运动时出现干扰和失衡情况。
常见的运动规划方法包括轨迹生成法、优化方法和模型预测控制法等。
2. 状态估计状态估计是指通过传感器检测机器人当前状态，并对其状态进行估计。
状态估计是双足机器人运动控制系统中的一个重要环节，其主要作用是为后面的运动控制提供状态信息。
状态估计的常见方法包括视觉传感器、陀螺仪、加速度传感器和力传感器等。
3. 运动控制运动控制是指在双足机器人的运动过程中，通过运动控制算法和控制器来控制机器人。
运动控制主要包括关节控制、力控制和位置控制等。
关节控制是指通过控制机器人各个关节的转动角度来控制机器人的运动。
力控制是指通过传感器检测机器人受力情况，通过控制机器人的力来控制其行走。
位置控制是指通过控制机器人的姿态和位置来控制运动。
基于STM32F407的双足机器人
基于STM32F407的双足机器人双足机器人是一种仿生机器人，具有双足步行能力，能够模拟人类的步态和动作。
它具有很高的灵活性和稳定性，可以适应不同的地形和环境。
基于STM32F407的双足机器人具有先进的控制系统和智能算法，能够实现复杂的动作和任务。
本文将介绍基于STM32F407的双足机器人的设计原理、控制系统和应用场景。
一、设计原理基于STM32F407的双足机器人主要由机械结构、传感器系统、控制系统和动力系统四个部分组成。
机械结构是双足机器人的骨架，它决定了机器人的外形和运动方式。
传感器系统用于感知环境和身体状态，包括视觉传感器、惯性传感器、力传感器等。
控制系统是双足机器人的大脑，它接收传感器数据并计算出相应的动作指令。
动力系统则负责执行控制系统的指令，驱动机器人进行运动。
1. 高性能处理器：STM32F407是一款高性能的32位微控制器，具有丰富的外设和强大的计算能力，能够满足双足机器人复杂的控制算法和实时运动要求。
2. 多轴驱动：双足机器人需要精确的多轴驱动来实现步行和平衡，STM32F407提供了丰富的PWM输出通道和高速定时器，能够满足机器人的驱动需求。
3. 实时通信：双足机器人需要实时地接收和发送数据，与外部设备进行通信。
STM32F407具有丰富的通信接口和高速外设，能够满足双足机器人的通信需求。
基于STM32F407的双足机器人的设计原理可以满足机器人的高性能计算和实时控制要求，为机器人的稳定步行和复杂动作提供了坚实的技术基础。
二、控制系统基于STM32F407的双足机器人的控制系统包括感知、规划和执行三个部分，实现了双足机器人的全面控制。
感知部分主要通过传感器系统获取环境信息和身体状态，包括视觉、力觉、陀螺仪等传感器，将感知到的数据传输给控制系统。
规划部分主要通过控制算法对感知数据进行处理和分析，得出接下来的运动控制指令。
执行部分主要通过动力系统执行规划好的运动控制指令，控制机器人进行步行和平衡。
《双足机器人步态规划与控制研究》范文
《双足机器人步态规划与控制研究》篇一一、引言随着科技的飞速发展，双足机器人逐渐成为机器人领域的研究热点。
步态规划与控制作为双足机器人的核心技术，其研究对于提高机器人的运动性能、稳定性和灵活性具有重要意义。
本文将就双足机器人步态规划与控制的研究进行深入探讨，以期为相关领域的研究者提供一定的参考。
二、双足机器人步态规划1. 步态规划的基本概念步态规划是指为双足机器人设计合理的行走方式，使其能够模拟人类行走的姿态和动作。
步态规划的目的是使机器人能够在各种环境下稳定行走，同时保持一定的运动速度和灵活性。
2. 步态规划的方法目前，双足机器人的步态规划方法主要包括基于规则的方法、基于优化的方法和基于学习的方法。
基于规则的方法是通过设定一系列规则来控制机器人的行走，如基于零力矩点的步态规划方法；基于优化的方法是通过优化算法来寻找最优的步态，如基于遗传算法的步态优化；基于学习的方法则是通过机器学习技术来使机器人学习人类的行走方式。
3. 步态规划的挑战与解决方案在步态规划过程中，需要解决的主要问题是机器人的稳定性和灵活性。
为了解决这些问题，研究者们提出了多种方法，如采用多级控制系统、引入力反馈技术、优化机器人的结构等。
此外，还需要考虑机器人的运动范围、能耗等问题，以实现高效的步态规划。
三、双足机器人控制技术1. 控制系统的基本构成双足机器人的控制系统主要包括传感器、控制器和执行器。
传感器用于获取机器人的状态信息，如位置、速度、力等；控制器根据传感器的信息对机器人的运动进行规划和控制；执行器则负责驱动机器人的关节运动。
2. 控制算法的研究与应用常见的双足机器人控制算法包括PID控制、模糊控制、神经网络控制等。
PID控制算法简单易行，适用于大多数情况；模糊控制则能够处理不确定性和非线性问题；神经网络控制则能够模拟人类的思维过程，使机器人具有更高的智能性。
在实际应用中，需要根据机器人的具体需求和环境选择合适的控制算法。
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。
《双足机器人步态规划与控制研究》范文
《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。
液压驱动双足机器人运动系统设计与控制
控制系统方案设计
控制策略制定
根据双足机器人的运动需 求，制定合适的控制策略 ，包括步态规划、运动控 制、传感器数据处理等。
控制系统硬件
选择合适的控制系统硬件 ，包括控制器、传感器、 执行器等，以满足控制策 略的要求。
软件系统开发
根据控制策略和硬件配置 ，开发相应的软件系统， 实现机器人的运动控制和 数据处理。
运动系统的数学模型建立
基于牛顿-欧拉方程建立运动系统的数学模型，用于描述机器人各关节的运动状态 和相互关系。
考虑机器人的几何学、运动学和动力学特性，将机器人的运动表示为一系列关节 角度的函数。
通过数学建模，可以精确地预测机器人的运动行为，为后续的控制算法设计提供 基础。
运动系统的动力学分析
对液压驱动双足机器人的运动 系统进行动力学分析，以了解 各关节在运动过程中的受力情 况。
在实验过程中，机器人对外部环境的感知和决策主要依赖于预先设定的 算法和规则，未来可以加强机器人的自学习和自适应能力，提高其对新
环境的适应性和应变能力。
目前机器人的液压驱动系统仍存在一定的能耗和效率问题，未来可以进 一步研究低能耗、高效率的驱动系统，提高机器人的续航能力和实用性 。
应用前景和发展方向
制。
通过控制算法的设计，可以实 现液压驱动双足机器人的稳定 行走、转向、跳跃等复杂运动
。
04
液压驱动双足机器人运动 系统实验验证
实验平台搭建
1 2
液压驱动双足机器人搭建
根据双足机器人的机械结构和液压驱动系统的 特点，搭建实验平台。
实验硬件配置
包括液压驱动器、传感器、控制器、计算机等 硬件设备。
3
动性等方面。
控制策略研究
03
双足机器人设计
小型双足步行机器人的结构及其控制电路设计两足步行是步行方式中自动化程度最高、最为复杂的动态系统。
两足步行系统具有非常丰富的动力学特性，对步行的环境要求很低，既能在平地上行走，也能在非结构性的复杂地面上行走，对环境有很好的适应性。
与其它足式机器人相比，双足机器人具有支撑面积小，支撑面的形状随时间变化较大，质心的相对位置高的特点。
是其中最复杂，控制难度最大的动态系统。
但由于双足机器人比其它足式机器人具有更高的灵活性，因此具有自身独特的优势，更适合在人类的生活或工作环境中与人类协同工作，而不需要专门为其对这些环境进行大规模改造。
例如代替危险作业环境中(如核电站内)的工作人员，在不平整地面上搬运货物等等。
此外将来社会环境的变化使得双足机器人在护理老人、康复医学以及一般家务处理等方面也有很大的潜力。
双足步行机器人自由度的确定两足步行机器人的机构是所有部件的载体，也是设计两足步行机器人最基本的和首要的工作[1]。
它必须能够实现机器人的前后左右以及爬斜坡和上楼梯等的基本功能，因此自由度的配置必须合理:首先分析一下步行机器人的运动过程(前向)和行走步骤:重心右移(先右腿支撑)、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，共分8个阶段。
从机器人步行过程可以看出:机器人向前迈步时，髓关节与踝关节必须各自配置有一个俯仰自由度以配合实现支撑腿和上躯体的移动;要实现重心转移，髋关节和踝关节的偏转自由度是必不可少的;机器人要达到目标位置，有时必须进行转弯，所以需要有髋关节上的转体自由度。
另外膝关节处配置一个俯仰自由度能够调整摆动腿的着地高度，使上下台阶成为可能，还能实现不同的步态。
这样最终决定髋关节配置3个自由度，包括转体(roll)、俯仰(pitch)和偏转(yaw)自由度，膝关节配置一个俯仰自由度，踝关节配置有俯仰和偏转两个自由度。
这样，每条腿配置6个自由度，两条腿共12个自由度。
两足式自走机器人实验报告
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。
3106两足行走机器人行走控制系统设计.doc
1 绪论两足步行机器人是指可以使用两只脚交替地抬起和放下，以适当的步伐运动的机器人，可分为拟人机器人和桌面型两足机器人 (仿人机器人)大小和人相似，不仅具有拟人的步行功能，而且通常还具有视觉、语音、触觉等一系列拟人的功能；桌面型两足机器人通常指体积较小，只具有步行功能及其他少数特定功能的两足机器人，例如具有步行功能和视觉功能的自主踢足球机器人。
与拟人机器人相比，桌面型两足步行机器人的成本较低，除了具有科研性外，还具有广泛地娱乐性，也可以应用在教学和比赛中。
国内外的机器人大赛中，常常可以看到桌面型两足步行机器人的身影[1]。
1.1 课题的研究背景和意义于两足步行机器人的拟人性和对环境良好的适应性等特点，受到各国政府和研究者的广泛重视，是当今世界的高新技术的代表之一。
它在科研、教学、比赛和娱乐等方面都很到了很好的应用。
江苏省大学生机器人大赛和全国大学生机器人大赛中经常有两足步行机器人，它可以参加舞蹈机器人比赛、两足竞走机器人比赛、Robocop类人组机器人踢足球[10]器人创新比赛、Robocop救援组比赛等。
舞蹈机器人比赛时使用了日本“KONDO”两足步行机器人，性能出众，发挥稳定，获得了舞蹈机器人比赛的冠军。
但是该机器人是集成度很高的商业产品，它的控制系统不开放底层代码，难以进行二次开发和步态研究。
所以本文基于机器人控制系统中常用的众多处理器和操作系统各自的特点，并结合“KONDO”机器人机械结构的特性，选用了高性能、低功耗的 8 位AVR®微处理器内核处理器ATMega8P来实现对机器人的控制来。
设计的控制系统控制指令精简，控制转角精度高，波特率可以实时更改，体积小，重量轻，其可作为类人型机器人、仿生机器人、多自由度机械手的主控制器。
随着中国机械产业的不断进步，各高校相继开设机械类创新课程和比赛，学生可将其应用在各类机械创新作品中，优化控制系统参加比赛。
日本“KONDO”机器人如图1.1所示。
双足机器人制作及其步态运行
双足机器人制作及其步态运行首先，在双足机器人的制作过程中，机械设计是一个重要的环节。
双足机器人需要设计适合人体行走的腿部结构，通常采用三自由度的设计，即腿部可以在水平方向上摆动、伸缩和旋转。
此外，机械设计还需要考虑到双足机器人的稳定性和承重能力，以确保机器人在行走时不会失去平衡。
其次，控制系统是双足机器人制作中不可或缺的一部分。
控制系统需要将运动指令转化为机械运动，使机器人能够按照设定的步态进行行走。
控制系统通常包括传感器、执行器和控制算法等多个组件。
传感器主要用于获取机器人当前的状态和环境信息，比如陀螺仪和加速度计可以用来检测机器人的倾斜角度和加速度；执行器则用于实现机器人的运动，比如电机可以驱动腿部关节的运动；控制算法则负责解析传感器的数据并控制执行器的运动。
最后，双足机器人的步态运行是整个制作过程中最具挑战性的一部分。
步态运行可以分为静态步态和动态步态两种。
静态步态是指机器人在行走过程中，保持至少有三只腿支撑在地面上，而剩余的腿则处于摆动中；动态步态则是指机器人在行走过程中，每一步都会有腿从摆动态转化为支撑态。
步态运行的关键在于如何控制机器人的稳定性和步幅，以确保机器人在行走时不会失去平衡。
为了实现双足机器人的步态运行，需要通过控制算法来对机器人的运动进行优化。
控制算法可以根据传感器获取的数据来调整机器人的姿态和步频，以保持机器人的稳定性和步幅。
常用的控制算法包括PID控制、模糊控制和强化学习等，这些算法通过对机器人的运动进行建模和优化，可以使机器人在行走时更加稳定和高效。
总的来说，双足机器人的制作和步态运行是一个综合性的任务，需要涉及到机械、控制和算法等多个领域的知识。
只有在这些领域的相互配合下，才能够制作出一个稳定、灵活的双足机器人，并使其能够模仿人类的行走方式。
随着科技的不断发展，双足机器人的制作和步态运行将会变得更加成熟和先进，为人类带来更多的便利和可能性。
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
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S1_loop_num=S1_pw/20;
S2_loop_num=S2_pw/20;
TR0=1;
while(!flag)
{
pw1=1;
while(a!=S1_loop_num);
pw1=0;
while(!(a==126));
a=0;
pw2=1;
第2章 元件选择、结构设计
2.1元件选择
2.1.1电机的选择
常用的电机有直流电机、步进电机、舵机等。下面我们大概对直流电机、步进电机、舵机进行一下对比（见表2-1）
表2-1电机对比
电机
优点
缺点
适用重量Байду номын сангаас
应用场合
直流电机
功率大、接口简单、容易购得型号多
较难装配、较贵、控制复杂
任何重量的机器人
较大型机器人
sbit pw1=P0^0;
sbit pw2=P0^1;
void angle(float S1_angle,float S2_angle,uint action_time )
{
uint S1_pw,S2_pw;
uchar S1_loop_num,S2_loop_num;
uchar flag=0;
S1_pw=(uint)(500+100*S1_angle/9);
图3-1电路图
舵机控制器以80C51单片机为核心，该控制器中单片机可以产生8个通道的PWM信号，分别由80C51的P1．0～Pl.7端口输出。输出的8路PWM信号通过光耦隔离传送到下一级电路中。方波信号经过光耦传输后，前沿和后沿会发生畸变，因此反相器采用40106反相器对光耦传输过来的信号进行整形，产生标准的PWM方波信号。
根据资料查阅，绝大多数小型双足机器人关节材料均选用铝合金作为材料，整个结构采用1.5mm的铝合金(LY12)钣金材料，这种材料重量轻、硬度高、强度虽不如钢，但却大大高于普通铝合金。且这种材料具有弹性模量、密度比高的特点。又因为机器总重不超过2.5KG，舵机扭矩为13 kg·cm。强度远小于铝合金的抗弯强度。所以符合要求。如图2-1-2。
图2-1-2关节初步设计简图
2.2结构设计三维设计图
2.2.1
1、舵机，双足机器人的核心部件，型号XQ-RS313，如图2-2-1
图2-2-1舵机
2、舵盘，用于连接舵机与铝合金支架的部件，因为舵机左右结构对称，所以舵盘只有一种：用于连接舵机的齿轮端。如图2-2-2
a b
图2-2-2舵盘
3、铝合金支架，用于机器人的腿部主体支撑关节，起着连接舵机与舵机、舵机与腰部的身体板的重要作用。如图2-2-3
舵机输出转角与输入信号脉冲宽度的关系如图4-1所示：
图4-1舵机输出转角与输入信号脉冲宽度的关系
测试编程如下（实现45°,135°的脉冲信号）
#include <reg51.h>
#define uint unsigned int
#define uchar unsigned char
uchar a;
uint b;
图2-2-3铝合金支架
4、连接块，在4个面上都有螺纹孔，用于舵机与铝合金关节的连接以及关节与关节之间的连接，如图2-2-4
图2-2-4连接块
5、底部机器人脚板，中空设计便于在崎岖不平的道路上行走时提供足够的摩擦力，如图2-2-5
图2-2-5脚底板
6、腰部身体板，主要用于连接腿部、放置单片机和固定蓄电池。
掌握机器人系统中元部件的正确选择方法和特性参数的确定；
培养学生对所学知识的综合应用，理论联系实际的能力；
培养学生的动手能力和实际操作能力；
1.3
1、主要内容：
1）、机器人结构设计；
2）、控制系统软硬件设计与仿真；
3）、八自由度机器人运动控制。
2、训练形式
学生以小组为单位，集体讨论确定整体方案；指导教师给出实训方向，技术指标等，协助学生完成训练任务。
双足机器人不仅具有广阔的工作空间，而且对步行环境要求很低，能适应各种地面且具有较高的逾越障碍的能力，其步行性能是其它步行结构无法比拟的。研究双足行走机器人具有重要的意义
1.2
技能训练是在学生修完除毕业设计外全部理论和时间课程以后的一次综合性时间教学环节，其目的和意义在于：
通过技能训练，了解机器人机构及控制系统设计的基础知识；
第1章 序言
1.1
随着世界第一台工业机器人1962年在美国诞生，机器人已经有了三十多年的发展史。三十多年来，机器人由工业机器人到智能机器人，成为21世纪具有代表性的高新技术之一，其研究涉及的学科涵盖机械、电子、生物、传感器、驱动与控制等多个领域。
世界著名机器人学专家，日本早稻田大学的加藤一郎教授说过：“机器人应当具有的最大特征之一是步行功能。”双足机器人属于类人机器人，典型特点是机器人的下肢以刚性构件通过转动副联接，模仿人类的腿及髋关节、膝关节和踝关节，并以执行装置代替肌肉，实现对身体的支撑及连续地协调运动，各关节之间可以有一定角度的相对转动。
4、黄河、张良、孟祥、朱艾春．小型双足机器人设计概述．中国矿业大学信息与电气工程学院．江苏徐州．中国科技论文在线
5、小型双足步行机器人的结构及其控制电路设计．机电论文网/
6、解仑、王志良、李华俊．双足步行机器人制作技术．机械工业出版社，2008
第4章 系统软件编程与仿真
舵机的控制信号为周期20ms的脉宽调制（PWM）信号，其中脉冲宽度从0.5ms-2.5ms，相对应舵盘的位置为0-180度，呈线性变化。
也就是说，给它提供一定的脉宽，它的输出轴就会保持在一个相对应的角度上，无论外界转矩怎样改变，直到给它提供一个另外宽度的脉冲信号，它才会改变输出角度到新的对应的位置上。
while(a!=S2_loop_num);
pw2=0;
while(!(a==12));
a=0;
b++;
if(b==action_time)
{
TR0=0;
flag=1;
b=0;
}
}
}
void main()
{
P0=0x00;
TMOD=0x02;
TH0=236;
TL0=236;
EA=1;
ET0=1;
angle(0,0,50);
根据经验舵机在运行过程中要从电源吸纳较大的电流，若舵机与单片机控制器共用一个电源，则舵机会对单片机产生较大的干扰。因此，舵机与单片机控制器采用两个电源供电，两者不共地，通过光耦来隔离，并且给舵机供电的电源最好采用输出功率较大的开关电源。该舵机控制器占用单片机的个SCI串口。串口用于接收上位机传送过来的控制命令，以调节每一个通道输出信号的脉冲宽度。MAX232为电平转换器，将上位机的RS232电平转换成TTL电平。
angle(45,135,50);
}
void Time0()interrupt 1
{
a++;
}
图4-2 45°和135°转角时候的示波器波形
图4-2 45°和135°波形图
第5章 结论
通过这次技能训练主要运用80C51单片机为控制器开发了一个双足机器人系统，该机器人系统是由6个舵机构成的6自由度的机械系统。
如图2-2-6
图2-2-6身体板
2.2.2
图2-2-7为Proe-engineer制作的双足步行机器人三维装配模型。
图2-2-7双足机器人模型
如图2-2-8为Proe-engineer的双足机器人主视图截图
图2-2-8双足机器人主视图
如图2-2-9为Proe-engineer的双足机器人左视图截图
图2-2-9双足机器人左视图
参数说明:XQ-RS313舵机
1.重量：62g
2.尺寸：约60mmX40mmX35.5mm
3.速度：0.17秒/60度(4.8V)；0.13秒/60度(6.0V)
4.扭矩：13kg·cm
5.使用温度:0~~+55摄氏度
6.工作电压:4.8V-6V
2.1.2关节材料及尺寸的选择
由于舵机已经选定，则根据加入垫片以后各宽度设计支架的宽度，并按着人体比例设计大腿、小腿处需要的支架的长度。（如下图标注所示）
步进电机
精确的速度控制型号多、接口简单、便宜
体积大，较难装配、功率小、控制复杂
轻型机器人
巡线跟踪机器人，迷宫机器人
舵机
易于安装、接口简单、功率中等
负载能力较低
速度调节范围较小
重至2.5kg的机器人
小型机器人，步行机器人
所以此处选取XQ-RS313不带两个耳朵全金属齿轮13公斤大扭力舵机作为双足机器人的传动机构。
第3章 控制系统设计
舵机的控制信号实质是一个可调宽度的方波信号(PWM)。该方波信号可由单片机来产生。目前采用单片机做舵机控制器的方案比较多，可以利用单片机的定时器中断实现PWM。
电路设计方案有二种：
1、利用555定时器实现外部中断；
2、用单片机内部中断。考虑到制作成本，不宜增加外设，故采用方案2。方案电路图设计如图3-1所示。
从实践中体会到了学习研究机器人的乐趣。
参考文献
1、潘存云、高里基.通用工业机器人运动仿真系统IRKSS.机器人. 19949(2) 94-97
2、徐爱钧，彭秀华．Keil Cx51 V7.0单片机高级语言编程与μVision2应用实践．电子工业出版社．2004
3、丹尼斯.克拉克、迈克尔.欧文斯．机器人设计与控制．科学出版社．2004
在设计时，首先对双足机器人的结构、系统控制电路和应用软件的功能进行了设计与分析，确定了系统的总体结构和组成。
通过这次设计，使我们巩固了机器人设计制造以及单片机的知识，熟练运用各种制图软件（ProE，AUTOCAD），编程软件（Proteus，Keil）。提高了我们的动手能力以及团队写作能力。为我们的毕业设计打好坚实的基础。