V不平整地面上双足机器人的步态控制
双足机器人平地行走步态规划的研究
1 引言
双足机器人以其优越的越障性和机动性被广泛地应用于各 个领域[1]。而双足机器人研究的难点之一就是如何在行走过程中 保持自身的稳定，以至于在动态行走过程中不会发生倾覆和跌倒 [2]。精确的步态规划直接决定着双足机器人稳定性和各方面的协 调性。文献[3]对机器人的摆动腿踝关节和髋关节进行三次插值获 得了轨迹，再以稳定裕度为目标得到最优步行参数；文献[4]将机器 人行走质心近似为倒立摆模型，利用质心和摆动腿踝关节的轨迹 求出各个关节角的轨迹；文献[5]在传统的三次样条插值方法基础 上利用鱼群算法对髋关节中心到支撑腿踝坐标中心的距离值优 化，以获得稳定裕度大的步态。
摘 要：为了研究双足机器人平地行走过程中的步态规划问题，在二维倒立摆模型的基础上提出了周期、起步和止步三 步规划法，并利用速度和位移约束实现了三个步行阶段的平稳过渡，利用倒立摆简化模型和五次样条多项式插值方法得 到各个阶段质心和摆动腿踝关节的轨迹，再根据腿部关节转角简化模型利用几何法求得双足机器人的 10 个关节角运动 轨迹；最后通过 ZMP 方程检验并在 Matlab 软件中仿真，验证步态规划的合理性并为机器人后续虚拟样机研制和仿真提 供理论依据。 关键词：双足机器人；平地行走；倒立摆；步态规划 中图分类号：TH16 文献标识码：A 文章编号：员园园员-3997（圆园19）04-0230-05
2 双足机器人的设计
双足机器人的模型尺寸设计是步态规划的基础，合理的双 足机器人机构设计直接关系到后续的步态规划的复杂程度和稳
来稿日期：2018-10-27 作者简介：徐历洪，（1991-），男，湖北武汉人，硕士研究生，主要研究方向：双足机器人步态规划；
邹光明，（1970-），男，湖北仙桃人，博士研究生，教授，主要研究方向：机器人、计算机辅助工程、概念设计
双足机器人使用说明
以上资料如有疑问，请拨打公司客服电话：021-64850709-22
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（一）舵机控制卡工作方式： 当做为舵机控制卡使用时， AT89C2051 中的程序为 《舵机控制 （中断） 》 里面的 51arm20080623.c
当作为舵机控制卡使用的时候，控制卡最多可以同时控制八个舵机的运动，在 上电状态下（舵机控制器不和其他的控制部件进行通讯） ，8 个舵机控制端口分别输 出周期为 20ms,宽度为 1.5ms 的脉宽调制波。因此，按照舵机的控制原理，如果各 个控制端口上接有舵机， 则各个舵机输出角为 90 度。 如果控制卡此时没有外接控制 器，则舵机一直保持再 90 度状态。此时，控制卡需要接收从串口发来的控制信息， 控制信息中包括舵机要转动的角度以及其他的通讯协议。此时舵机控制卡就是一个 外接控制器控制信号与舵机动作之间的转换板。 （1） 端口定义 舵机控制卡上有八个舵机接口，分别定义为（Servo1～Servo8） ； 每个舵机输出口可以控制舵机转动（-90°～ +90°） ； 外接控制器上的串口（UART）直接和 AT89C2051 的串口相连，采用 9600 的波特率， 此接口可以和其他采用 TTL 电平的设备进行通讯。 （2） 通讯协议 a 接收数据： 每一帧控制指令：4 个字节 第一个字节：0xAF---- 数据帧起始字节； 第二个字节：0x00～0x08---- 舵机序号（Servo1～Servo8） ； 第三个字节：0x00～0xB4---- 旋转角度设定（-90°～ +90°） ； 第四个字节：0xFA----数据帧结束字节。 b 返回数据： 当正确接收一帧数据之后，伺服舵机控制器会返回一个字节数据做为接收确认信 息。 返回数据为：大写字母‘R’的 ASCII 码。 说明： 舵机控制板通过串口和外部控制器进行通讯， 外部控制器要让某个舵机转动
双足机器人步行原理
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。
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
足式机器人的运动控制方法
足式机器人的运动控制方法
足式机器人是一种能够通过腿部运动实现移动和操作的机器人。
为了使足式机器人能够实现各种复杂的动作和运动，需要对其进行运动控制。
常用的足式机器人运动控制方法包括全局规划和局部规划两种方式。
全局规划是指通过先验知识和运动策略规划，将机器人的运动轨迹规划好，然后通过控制机器人的关节角度和速度来完成规划好的轨迹。
这种方法适用于针对不同任务规划好的轨迹，可以保证机器人的运动轨迹比较准确，但是难以适应复杂环境和不确定性因素。
局部规划是指在机器人运动过程中，根据机器人当前的状态和环境信息，通过实时的运动控制，调整机器人的运动轨迹和关节角度，以适应复杂环境和不确定性因素。
这种方法适用于需要机器人快速、灵活地适应环境和任务变化的情况，但是由于需要实时的控制和调整，机器人的运动轨迹可能不如全局规划的准确。
在实际应用中，足式机器人的运动控制方法还需要结合机器人的传感器、动力学模型等多方面因素进行综合考虑。
通过不断优化和改进运动控制方法，可以提高足式机器人的运动效率和精度，为机器人技术的发展和应用提供更广阔的空间。
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双足机器人控制技术
雙足機器人控制技術臺灣科技大學 施慶隆一、簡介雙足機器人或廣義的人形機器人的種類大致上可分為如真人般大小的人形機器人（human-size humanoid robot）以及小型的人形機器人（small-size humanoid robot）兩大類。
如真人般大小的人形機器人通常具有二十多個致動器，身高介於120與180cm之間，體重大約50Kg左右。
其致動器大多數是由直流或交流伺服馬達、編碼器、諧波減速機（100:1）以及皮帶輪（1~5:1）所組成。
著名的範例有Honda ASIMO、日本HRP及HRP-2、早稻田大學WABIAN II、東京大學H6及UT-Theta、德國Jonnie、法國BIP、韓國KHR…等等。
如真人般大小的人形機器人的開發成本十分昂貴，其最終的設計目標與用途不外乎作為人類的忠實僕人，取代人類從事單調、危險、耗體能以及冒險等工作。
相對的，小型的人形機器人的開發成本相對低廉，其目標與用途為娛樂玩具市場與學校教育訓練。
小型的人形機器人的身高通常低於50cm、重量少於3Kg，其致動器大都選用輸出力矩為10~20 kg-cm的伺服機（RC servo）。
目前知名的小型人形機器人產品有SONY SDR-3x及QRIO、ZMP公司 NUVO及PINO…等等。
本文之目的為介紹如人一般大小之二足機器人的控制技術與原理。
二足步行機器人的平衡與步行控制為發展可如人類自由行走之人形機器人的先決條件。
二足步行機器人為多自由度機構複雜非線性而且大多屬於欠缺致動器的控制系統，而且一個步行週期存在多個不同動態模式以及需與環境進行碰撞接觸。
二足步行機器人步行時之動態過程為單腳支撐期（single-support phase）及雙腳支撐期（double-support phase）交替互換之混合式動態系統（hybrid dynamic system）。
單腳支撐期時一腳為支撐腳而另一腳則擺動前進至著地；然後進入雙腳支撐期。
双足机器人平衡控制及步态规划研究
摘要摘要驱动技术，人工智能，高性能计算机等最新技术已经使双足机器人有了粗略模拟人体运动的灵巧性，能够进行舞蹈展示，乐器演奏，与人交谈等。
然而这与投入实际应用所需求的能力还有不小差距。
主要体现在缺乏与人类相近的平衡能力和步伐协调能力，对工作环境要求高，在非结构化环境中适应能力差。
因此，本文以自主研制的双足机器人为研究对象，重点研究了双足机器人的平衡控制，阻抗控制以及步态规划等内容。
本文首先简要介绍了自主研制的双足机器人的软硬件构架，建立了ADAMS 和Gazebo仿真来协助对控制算法性能预测和优化并减少对物理机器人的危险操作。
接着分析了双足机器人的正逆运动学并引入运动学库KDL来简化运动学运算。
稳定的平衡控制对于双足机器人而言在目前还是个不小的挑战。
本文就此研究了两种处理平衡的阻抗调节方案。
一种是基于LQR的固定阻抗模型，这种方案简单有效，但存在易产生振动的问题，本文结合滤波改善了平衡控制效果。
另一种是基于增强学习的自适应阻抗模型。
该方法可以在不知道系统内部动态信息的情况下利用迭代策略在线得到最优解，是对前述LQR方法的进一步优化。
随后本文通过仿真和实验进行了验证并分析了优缺点。
步态规划是机器人运动控制中最基础的一环。
本文从五连杆平面机器人入手对其运动控制进行了研究。
首先采用基于ZMP的多项式拟合法实现了机器人平地行走的步态规划。
然后分析其动力学模型并利用PD控制器进行运动仿真，就仿真中出现双腿支撑阶段跟踪误差较大的问题提出了PD与径向基神经网络混合控制的新策略。
再次通过仿真证实该方案能够减小跟踪误差。
最后，本文利用前述多项式拟合法对实验平台的物理机器人进行静态行走和上楼梯的步态规划。
针对上楼梯的步态规划的特殊性，本文提出了分段拟合来实现各关节的协同规划，并引入了躯干前倾角来辅助身体平衡。
由于时间所限，本文实现了双足机器人的稳定步行实验，上楼梯实验还尚缺稳健性，这将作为下一步的工作。
关键词：双足机器人，平衡控制，步态规划，ADAMS仿真，增强学习IABSTRACTDriving technology, artificial intelligence, high-performance computers and other latest technology has enable bipedal robots to roughly emulate the motor dexterity of humans, able to dance show, musical instruments, and talking. However, this ability still have big gap between putting into practical application. Mainly reflected in the lack of the ability of balance, and the coordination of walking. High demands on the working environment, poor adaptability in unstructured environments. In this paper, the self-developed bipedal humanoid robot is researched, and the balance control, impedance control and gait planning are mainly studied.This paper first introduces the hardware and software architecture of the biped robot, and establishes the ADAMS and Gazebo simulation to assist in the prediction and optimization of the performance of the control algorithm, so as to reduce the risk operation of the physical robot and avoiding the potential risks. Then the forward kinematics and inverse kinematics of the biped robot are analyzed and the kinematic library KDL is introduced to simplify the kinematic operation.Stable balance control is still a challenge for biped robots. In this paper, we present two schemes for impedance adjustment when dealing with the balance. One is the fixed impedance model, which is simple and effective, but there is a problem of vibration, a filter is combined in this paper to improve the balance control effect. The other is an adaptive impedance model based on integral reinforcement learning. This method can obtain the optimal solution online by using the policy iteration without knowing the dynamic information of the system. It is a further optimization of the LQR method. Then the scheme is simulated and experimented, and the advantages and disadvantages are analyzed.Gait planning is the most basic part of robot motion control. First, a simplified five-link planar robot model is established to facilitate the study. Then, the ZMP-based polynomial fitting method is used to realize the gait planning of the robot's horizontal walking. Then the dynamic model is analyzed and the PD controller is used to simulate the motion. A new strategy of PD and RBF neural network hybrid control is proposed to reduce the tracking error during DSP. Again, the simulation results show that the scheme can reduce the tracking error.IIFinally, this paper applies the polynomial fitting method to carry on the static walking and the stairway gait planning of the physical robot of the experimental platform. In view of the particularity of the gait planning of the stairs, this paper proposes a partition fitting to realize the cooperative planning of each joint and introduces the trunk leaning forward to assist the body balance. Due to time constraints, this paper has achieved a stable walking experiment of bipedal robots, and the stair experiment is still lacking in robustness, which will be the next step of the work.Keywords: biped robot, balance control, gait planning, ADAMS simulation, reinforcement learningIII目录第一章绪论 (1)1.1 研究工作的背景与意义 (1)1.2 国内外研究历史和发展态势 (2)1.2.1双足机器人的发展现状 (2)1.2.2双足机器人平衡控制概况 (6)1.2.3机器人阻抗控制概况 (7)1.2.4双足机器人步态规划及运动控制概况 (8)1.3 本文的主要工作 (9)1.4 本论文的结构安排 (10)第二章双足机器人控制系统架构与仿真平台设计 (11)2.1 双足机器人机体结构 (11)2.2 双足机器人控制系统框架设计 (13)2.2.1硬件系统设计 (13)2.2.2控制软件设计 (15)2.3 双足机器人仿真平台的设计 (16)2.3.1机器人系统常用仿真软件 (16)2.3.2ADAMS虚拟样机建模 (17)2.3.3G AZEBO模型建立 (18)2.4 本章小结 (19)第三章双足机器人运动学建模分析 (20)3.1 双足机器人位姿的描述 (20)3.2 正向运动学求解 (21)3.3 逆运动学求解 (22)3.4 五连杆平面机器人的运动仿真 (26)3.4.1开源运动学和动力学库KDL (26)3.4.2基于KDL的双足机器人运动学仿真 (26)3.5 本章小结 (27)第四章双足机器人站姿下的平衡控制 (28)4.1 双足机器人的平衡控制策略 (28)4.2 双足机器人的踝关节平衡策略 (30)IV4.2.1基于倒立摆的固定阻抗模型 (31)4.2.2基于增强学习的自适应阻抗模型 (33)4.3 仿真结果 (38)4.3.1固定阻抗与自适应阻抗仿真结果及对比 (38)4.3.2仿真算法的进一步优化 (41)4.4 实验结果 (43)4.4.1实验设计 (43)4.4.2实验结果与分析 (44)4.5 本章小结 (47)第五章五连杆双足机器人行走步态规划及控制 (48)5.1 步态规划依据和方法 (48)5.1.1步态规划的依据 (48)5.1.2离线步态规划的方法 (49)5.2 五连杆平面机器人模型的建立 (49)5.2.1五连杆模型简介 (50)5.2.2五连杆的运动学与动力学模型 (51)5.3 五连杆机器人的步态规划 (53)5.3.1摆动腿的轨迹规划 (53)5.3.2髋关节的轨迹规划 (55)5.3.3轨迹规划展示 (56)5.4 基于PD控制器的五连杆运动控制 (57)5.4.1PD控制器设计 (58)5.4.2仿真实验结果及分析 (59)5.5 基于RBFNN的五连杆运动控制 (61)5.5.1基于动力学模型的控制分析 (61)5.5.2RBF神经网络控制器设计 (62)5.5.3仿真实验结果及分析 (64)5.6 本章小结 (65)第六章双足机器人步态规划与实验 (66)6.1 双足机器人步态规划的约束 (66)6.2 双足机器人静态行走的步态规划 (66)6.2.1步行准备阶段运动规划 (67)6.2.2周期步行阶段运动规划 (69)V6.2.3步态仿真验证 (71)6.2.4双足机器人步行实验 (73)6.3 双足机器人上楼梯的步态规划 (73)6.3.1起步阶段运动规划 (73)6.3.2上楼梯双腿支撑阶段运动规划 (74)6.3.3跨两层台阶运动规划 (75)6.3.4双足机器人上楼梯仿真及实验 (76)6.4 本章小结 (78)第七章全文总结与展望 (79)7.1 全文总结 (79)7.2 后续工作展望 (80)致谢 (81)参考文献 (82)攻读硕士学位期间取得的成果 (87)VI第一章绪论第一章绪论1.1 研究工作的背景与意义上世纪60年代初，工业机器人和自主移动机器人成为现实，为实现大规模自动化生产，降低制造成本提升产品质量做出了巨大贡献。
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。
双足机器人步行原理
双足机器人步行原理
双足机器人是一种模仿人类步行方式的机器人，它可以像人类一样在不平坦的
地面上行走。
双足机器人的步行原理是基于人类步行的生物力学原理和动力学原理，通过对人类步行过程的模拟和分析，实现机器人的稳定步行。
首先，双足机器人步行的基本原理是通过双足之间的协调运动来保持平衡。
人
类步行时，两只脚交替着地，一只脚支撑身体重量，另一只脚向前迈出。
机器人也是通过类似的方式来实现步行，它需要不断地调整双足之间的配合，以保持稳定的步行姿势。
其次，双足机器人步行的原理还涉及到动力学控制。
在机器人步行过程中，需
要对每一步的力量和速度进行精确控制，以保持平衡和稳定性。
这就需要机器人具备高精度的传感器和智能控制系统，能够实时监测和调整步行过程中的各项参数。
另外，双足机器人步行的原理还包括了对地面情况的感知和适应能力。
不同的
地面情况会对机器人的步行造成影响，比如不平坦的地面、坡道、台阶等。
机器人需要能够通过传感器感知地面情况，并做出相应的调整，以适应不同的环境。
总的来说，双足机器人步行的原理是基于对人类步行过程的模拟和分析，通过
动力学控制、协调运动和地面感知能力，实现机器人的稳定步行。
这需要机器人具备高精度的传感器、智能的控制系统和灵活的运动机构，才能够在各种复杂的环境中实现稳定的步行。
随着科技的不断发展，双足机器人步行原理将会得到更加深入的研究和应用，为人类带来更多的便利和可能性。
《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。
双足步行机器人步态规划
步态规划是双足步行机器人行走的关键技术之一，合理的 步态规划可以使机器人更加稳定、高效地行走。
研究意义
通过对双足步行机器人步态规划的研究，可以推动机器人 技术的发展，为机器人应用现状
国外研究现状
国外在双足步行机器人的研究方面已经取得了一定的成果，如波士顿动力公司的Atlas机器人、本田公司的 ASIMO机器人等。这些机器人在步态规划方面采用了多种方法，如基于运动学的方法、基于动力学的方法等。
特点
双足步行机器人具有稳定性好、 适应性强、灵活性高等特点，能 够在复杂环境中自主行走或携带 物品。
双足步行机器人发展历程
初期阶段
早期的双足步行机器人主要采用简单 的机械结构和控制算法，行走速度较 慢，稳定性较差。
成熟阶段
现代的双足步行机器人已经具备了较 高的自主行走能力和适应性，能够适 应各种复杂环境。
科研领域
双足步行机器人可以作为 研究人类行走机制和仿生 机器人的重要工具，促进 相关领域的发展。
03
步态规划基本原理
步态定义与分类
步态定义
步态是指机器人行走时，每一步的姿 态、速度和加速度等运动参数。
步态分类
根据机器人行走时支撑腿的数量，可 分为单足步态、双足步态和多足步态 。
步态规划目标与约束条件
结果比较
将实验结果与理论分析结果进 行比较，评估步态生成算法的
性能和优劣。
06
基于混合模型的步态规划方法
混合模型建立与描述
混合模型定义
混合模型是由一系列连续和离散动态 模型构成的模型，用于描述复杂系统 的行为。
双足步行机器人混合模型
针对双足步行机器人的特点，建立由 连续动态模型和离散动态模型组成的 混合模型。
不平整地面仿人机器人行走控制策略
不平整地面仿人机器人行走控制策略
仿人机器人行走控制策略是一种有效的非平整地面行走技术，它可以帮助机器人实现有效的行走。
非平整地面包括楼梯、坡道、起伏和不匀面等，而控制策略就是对机器人行走进行合理的控制，使其能够在多种不同的地面上实现安全的行走。
仿人机器人行走控制策略，首先要求机器人有足够的力量和耐力来应对不平整地面的行走负荷。
如果机器人发现自己处在不平整的地面上，它就需要根据地面的形状与坡度来改变其动作，以防止大力灌策略带来的安全隐患。
非平整地面行走控制策略还需要考虑机器人的稳定性以及减少机器人踩中障碍物及路面摩擦等问题。
另外，仿人机器人行走控制策略还可以利用多传感器对机器人行走进行实时监控，以校正机器人脚步位置。
这些传感器会检测地面变化，并及时将数据反馈给机器人，以改变机器人的脚步运动，使它能够顺利地走过不同的地面形状。
总之，仿人机器人行走控制策略是一种安全可靠的控制技术，可以有效地帮助机器人实现非平整地面上的安全行走。
仿人机器人行走控制策略不仅要考虑机器人脚步走位、步伐步长，还要注意结合传感器技术，以提升机器人行走安全性和稳定性。
双足行走机器人知识点总结
双足行走机器人知识点总结双足行走机器人是一种能够模仿人类行走方式的机器人，它可以通过仿生学原理实现平稳的步态，并且能够在复杂的环境中移动。
下面将从构造、控制和应用三个方面对双足行走机器人的知识点进行总结。
一、构造 1. 动力系统：双足行走机器人通常采用电动机作为动力源，通过驱动机械结构实现腿部的运动。
电动机可以是直流电机、步进电机或伺服电机等。
2.传感器系统：为了实现双足行走机器人的平稳步态，需要搭载各种传感器来感知环境和机器人自身状态。
常见的传感器包括惯性测量单元（IMU）、力/力矩传感器、视觉传感器等。
3. 机械结构：双足行走机器人的机械结构需要具备轻量化、稳定性和可靠性等特点。
通常采用碳纤维复合材料或铝合金作为骨架材料，通过关节和连接件组装起来。
二、控制 1. 步态规划：双足行走机器人的步态规划是控制系统的关键。
通过分析人类行走的动作和力学原理，可以设计出适合机器人的步态，如倒立摆步态、骨骼模型步态等。
2. 动力学控制：在保持稳定的同时，双足行走机器人需要根据环境和任务要求实时调整步态。
动力学控制算法可以根据传感器数据实时计算机器人的运动轨迹和力矩分配，以保持平衡。
3. 路径规划：在复杂环境中移动时，双足行走机器人需要进行路径规划来避开障碍物。
路径规划算法可以根据传感器数据和机器人模型计算出最优的行走路径，并生成相应的控制指令。
三、应用 1. 服务机器人：双足行走机器人可以应用于服务行业，如餐厅、医院等场所的服务员机器人，能够快速、准确地完成送餐、导航等任务。
2. 救援机器人：双足行走机器人可以在灾难现场进行搜救工作，通过穿越复杂的地形和障碍物，寻找受困人员并提供帮助。
3. 科学研究：双足行走机器人可以用于科学研究领域，如人类运动学研究、人体工程学等，通过模拟人类行走模式，深入研究人类行为和生理特性。
总结：双足行走机器人是一种模仿人类行走方式的机器人，具有广泛的应用前景。
它的构造需要采用合适的动力系统、传感器系统和机械结构。
动态双足机器人的控制与优化研究
动态双足机器人的控制与优化研究作者：贺琳王鹏勃来源：《科学与财富》2018年第35期1 引言在20世纪90年代初期，世界上很多国家地区都对动态双足机器人进行了深入的研究，动态双足机器人采用的是与人类行动方式类似的运动方式，能够对人类的行走进行仿真模拟，而且有着低能耗的特点，而且能够在任务的过程中保持合理的稳定状态。
双足机器人研究难度最高的内容就是动态运动，这对于其运用有着重要作用，能够让机器人更加的灵活，而在行走的时候，双足机器人相对于轮式机器人比较更不稳定，所以有必要对规划其行走步态，保证与地面接触时的撞击最低。
2 动态双足机器人基本概念与控制原理2.1 动态双足机器人基本概念双足动态运动是生物体与生俱来的能力，也是生物生存的基础性能力，动态双足机器人是对双足生物运动的一种仿真模拟，是利用机械的形式进行一种运动方式，与固有的机器人运动方式相比，动态双足机器人的运动轨迹更加富有空间，能够对不同的环境进行适应，保证在多种环境下都可以进行指令的完成，尤其是在最适合落脚点的范围内，双足机器人的优势得以体现，能够很好的进行动作。
2.2 动态双足机器人的控制原理动态双足机器人的控制原理为静态步行，这是在机器人运动状态下的算法体现，其中机器人的重心在机器人底部水平的投影之中，此处为不规则的支撑范围。
控制原理是在机器人运动的时候，保证机器人的稳定性，但是这样的控制方法使机器人的速度受到限制，这是因为重心的投影一直在支撑范围不变。
在控制原理中的另一种方法为动态步行，这让机器人的运动速度受到的限制特别小，在快速运动的过程中，在停止时候出现不稳定的情况，所以零力矩点被引入此控制原理内，在单足进行支撑的时候，引入ZMP=COG，让机器人稳定性提高（如图1）。
XZMP=XMC- MC其中，XZMP为正向ZMP，XMC为质量中心前进的位移，l为倒立摆的长度，g为重力加速度。
3 动态双足机器人周期轨道稳定性分析方法3.1 ZMP稳定性分析ZMP稳定性分析方法是通过对单足支撑过程中与地面完全接触，对不同的自由度进行控制，避免出现运动状态下的不稳定情况的一种判断，当动态双足机器人动态平衡的情况下，重力与惯性的合力对ZMP点力矩与水平面两个垂直方向分量是零，ZMP有必要始终落在动态双足机器人支撑范围中，因为在运动的过程中才可以更加稳定，而国内很多学者对其进行完善的过程中认为，这样方法仅仅适用于平稳地面的情况，ZMP才可以使机器人在一些动作下不会翻转。
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
双足机器人上楼梯步态的规划与控制
ｃｎｒｌ ｄｓ ｂｙ ｈ ａ ａ ｌ ｎ ｄｂ ｅｍｅ ｃｃｎｔ ｉｔ ｔ ｄ ａｄｔｅａｋｅ ａ ｃｏ ａ ｔ ｄｗｔ ｃ・ ｏｔ ｌ ｔ ｌ．Ｔ ｅｇｉｗ ｓ ａ ｅ ｙｇｏ ｔ ｏｓ ａ ｈ ， ｎ ｎｌ’ｔｊ ｔ ｙＷ Ｓ ｔ ｉ ｙ ｏｅ ａ ｔ ｐｎ ｉ ｒ ｒ ｎ ｍｅ ｏ ｈ Ｓｒｅ ｒ ｉ ｆｅ ｈ
ＡＢＳＴＲＡＣＴ ：ｎ ｏ ｄ ｒｔ ｅ ｉ ｅ ａ ｏ ｏ ｌ ｂ ｕ ｓａｒ ｔ ｂｙ，ｉｓ ｇ ｉ ｓ ｏ ｌ ｌ ｎ ｄ ａ ｐ ｏ ｉａｅｙ，ａ ｄ Ｉ ｒ ｅ ｏ ｇ ｔａ ｂ ｐ ｄ ｌｒ ｂ ｔｃｉ ｐ ｔｉｓ ｓａ ｌ ｍ ｔ ａｔ ｈ ｕ ｄ ｂｅ ｐ ａ ｅ ｐ ｒ ｐｒ ｔｌ ｎ ｂｅ
Ｓ Ｎ ｉｎ—ｘ，Ｚ Ｕ Ｆ ｎ ， Ｉ Ｎ ｉｇ Ｏ ＧＸ ａ ｉ ＨＯ ｅ ｇ Ｌ Ａ Ｇ Ｑ ｎ ，ＷＡ Ｇ Ｙ ｎ Ｎ ｏｇ
（ ｅａｔ ｎ ｆ ｕｏ ａｉ ， ｎ ｅｓｙｏ ｃ ｎｅａｄＴ ｃｎｌ ｙｏ ｈ ａ Ｈｅ ｉ ｎ ｕ ２ ０ ２ ， ｈ ａ Ｄ ｐｒ ｍｅｔ ｔ ｔ ｎ Ｕ ｉ ｒ ｔ ｆ ｉ ｃ ｎ ｅｈ ｏ ｇ ｆ ｉ ， ｆ ｈ ｉ ３０ ７ Ｃ ｉ ） ｏＡ ｍ ｏ ｖ ｉ Ｓ ｅ ｏ Ｃｎ ｅＡ ｎ
关键词： 双足机器人 ； 上楼梯 ； 零力矩点 ； 模糊控制 ； 联合仿真
中 图 分 类号 ：Ｐ ４ ． Ｔ２２３ 文 献标 识 码 ： Ａ
Ｇａ ｔ Ｐｌ ｎ ｎｇ ａ ｎ ｒ ｌｏ ｐ ｄ Ｒｏ ｔ Ｃｌ ｂ ｎ ｓ ａ ｒ ｉ ａ ｎｉ ｎｄ Ｃｏ ｔ ｏ ｆａ Ｂｉ ｅ ｂｏ ｉ ｉ ｇ Ｕｐ ｔ ｉ ｓ ｍ
ｃ ｉ ； ｈ ｎａｆｚ ｏ ｔ ｌ ｒ ａ ｅｉ ｅ ｄｕ ｔｈ ｌＳ ｎ ｌ ｏ ｋｅ ｗ ｉ ａ ｅ ｈ Ｍ ｌ ｅ ｅｃ ｎ ｌ ｄ ｔｅ ｚ ｃｎｒ ｌ ｓｄ ｓ ｎ ｄｔ ａｊ ｓ ｔｅ ｏｌ ｇ ｆ ｎ ｌ， ｈｃ ｍ ｄ ｅ Ｐ ｃ ｓｄｔ ｔ ｅ － ｏ ｕｙ ｏｅｗ ｇ ｏ ｒ ’ａ ｅ ａ ｈ ｔ Ｚ ｏ ｏｈ
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。
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图 2
双足机器人步行控 制器整体结构
增刊 ( I)
李建, 等 : 不平整地面上双足机器人的步态控制
131
下面重点讨论传感器反馈控制器 , 它由上身姿态控制、 期望 ZM P控制和非线性落地控制组成 . 反馈控 制器依赖于步行控制器定义的步行阶段, 决定修正左腿还是右腿. 上身姿态控制和目标 ZM P 控制修正当 前支撑腿的各个关节 , 落地控制则是在摆动腿将要落地之前修正各个关节. 经过反馈控制器修正后的步态 数据发送到关节伺服控制器, 其形式可表示为 ud ( t) = q d ( t) + q l ( t) + q z ( q b ( t ), t) ( 6) 式中, q d ( t) 表示步 态 生 成器 生 成的 关 节 角度 矢 量; q l ( t) 表 示 非线 性 落 地控 制 对步 态 的 修正 量 ; q z ( qb ( t ), t) 表示实际 ZM P 控制和上身姿态控制联合对修正的修正量; u d ( t) 表示发送给关节伺服控 制器的控制变量 . 2 2 上身姿态控制 双足机器人在行走过程中 , 希望能像人那样保持上身的直立状态. 但行走于不平整地面时, 机器人上 身会发生倾斜, 如果上身姿态不及时恢复 , 很容易摔倒. 纠正上身姿态最有效的手段是控制支撑腿髋关节 . 当机器人检测出姿态发生偏移时, 利用安装在上身的姿态传感器将上身姿态控制激活 , 然后根据步态生成 器所定义的步行阶段来修正当前支撑腿的髋关节, 其修正量可表示为 q hb ( t ) = K Pb ( d ( t ) - r ( t ) ) + K Db ( d ( t ) - r ( t ) ) ( 7) 式中 , K Pb 和 K D b 分别表示控制器的比例系数和微分系数 ; d ( t) = d ( t) ∀ 0表示机器人在步行过程中总 是保持期望的直立姿态; r ( t ) 表示姿态传感器实际测量的姿态角度 . 2 3 期望 ZM P 控制 双足机器人行走的首要目标就是保证行走的稳定性. 步行的稳定性可以通过 ZM P 规范来判别 , 其中 ZM P 是步行过程中机器人的脚与地面接触力的合力中心 . 如果 ZMP 落于脚底与地面接触的多边形内 部 , 机器人可以保持稳定不倒; ZM P越靠近多边形的中心 , 机器人稳定裕度越大. 实际 ZM P 可以通过安装 在脚底的六轴力 / 力矩传感器测量数据计算得到. 实际 ZM P可以通过控制支撑腿的任何一个关节得到修正. 问题是 , 机器人本身的柔性严重影响着控 制效果 , 在仅靠修正机器人的单个关节维持机器人稳定时, 控制器难以确定合适的控制参数. 因此, 本文通 过修正支撑腿的所有关节来加速 ZM P控制器的收敛. 另外 , 上身姿态控制对步态的修正也影响到机器人 的稳定性, 因此, 在 ZM P控制器中也考虑了这个修正, 具体形式为 T T d r d r { q hz ( t), q kz ( t), q az ( t) } = { k1, k2, k 3 } K P z (x zm p ( t) - x zm p ( t) ) + K D z ( xzm p ( t) - xzm p ( t) ) - qhb ( t) /k3 ( 8) k1 + k2 + k3 = 1 式中, { qh z ( t), qk z ( t), q az ( t) } 表示控制器对支撑腿髋关节、 膝关节和踝关节的修正量; K P z 和 K Dz分别
Abstract : A w a lk in g contro l a lgor ith m is propo sed fo r biped robo ts on the uneven ground. It con sists o f a w alking pattern generat io n and a sen sory feedback con tro l a lg o rithm. Fo r the w a lk in g pat tern g enerat io n , a passiv e in verted pendulum m odel ( P IPM ) is used to desig n th e trajecto ry o f the grav ity cen ter o f th e b ip ed robo . t T he generated pattern enab le s the biped robo t to w alk stab ly on the f lat g round w ith a m o re natural hum an lik e w a lk ing. T he on lin e sen sory feedback con tro ller is deve l o ped to dea l w ith the unevenness o f the env ironm en ts and unknow n d isturbances . T he contro ller is com po sed o f body attitude contro , l desired zero m om ent po in t ( ZM P) contro l and non linear landin g contro , l w hich are desig ned fo r dif ferent contro l ob jec tiv es . A cco rding to the w a lk in g perio ds , they can m odify the predef ined g ait to assure the stability o f the b iped w a lk ing. Further m o re , they are structura lly coup le d w ith each o ther , w hich can acce le ra te the converg ence speed o f the onlin e senso ry feedback contro ller and tackle the in f luence o f the biped robo t s f lex ib ility on the contro l effec. t T he w a lk ing experi m ent fo r th e biped robo t on the uneven g ro und conf ir m s the e ffectiv ene ss o f the propo sed a lg o rithm. K ey w ord s : biped robo ; t ga it generation ; w a lk ing contro ;l pa ssive inverted pendu lum m odel 双足机器人具有和人类一样的形体结构, 适合在为人类设计的各种环境中工作, 并已成为智能机器人 研究领域中最具代表性的课题之一. 近年来, 该项技术有了很大进步, 很多研究组织已经开发出能够稳定 [ 1 5] [ 6] 动态步行的双足机器人 . 然而, 稳定可靠的双足步行仍然是未解决的、 最根本的问题 . 要在人类生活的环境中工作, 对各种不平坦的地面以及某些未知扰动的适应性是双足机器人必备的 [ 7] 能力. 针对这一问题, Z heng 等 利用力传感器实现了未知斜坡地面上双足机器人静态步行的稳定控制 . [ 8 11] 其后, 很多研究者利用在线控制实现了对双足机器人的稳定控制 . 大部分的双足机器人在线控制系统
- KT / 2 KT / 2
2
2 1
传感器反馈控制算法
步行控制器的整体结构 步行控制器的整体结构分为 3层 (见图 2). 在第 1 层中 , 预先规划双足机器人于平地上稳定行走的步 态 , 并生成离线数据. 在第 2 层中 , 传感器反馈控制器根据安装在上身的姿态传感器以及脚底的力 / 力矩 传感器 , 实时修正所规划的步态 , 使机器人在受到扰动或在不平整地面上仍能保持步行的稳定性. 在第 3 层中, 在线反馈控制器修正后的步态数据被发送到双足机器人的关节伺服控制器中, 以控制各关节角位置.
130
东南大学学报 踝关节 髋关节策略修正双足机器人步态, 利用踝关节调整反映双足机器人稳定程度的零力矩点 ( ZM P) 的位置 , 利用髋关节调整双足机器人上身姿态 . 然而 , 所有双足机器人都存在柔性问题 , 使得控制 系统很难获得合适的控制参数来保持未知地面上的稳定步行 : 控制参数过大会使机器人振荡失稳, 过小又 不足以调整机器人的步态使其维持稳定. 本文提出了一种在不平地面情况下双足机器人的步行控制系统, 它由步态生成系统和传感器反馈控 制系统组成 . 前者是基于文献 [ 12]中提出的被动倒立摆模型, 所生成的步态使双足机器人步行更加自然 有效; 后者考虑了机器人本身的柔性 , 针对不同的控制目标 , 可以分为上身姿态控制、 期望 ZM P 控制以及 非线性落地控制 3 个部分. 这 3 种反馈控制结构上相互耦合 , 以达到加速机器人控制的收敛速度、 克服机 器人柔性的目的 . 它们根据步行的具体阶段来修正机器人预先规划好的步态 , 从而保证机器人在不平整地 面上以及受到扰动情况下仍能稳定步行.
收稿日期 : 2009 05 12 . 作者简介 : 李建 ( 1979 ) , 男 , 博士生 ; 陈卫东 ( 联系人 ) , 男 , 博士 , 教授 , 博士生导师 , w dchen@ sjtu . edu . cn.
基金项目 : 国家高技术研究发展计划 ( 863 计划 ) 资助项目 ( 2006A A 040203) 、 国家自 然科学基金资助 项目 ( 60775062 ) 、 新世纪优秀 人才 支持计划资助项目 ( N CET 07 0538) .
李 建
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陈卫东
1
王丽军
1
杨
军
2
李慕君
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