双足步行机器人相关翻译

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本科毕业论文

外文文献及译文

文献、资料题目:Walking Control algorithm of

Biped Humanoid Robot

文献、资料来源:期刊

文献、资料发表(出版)日期:1999.6.3

院(部):理学院

专业:光信息科学与技术

班级:光信112

姓名:王若宇

学号:2011121135

指导教师:赵俊卿

翻译日期:2015.5.14

外文文献:

Walking Control algorithm of Biped Humanoid Robot Many studies on biped walking robots have been performed since 1970 [1-4]. During that period, biped walking robots have transformed into biped humanoid robots through the technological development.Furthermore, the biped humanoid robot has become a one of representative research topics in the intelligent robot research society. Many researchers anticipate that the humanoid robot industry will be the industry leader of the 21st century and we eventually enter an era of one robot in every home. The strong focus on biped humanoid robots stems from a long-standing desire for human-like robots.Furthermore, a human-like appearance is desirable for coexistence in a human-robot society. However, while it is not hard to develop a human-like biped robot platform, the realization of stable biped robot walking poses a considerable challenge. This is because of a lack of understanding on how humans walk stably. Furthermore, biped walking is an unstable successive motion of a single support phase.

Early biped walking of robots involved static walking with a very low walking speed [5,6]. The step time was over 10 seconds per step and the balance control strategy was performed through the use of COG (Center Of Gravity). Hereby the projected point of COG onto the ground always falls within the supporting polygon that is made by two feet. During the static walking, the robot can stop the walking motion any time without falling down. The disadvantage of static walking is that the motion is too slow and wide for shifting the COG.

Researchers thus began to focus on dynamic walking of biped robots [7-9]. It is fast walking with a speed of less than 1 second per step. If the dynamic balance can be maintained, dynamic walking is smoother and more active even when using small body motions. However, if the inertial forces generated from the acceleration of the robot body are not suitably controlled, a biped robot easily falls down. In addition, during dynamic walking, a biped robot may falls down from disturbances and cannot stop the walking motion suddenly. Hence, the notion of ZMP (Zero Moment Point)

was introduced in order to control inertial forces [10, 11]. In the stable single support phase, the ZMP is equal to the COP (Center of Pressure) on the sole. The advantage of the ZMP is that it is a point where the center of gravity is projected onto the ground in the static state and a point where the total inertial force composed of the gravitational force and inertial force of mass goes through the ground in the dynamic state. If the ZMP strictly exists within the supporting polygon made by the feet, the robot never falls down. Most research groups have used the ZMP as a walking stability criterion of dynamic biped walking. To this end, the robot is controlled such that the ZMP is maintained within the supporting polygon.

In general, the walking control strategies using the ZMP can be divided into two approaches. First, the robot can be modeled by considering many point masses, the locations of the point masses and the mass moments of inertia of the linkages. The walking pattern is then calculated by solving ZMP dynamics derived from the robot model with a desired ZMP trajectory. During walking, sensory feed back is used to control the robot. Second, the robot is modeled by a simple mathematical model such as an inverted pendulum system, and then the walking pattern is designed based on the limited information of a simple model and experimental hand tuning. During walking, many kinds of online controllers are activated to compensate the walking motion through the use of various sensory feedback data including the ZMP. The first approach can derive a precise walking pattern that satisfies the desired ZMP trajectory, but it is hard to generate the walking pattern in real-time due to the large calculation burden. Further, if the mathematical model is different from the real robot, the performance is diminished. On the contrary, the second approach can easily generate the walking pattern online. However, many kinds of online controllers are needed to compensate the walking pattern in real-time, because the prescribed walking pattern cannot satisfy the desired ZMP trajectory. In addition, this method depends strongly on the sensory feedback, and hence the walking ability is limited to the sensor’s performance and requires considerable experimental hand tuning. The authors have developed biped humanoid robots through the second approach [12, 13]. Specifically, various online controllers are activated and switched in the successive walking cycle.

At present, biped humanoid robot research groups have developed their own robot platforms and dynamic walking control algorithms. For example, ASIMO of HONDA, WABIAN-2 of Waseda University, and HRP-3 of AIST are well known biped humanoid robots. To date, most biped humanoid robots have performed stable dynamic walking on the well prepared flat floors. Studies involving walking on the uneven and inclined floors are still in the early stage [14, 15]. Dynamic walking on an uneven surface is hard to realize because most biped humanoid robots perform hard position control of the joints by using motors and reduction gears and the response times of the actuators and sensors are low due to the reduction gear and sensor noise. Accordingly, it is impossible for the robot to measure the ground conditions instantaneously and it is also impossible for the robot to appropriately respond even if it measures the ground conditions rapidly. On the contrary, the human ankle can rapidly adapt to changing ground conditions. Furthermore, human muscles can contract or relax quickly with smooth motions.

This paper described a dynamic walking control algorithm that considers local and global inclinations of the floor. The authors propose the use of various online controllers to cope with an uneven and inclined floor based on an enhanced version of a previously proposed dynamic walking algorithm [13]. These online controllers are activated successively within a suitable time in a walking cycle. The performance of the algorithm is demonstrated in walking experiments using KHR-2.

This remainder of this paper is organized as follows: In Section 2, KHR-2, the test robot platform, is introduced. In Section 3, the walking pattern generation scheme for walking motion, the online controller design considering floor conditions, and activation of the online controllers during a walking cycle are described. In Section 4, the performance of the proposed walking control algorithm is assessed and demonstrated through walking experiments involving various floor conditions. Finally, Section 5 concludes the paper a discussion and plan for future work.

KHR-2 is a biped humanoid robot developed in 2003 (Fig. 1). It has been utilized as a test robot platform to develop a walking control algorithm for the authors’biped humanoid robots, KHR-3(HUBO) and Albert HUBO [16]. The height, weight, and

total number of degrees of freedom of KHR-2 are 56 kg, 120 cm, and 41 (6 for each leg, 4 for each arm, 7 for each hand, 1 for torso, and 6 for head), respectively. All joint actuators are brushed DC motors with harmonic reduction gears or planetary gears. The authors realized a self-contained system by putting all mechanical and electronic parts into the robot body. Hence, KHR-2 is tele-operated via a wireless LAN (Local Area Network). Electrical circuit boards of joint motor controllers and sensory devices were efficiently designed for minimum energy consumption. Aluminum was used as the body frame material. The thickness and size were also minimized so as to reduce the weight within an allowable range. For human-like appearance, the ratio of each body part corresponds with the human ratio. The degrees of freedom and dimensions are summarized in Table 1.

The control system architecture of KHR-2 is a distributed control system (Fig. 2). The main computer is installed in the torso, and sub-controllers such as joint motor controllers and sensory devices are distributed throughout the body. Communication between the main computer and the sub-controllers is achieved by using a CAN (Controller Area Network) protocol. The specifications and descriptions of the sub-controllers including sensors are presented in Table 2.

In this section, a suitable walking pattern design for dynamic biped walking and an online control technique considering the floor conditions are described. To make the robot walk, a gait trajectory is designed offline. In the biped robotics research field, the gait trajectory, otherwise known as the walking pattern, generates the relative position trajectories of two feet with respect to the pelvis center. Even a well-designed walking pattern cannot prevent the robot from falling down as a result of large upper body motions, vibrations of the body parts, and an uneven floor. Therefore, an online walking control algorithm composed of various online controllers is essential to maintain the dynamic balance in real-time. These online controllers can finely compensate the joints trajectories (Fig. 3).

中文译文:

双足机器人行走控制算法

自1970年以来,人们进行了很多有关两足直立机器人的研究。在这期间,随着科学技术的发展,两足直立机器人开始慢慢像人型机器人转变,人型机器人逐渐成为社会智能机器人的典型代表形式。许多研究人员预期,人型机器人工业将会成为21世纪的领军行业,最终我们每个家庭将进入机器人时代。人们如此执着于类人型机器人的研究,起源于长期以来人们对像人一样的机器的强烈欲望。此外,在人型机器人社会,给机器人赋予人类的外貌也是可取的。然而,在人型机器人发展中最困难的是让机器人平稳的行走,这在机器人研究中是一个巨大的挑战。因为现在人们对人类平稳行走的原理还没有足够的认识。

早期直立机器人是以极缓慢的速度平稳行走,步速大约10s一步,使用COG 来操控机器人的平衡。COG在地面上的投射点通常是选在双脚之间形成的正多边形内部。通过静态行走,机器人能够在摔倒前的任意时刻执行停止和前行的命令。静态行走的缺陷就是,机器人的行动过于缓慢,并且COG所控制的移动范围较大。

因此,研究的焦点开始逐渐转向动态直立机器人研究,致力于使机器人能够进行每步时间都控制在1s之内的快速行走。如果动态平衡能够维持,那么动态行走和完成小幅度的身体动作也可以实现。但是,如果机器人在运动过程中,由于快速运动而产生的惯性力不能得到有效的控制,直立着的机器人就很容易摔倒。此外,在动态运动期间,直立机器人可能会因为电磁干扰而摔倒或者突然不能终止行走状态。因此,我们引入ZMP理念来控制惯性力。在稳定单一支撑上,ZMP是均等分配,而COG只能稳定单一支撑。ZMP的优势在于,ZMP是将聚焦点定位于预期的在地面上的重力中心点和通过动态行走产生的重力点和惯性点的结合点。如果ZMP能够在双脚形成的正多边形支撑命令中严格执行,直立机器人就永远不会摔倒。因此,许多研究小组都把ZMP作为测试动态行走稳定性的标准。

通常,ZMP操控行走有两种方式。第一,机器人能通过考虑大亮点,如大量定位点和惯性力点以形成模式化,然后根据机器人模型ZMP轨迹用ZMP动态学方法计算出其行走模式。在行走过程中,常用到的是后向传感控制。第二,

机器人通过简单的数学模型如钟摆体系建模,行走模式基于简单的模式和指针实验的有限信息确定。在行走过程中,通过运用许多包括ZMP在内的多种二级反馈数据来在线控制以补偿机器人运动缺陷。第一种方法能够确定一个满足预期ZMP轨迹的精密行走模式,但是由于在实际操作中,数据计算负担极大,所以这一模式的生成有些困难。并且,如果实际操作中机器人的数学模型建模困难,将会使其性能大打折扣。另外,许多在线控制模式在实际运行中要进行行走补偿,因为的很多行走操作并不能令人满意的得到预期ZMP轨迹。此外,该方法基于有效的二级反馈,因此行走能力受到了传感性能和指针实验要求的限制。

现在,直立类人型机器人研究已经有了自己的研究平台和动力行走控制法。例如,日本本田(HONDA)的阿西莫(ASIMO)、早稻田(Waseda)大学的WABIAN-2、和研究所AIST的HRP-3都是我们所熟知的直立类人型机器人。迄今为止,绝大多数类人型机器人可以实现在平地上执行动态行走命令。在早期,人们也对机器人在不平坦或者倾斜的地面上的行走进行了研究。动态行走在不平的地表行走很难实现,因为大多数使用马达和传动齿轮的类人型机器人很难在不平的地表进行定位,并且执行器和传感器的能够用来反应时间也由于传感噪音和齿轮传动而受到影响下降。因此,对机器人来说,即时测定路面情况不太可能实现,而且,即使机器人能快速测定路面状况,它也无法根据实际情况作出恰当的反应。相反的,人类的踝关节能够快速适应不时改变的路况,并且可以通过肌肉的收缩和放松进行平稳的行走。

我们考虑到当地实际情况以及在地板上模拟地球倾斜轨道对机器人动态行走控制算法进行研究,力图通过增强曾经的运算法则,实现在线控制机器人在不平和倾斜的地面平稳行走的设想。这种在线控制是在使行走周期以一个合适的时间循环,用KHR-2实验进行行走运算演练。

KHR-2直立类人型机器人发明于2003年(图1)。它被用于机器人平台测试,以增强直立人型机器人KUR-3(HUBO)和Albert HUBO的行走控制运算。KHR-2的身高、体重和其它相关数据分别为56kg、120cm和41(每条腿为6,手臂为4,手掌为7,躯干为1,头为6)。所有的制动关节是磨毛DC电动机减速传动。我们将放入机器人体内的机械和电子元件做成独立体系,因此KHR-2可以通过无线LAN(广域网)进行远程操纵。加入穿反控制器和感知设备的电器电路板能

够有效判断出最小能量消耗方案。常用铝合金做机器人的外部框架,厚度在允许范围内尽量薄以减少总重量。面部比例和人类的面部比例保持一致。自由度和尺寸列在表1中。

KHR-2架构控制体系是分散式控制体系(图2)。主要计算机安装在躯干上,副控制器如犯戒电机控制器和传感设备分散分布在身体各部分。在主控制器和副控制器之间的信号交流通过CAN(控制局域网)完成。副控制器和传感器的规格和说明在表2中列出。

我们又研究了考虑地面情况的机器人动态行走模式在线控制技术。要让机器人能够行走,需离线设计步伐轨道。在直立机器人研究领域,步伐轨道不是大家熟悉的行走模式,它是根据在两脚和和骨盆之间进行相关定位实现。即使精心设计过的行走模式,也不能让机器人在身体过于巨大、身体摆幅大,地面不平的条件下百分之百避免摔倒。因此,在多种在线控制算法中最重要的是能使机器人在实际行走中保持动态平衡的算法。这些在线控制最终作为补充算法(图3)。

(完整版)基于单片机控制的双足行走机器人的设计

基于单片机控制的双足行走机器人设计 摘要:21世纪机器人发展日新月异,从传统的履带式机器人到如今的双足行走机器人,机器人的应用范围越来越广。本系统以单片机(STC89c52)为系统的中央控制器,以单片机(STC12c5410ad)为舵机控制模块。将中央控制器与舵机控制器,舵机,各类传感设备及受控部件等有机结合,构成整个双足行走机器人,达到行走、做动作的目的。单片机中央控制器与舵机控制器以串口通信方式实现。系统的硬件设计中,对主要硬件舵机控制器和STC89C52单片机及其外围电路进行了详细的讲述。硬件包括舵机控制器,STC12C5410AD 单片机,按键,各种传感器和数据采集与处理单元。软件包括单片机初始化、主程序、信号采集中断程序、通过串口通讯的接收和发送程序。论文的最后部分以双足行走机器人为基础,结合传感器,外围控制设备组成控制系统,并给出了此系统应用领域的一些探讨和研究。 关键词:单片机;舵机控制; STC12C5410AD

Bipedal robot design based on MCU Abstract:In the 21st century robot development changes with each passing day, from the traditional crawler robot to now bipedal robot, the robot's application scope is more and more widely.This system by single chip microcomputer (STC89c52) as the central controller in the system, STC12c5410ad MCU as the steering gear control module. The central controller and the servo controller, Steering gear, all kinds of sensing and control components such as organic combination, make up the whole bipedal robot, the purpose of to walk, do the action.Single chip microcomputer central controller and the servo controller to realize serial communication way.System hardware design, the main hardware servo controller and STC89C52 single-chip microcomputer and peripheral circuit in detail. Hardware including servo controller, STC12C5410AD micro controller, buttons, all kinds of sensor and data acquisition and processing unit. Software includes MCU initialization, the main program, and interrupts program signal collection, through a serial port communication to send and receive procedures. The last part of the paper on the basis of bipedal robot, combined with the sensor, the peripheral control device of control system, this system is also given some discussions and research in the field of application. Keywords:MCU; Servo Control; STC12C5410AD

双足步行机器人设计及运动控制

目录 第1章序言 (2) 1.1 双足机器人现状 (2) 1.2 技能综合训练意义 (2) 1.3 技能训练的内容 (2) 第2章元件选择、结构设计 (3) 2.1元件选择 (3) 2.2结构设计三维设计图 (4) 2.2.1零件三位模型以及装配 (4) 2.2.2装配三维模型 (7) 第3章控制系统设计 (10) 第4章系统软件编程与仿真 (12) 第5章结论...................................................................... 错误!未定义书签。参考文献 (17)

第1章序言 1.1双足机器人现状 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。 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技能综合训练意义 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; 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技能训练的内容 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。

自做六自由度双足步行机器人

自制六自由度双足机器人 一、制作六自由度双足机器人步骤: 1、确定舵机:舵机的好坏直接影响机器人的效果; 2、自制舵机后盖:它是连接舵机和U型架的重要组成部件;(买一 个标准的舵机后盖是最好不过,但你的动手能力 和思考问题解决问题的能力就没有提高,因此我 选择自制一个舵机后盖) ①选择铁皮为制作材料; ②测量舵机尺寸,截取合适铁皮条(尺寸为20mm*116mm); ③折弯,注意左右对称; ④确定固定用定位孔的位置,并使用1mm钻头打孔; ⑤打固定用螺丝孔(使用3mm钻头); ⑥确定舵机输出同轴定位孔的位置,并使用1mm钻头打孔; ⑦打舵机输出同轴螺丝孔(使用3mm钻头); ⑧打舵机后盖过线孔(6mm*8mm); 注:脚上的舵机后盖比较特殊,要考虑它要和脚底板相连,我的解决方法是在上述舵机后盖的基础上,增加宽度,并折弯,打孔,同脚底板相连。 3、自制U型架:在双足机器人中,舵机相当于人的关节,那U型架 就是人的骨骼。U型架的制作:(以下是我的设计, 可根据具体需求,自行设计尺寸) ①选择铝合金板(厚度一般为1.5mm);

②将铝合金板切成细条(尺寸为20mm*116mm); ③折弯,注意左右高度相等; ④打定位孔(使用1mm钻头),注意孔的位置以U型架的“U” 字底为基准; ⑤打螺丝孔(使用3mm钻头); ⑥磨削加工。 4、自制脚底板:脚底板的设计可以多种多样,但要保证一点,即机 器人抬脚走路时,要保证重心用你设计的脚底板可 以承受得住。 5、自制机器人腰部:其实就是连接两条腿的部件,长宽是根据设计 的脚底板的大小确定的。 二、需要注意的问题: 1、机器人左右质量要保证尽量一致,否则走路会有偏差。 2、制作部件时,要注意基准。 三、软件编程: 软件编程,主要是靠控制舵机旋转不同的角度。

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。髋关节、膝关节和踝关节的俯仰自由度共同协调动作可完成机器人的在纵向平面(前进方向)内的直线行走功能;髋关节的转体自由度可实现机器人的转弯功能;髋关节和踝关节的偏转自由度协调动作可实现在横向平面内的重心转移功能。 机器人的转体(roll)、俯仰(pitch)和偏转(yaw)定义如图1所示[2]。

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 一、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。 二、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。

双足行走机器人稳定性控制方法

双足行走机器人稳定性控制方法 1 引言人作为双足行走生物,是在长期的生物进化过程中形成的。人能 够不自觉地保持身体的直立性和平衡性,不论是在静止不动还是在行走过程中。一旦失去平衡,人就会产生相应的动作,使身体保持平衡。例如,在静止时, 当人的重心偏向一侧时,就会不自觉地向该侧跨出一脚,以使重心位置落于支 撑面内。这里,支撑面定义为两脚之间的面积以及两脚的面积。当重心落于支 撑面内时,就不会倾倒。再如,在行走过程中,人的重心不断向前移动,超出 了两脚尖的位置,迫使人向前迈出脚,这样才使人的行走成为可能,使人的行 走自然流畅。因此,控制机器人重心的位置及重心位置的速度,是机器人保持 稳定及产生有效步态的关键。本文就是控制机器人的重心位置,使其落于支撑 面内,从而达到了机器人稳定性控制的目的。机器人的重心可以由安装在机器 人脚底的力传感器测知。当重心偏向一侧,这一侧的传感器输出偏大,相反的 一侧的力传感器等于零,或趋近于零。本文用感知器来感知机器人重心位置的 变化,当重心超出支撑面时,系统将发出动作指令,使机器人保持稳定。本 文采用的神经网络感知器(perception)是最简单的人工神经网络,它是ro senb l a tt于1958 年提出的具有自学习能力的感知器。在这种人工神经网络中,记忆的信息存储在连接权上,外部刺激通过连接通道自动激活相应的神经元,以达到自动识别的目的。感知器模型如图1 所示,通常由感知层s(sensory)、连接层a(association)和反应层构成r(response)。 2 人工神经元感知器的学习算法可以用下面的方法训练网络:(1) 初始化s 层至连接层(a 层)的连接权矩阵 中的各个元素及a层各单元的阀值赋予[-1,+1]之间的随机 值,一般情况下vij=1θj=0i=1,2,λ,pj=1,2,λ,n 且在整个学习

一种双足步行机器人的步态规划方法

?16? 一种双足步行机器人的步态规划方法 □胡洪志马宏绪 国防科技大学机电工程与自动化学院 [摘要]本文介绍了一种双足步行机器人的步态规划方法,以前向运动为例,详细介绍了先分阶段规划然后合成的方法,并 讨论了行走过程中的冲击振动问题及减振措施,实验及仿真结果验证了这一规划方法的有效性。[关键字]双足步行机器人步态规划减振 [Abstract]In this p a p er ,w e p ut forw ard a m ethod for hum anoid robot g ait p lannin g .W e take forw ard m otion for exam p le ,illustrate the p hase p lannin g and com p ound m ethod in detail.T his p a p er also discusses the im p act v ibration p roblem and how to g et rid of it.T he ex 2p erim ent and simulation result verified the validation of the m ethod. [K e y w ords]bi p ed robot ;g ait p lannin g ;v ibration decrease [作者简介]胡洪志:男,1978年3月生,国防科技大学机电工程与自动化学院研究生,研究方向:智能机器人系统。 马宏绪:男,1966年8月生,国防科技大学机电工程与自动化学院教授,硕士生导师,研究方向:智能机器人系统。 1引言 双足步行机器人的研究是由仿生学、机械工程学和控制理论等多种学科相互融合而形成的一门综合学科,是机器人研究的一个重要分支。双足步行机器人的研究可以促进多个学科的研究,并为相关学科的研究提供一个平台,具有很大的理论价值。在实际应用中,双足步行机器人可用于有放射性、危险及其它对人体有害的环境中取代人类劳动,把人从高强度、长时间及单调乏味的工作中解脱出来,具有广阔的市场前景。步行机器人最大的特征是步行,步态是在步行运动过程中,步行体的身体各部位在时序和空间上的一种协调关系,步态规划是双足步行机器人研究中的一个关键技术。要实现和提高机器人的行走性能,必须研究实用 而有效的步态规划方法,实现机器人的稳定步行。 2双足步行机器人模型 本文的研究对象是一台具有12关节自由度的双足步行机构,每条腿各有6个自由度,即:踝关节有前向和侧向两个自由度;膝关节一个前向自由度,髋关节具有三个 自由度,包括前向、侧向及转弯自由度。由仿真分析及实验研究可知,在步行运动中,双足步行机器人前向各关节的运动与侧向各关节运动之间的耦合很小,可以忽略这一耦合的影响,对机器人前向和侧向的运动分开建模。本文主要讨论前向运动的步态规划问题。 前向运动模型如下图一: 定义:双腿关节,先左腿,后右腿,左腿由下至上,右腿由上至下,依次标注为1,2,3,...,10,11,12,各关节对应的转角依次为θ1,θ2,θ3,…,θ10,θ11,θ12,其中θ1,θ5,θ8,θ12,分别为双腿侧向关节对应的转角;θ2,θ3,θ4,θ11,θ10,θ9为双腿前向关节对应的转角;θ6, θ7转弯关节在前向运动中始终保持为零。 图一

双足机器人竞赛规则

双足机器人竞赛规则 竞赛项目:机器人通过步行的方式从起点线走到终点线,地面为水平的木板(长度2米宽度0.6米)起点线于终点线平行。在行走过程中机器人要按照比赛规则完成指定的动作 竞赛共分为两个项目(交叉足印、狭窄足印)其区别为关节构造及足部结构。 机器人结构及其规格设定: 交叉足印竞步机器人:结构只有双足、并只能以走路的方式来移动,机器人要分清楚正面及背面,以箭头方向作为正面,是自主式脱线控制,用不多于6只伺服马达及伺服马达控制板来完成,最大尺寸为200mm(长)X 200mm(宽)X 300mm(高),最大重量不超过1Kg。 狭窄足印竞步机器人:结构只有双足、并只能以走路的方式来移动,机器人要分清楚正面及背面,以箭头方向作为正面,是自主式脱线控制,用不多于6只伺服马达及伺服马达控制板来完成,最大尺寸为200mm(长)X 200mm(宽)X 300mm(高),最大重量不超过1Kg.,狭窄足印竞步机器人, 单足最大尺寸要能放入(长)150mm X (宽)60mm长方格内。 要求:对于机器人必须自主设计制造。 竞赛内容: 交叉足印竞步机器人:

竞赛开始时先走3步、立正、然后卧下、向前翻跟斗3次,再起立、向前走3步、立正、然后卧下(身体向后)、再向后翻跟斗3次、再起立、然后以轻快步履走向终点,参赛者要在指定3分钟或少于指定时间内完成所有动作,及要走到终点。 狭窄足印竞步机器人: 竞赛开始时先走3步、立正、然后卧下(身体向前)、向前翻跟斗3次,再起立、向前走3步、立正、然后卧下(身体向后)、再向后翻跟斗2次、再起立、然后以轻快步履走向终点、参赛者要在指定5分钟或少于指定时间内完成所有动作,及要走到终点。 双足机器人计分法: 1.机器人行走时每次跌倒扣10分,由栽判指定在原位将机器人重新放正继续 竞赛,不另补时。 2.不按指定动作次序运行的机器人将按次序偏差次数扣分,每次偏差扣10分。 3.机器人行走每出线一次扣10分。 4.裁判未指定情况下,人为干预一次扣10分。 5.以扣分少者为胜;在扣分相同条件下,以使用时间短者为胜。 交叉足印机器人狭窄足印竞步机器人

双足步行机器人论文

双足步行机器人

目录 第一章摘要 (3) 第二章系统简介 (4) 2.1系统方案 (4) 2.2功能与指标 (4) 2.3实现原理 (4) 2.3.1 机器人动作的实现 (4) 2.3.2 无线操控的实现 (5) 2.3.3 液晶屏实时显示机器人状态原理 (6) 2.3.4自适应跌倒爬起原理 (6) 2.4 软件流程图 (8) 第三章特色列举 (9) 第四章技术说明 (9) 第五章系统适用范围 (9)

第一章摘要 以ATMEGA128单片机为核心研制的双足步行机器人。集无线远程操控,自适应站立,状态实时无线传输于一体。本设计以创新为起点,以实用为目的,以方便服务人类生活为宗旨,符合社会发展需要。 关键字:ATMEGA128 无线操控状态实时无线传输自适应跌倒爬起

第二章系统简介 2.1系统方案 该机器人采用加藤伊朗架构,用舵机作为关节驱动,此机器人共有17个自由度,主要包含1个头部、1个躯干、2个手臂、2条腿。以ATMEGA128单片机为核心控制模块,采用24路舵机驱动模块,通过核心板来控制驱动模块使每个舵机转动,从而实现机器人的一系列动作。采用XL24L01无线传输模块,从而实现无线远程操控机器人和机器人的状态参数实时传输显示在液晶屏上。采用MPU-6050三轴陀螺仪加速度传感器,用它来检测机器人跌倒时,实现自适应跌倒爬起。 2.2功能与指标 (1)能够模拟人类的动作,站立,下蹲,行走等基本动作,还能实现跳舞,倒立,翻跟头等高难度动作。 (2)能够通过无线操作平台控制机器人做出相应的动作。 (3)能够将机器人状态通过无线传输实时显示在液晶屏上。 (4)机器人跌倒时,实现自适应跌倒爬起 2.3实现原理 2.3.1 机器人动作的实现 机器人采用加藤一郎架构,用舵机作为关节驱动,此机器人共有17个自由度。舵机是一种位置伺服的驱动器。它接收一定的控制信号,输出一定的角度,适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。在微机电系统和航模中,它是一个基本的输出执行机构。其工作原理是:控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片,获得直流偏置电压它内部有一个基准电路,产生周期一般为10ms,宽度为0.75ms的基准信号,将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较,获得电压差输出。最后,电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时,通过级联减速齿轮带动电位器旋转,使得电压差为0,电机停止转动。舵机的控制信号是PWM信号,利用占空比的变化改变舵机的位置。标准的舵机有3条导线,分别是:电源线、地线、控制线,如图1所示。

双足机器人稳定行走步行模式的研究

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第2期 韩亚丽,等:双足机器人稳定行走步行模式的研究 243 制,基于此理论的控制器没计方法[131如下: 首先利用采样时间△f对连续系统方程(13)、(14)进行离散化 工t+?=A工t+6Htl (15) zzmp,I 2 C,,17k J 儿-=却t砌0 (16) Yz”rlp,^2cYk J 式中 工t兰{工(kAt),彳(kAt),茗(kAt)}7口t兰“(kAt),工:。P.女兰x:。p(kAt) Y女s{Y(kAt),)j(kAt),_j『(kAt)}T,vt兰v(kAt) 歹zm,.t;!yzm一(kAt),c;i{?,o,——j}) AE 1△f筚 二 01△f0 0 1 . 6暑 △f36 △f22 △t 为了使系统的输出工:。阱,Y:。阱尽可能精确地跟踪目标ZMP,即工:。酣,y:。酣,考虑一个使跟踪性能指标极小化的问题.以X方向运动为例,则有 -,=∑{Q。(J:mp√一J:。叫)2 4-Q:吩2} (17) 式中,Q。,Q:为正的加权系数,根据预观控制理论,这一性能指标可通过使用未来JV步目标参考值的输入进行极小化.即 比t=一Kxt+Ef,五…^】 j:。附+l 工‰.^+2 卫:。附+Ⅳ (18) K暑(Qz+6’Pb)。1西1PA 1(19) 正兰(Q2+bTPb)-1bT(A一6K)川-1’cTQJ式中,矩阵P为下列方程的解: P=A’PA+c1Q_r Jc—A1Pb(a2+61Pb)一1bTPA (20) 同理可以解决y方向的跟踪性能指标极小化问题.由式(18)可知,预观控制器由一个状态反馈和一个未来|V步目标参考值和加权因子之内积的前馈组成. 基于预观控制的步行模式生成方法用方框图描述为如图9所示.由双足机器人传感器系统得到未来目标ZMP参考值储存于缓冲器中,其输出值 作为当前的参考值.预观控制器用缓冲器中ZMP参考值和双足机器人的状态控制输入,而双足机器人的状态,如X及l,方向的位移及速度则是由基 于ZMP步行模式生成的结果,即满足目标ZMP的质心运动.基于预观控制系统的步行模式生成方法 得到的双足机器人步行模式可使机器人实现实时稳定行走的目的. 图9基于预观控制的步行模式生成系统 3双足机器人行走过程仿真 为了验证理论分析的正确性,对生成的步行模 式进行了仿真验证.首先在Pro/E下对简化的双足机器人进行建模,然后导人动力学仿真软件AD—AMS中,在Matlab/Simulink中建立关节运动控制,可对其进行联合仿真,仿真流程图如图10所示. 图10仿真流程图 由前文基于ZMP步行模式生成方法得到的步行模式信息(见图7)作为控制信息,结合误差补偿,双足机器人可实现稳定行走,行走过程系列图如图1 l所示. 万方数据

(完整版)双足竞步机器人设计与制作技术报告

中国矿业大学徐海学院 双足竞步机器人设计与制作技术报告 队名:擎天柱班级:电气13-5班_________________________ 成员:郭满意游世豪侯敏锐唐丽丽 侯伟俊王胜刘利强杨光 题目双足竞步机器人__________________________________________ 任课教师:李富强_________________________________________ 2015年12月 双足竞步机器人设计与制作任务书

任务下达日期:2015年10月16日 设计日期:2015年11月1 日至2014年12月31日 设计题目:双足竞步(窄足)机器人的设计与制作 设计主要内容和完成功能: 1、双足竞步机器人机械图设计; 2、双足竞步机器人结构件加工; 3、双足竞步机器人组装; 4、双足竞步机器人电气图设计; 5、双足竞步机器人控制板安装; 6、整机调试 7、完成6米的马拉松比赛。 教师签字: 双足机器人的机构是所有部件的载体,也是设计双足机器人最基本的和首要的工作本文根据项目规划和控制任务要求,按照从总体到部分、由主到次的原则,设计了一种适 合仿人双足机器人控制的机构。文章首先从机器人整体系统出发,制定了总体设计方案,再根 据总体方案进行了关键器件的选型,最后完成了各部分机构的详细设计工作。经过硬件设计、

包括机械结构设计、电路设计与制作,机器人步态规划算法研究,利用Atmega8芯片实现了对六个舵机的分时控制,编写VC上位机软件,通过串口通信对双足 竞步机器人进行调试,通过人体仿生学调试出机器人的步态规划。实现了双足竞步机器人稳定向前行走、立正。 关键词:双足机器人、机械结构 目录 1系统概述 (1) 2硬件设计 (2) 2.1机械结构 (2) 2.2电路设计 (2) 3软件设计 (4) 3.1 AVR 单片机程序设计 (4) 3.2 PC上位机调试软件设计 (4) 4系统调试 (5)

双足步行机器人结构可视化设计_杨宇

双足步行机器人结构可视化设计* 杨宇,陶学恒 (大连工业大学机械工程与自动化学院,辽宁大连 116034) 摘要:采用Wa t t-21型平面六杆机构作为基本的行走机构,探讨了步行机器人行走机构应有的特性,完成了机构的运动分析。同时为了便于分析,利用P r o/E建立了双足步行机器人的三维模型,并在软件中进行了运动仿真。利用计算机的可视化设计技术来修正设计参数。 关键词:双足步行机器人;运动仿真;可视化设计 中图分类号:T P24;T H789 文献标识码:A 文章编号:1001-2354(2008)01-0020-03 机器人技术作为信息技术和先进制造技术的典型代表和主要技术手段,已成为世界各国竞相发展的技术。研制具有人类外观特征,可以模拟人类行走与基本操作功能的类人型机器人,一直是人类的梦想之一,而双足步行机器人属于模拟人类行走的机器人。步行机器人技术是一种涉及仿生学、机构学、传感技术及信息处理技术等综合高科技的技术,无论是医疗康复的应用研究,还是航天科技的探测器,甚至日常生活的玩具都能够见到步行机器人的身影,步行机器人对人们生活的影响正日益增大,对步行机器人的研究也更加深入。对于步行机器人的发展,如何解决步行机器人结构运动的问题是步行机器人发展中亟需研究的问题之一。 目前的划分标准是按照步行脚的足数来划分的,可以分为单足、双足、三足和多足,其中又以双足步行机器人为机器人领域的研究热点,主要由于自动化程度高,动态系统复杂及丰富的动力学特性,并且对于环境的适应能力强,能够跨越大的障碍物。从步行机器人的机构分析着手,对采用Wa t t-21型六杆机构作为类人型腿机构的步行机器人进行分析,并且通过P r o/E软件进行了几何建模,在计算机上实现步行机器人的可视化设计,同时在仿真环境下对步行机器人的设计参数进行验证,确定是否达到所设计的目的和修正腿机构的协调运动。显然,这一工作若在物理样机上进行实验验证,必然会加大设计和试验周期,而通过计算机技术,将大幅度地提高效率。 1 双足步行机器人组成结构及 原理分析 步行机器人的研究是一门综合性很强的学科,在一定程度上代表着一个国家的高科技发展水平。对于采用Wa t t-21型六杆机构的步行机器人,其主要结构分为两部分:腿机构和驱动机构,并且两者之间是采用串联的形式连接。通过步行机器人的结构示意图(图1),可以清晰地了解这两部分。腿机构的运动是步行机器人的关键机构,其性能决定了机器人速度、稳定性、刚度等性能,因此,对于腿机构的研究就显得格外重要。腿机构可以简单看成一个双摇杆机构,在连杆的一端引出伸出端,尾端的轨迹可以近似看成人类行走时的轨迹,而驱动机构则是采用一个曲柄摇杆机构,通过圆周运动的驱动装置就可以带动运转。在两者之间,将驱动机构的摆杆作为腿机构的动力源,实现了驱动机构与腿机构的串联形式。由于两部分都是平面四杆机构,要真正模拟人行走时的姿态是存在着困难的,但通过选取合理的参数,可以将伸出杆的轨迹控制在所要实现的范围之内 。 图1 步行机器人结构示意图 在图1中可以看到在A B C D四杆机构中,A B杆可绕A点进行圆周运动,是四杆机构的驱动元件,B C杆是连杆,C D杆是摇杆,此部分是步行机器人的驱动部分结构。在D H F E四杆机构中,D H杆是四杆机构的驱动元件,H F杆是连杆,F E杆是摇杆,单独地看,认为D H F E是双摇杆机构。将C D杆与D H杆以适当的角度连成一体,通过一个驱动设备就可将机构驱动,在H F连杆上引出引杆F G,G点的轨迹近似于人类行走时的轨迹。由于将C D杆与D H杆连在一起,可将两杆看成一个构件,因此整体上看此机构是六杆机构。 2 双足步行机器人结构可视化设计 计算机可视化技术的迅速发展,使得双足步行机器人的快速设计成为可能。一方面,通过计算机建立起几何模型,真实地反映实体结构;另一方面,通过运动仿真可以确定步行机器人的行走姿态,并且可方便地修改设计尺寸,达到最佳的行走 第25卷第1期2008年1月 机 械 设 计 J O U R N A LO FM A C H I N ED E S I G N V o l.25 N o.1 J a n. 2008 *收稿日期:2007-04-18;修订日期:2007-08-24 作者简介:杨宇(1982-),男,辽宁葫芦岛人,硕士研究生,主要从事机械C A D,C A M方面的研究工作。DOI:10.13841/https://www.360docs.net/doc/cc2615772.html, ki.jxsj.2008.01.022

双足行走机器人平衡控制译文

外文资料: Robots 1. Introduction Nowadays, the applications of machines and robots to assist human in performing their tasks has become increasingly extensive. In industrial applications, the use of robotics system has reached the level which surpasses human ability in terms of speed and accuracy. On the other hand, in the field of domestic robots or service robots, the developments are still far from perfection. The main factor that distinguishes industrial robots from service robots is their working environment. For a service robot to perfectly perform its tasks, it needs to be able to adapt and cope with the normal human living environment. From the practical point of view, bipedal robot is the most suitable robot structure due to its similarity of physical configuration with human especially in terms of locomotion method. However, the realization of bipedal robot is more challenging compared to other types of mobile robot due the unstable nature of bipedal walking. Therefore, many studies have been carried out especially concerning the stability sensing and control strategies of bipedal robot. The common approach in defining the stability of bipedal robot is by using the “Zero Moment Point” (Z MP) criterion [1]. The simplest implementation of ZMP is to generate the joint trajectories based on the pre-planned walking gait while maintaining the ZMP at the given references, but this approach has a limitation in maintaining the balance if there is any unknown external disturbance [2-5]. Many studies specifically focus on the techniques to monitor the real-time ZMP position from the physical system and used it as the feedback component [6-9]. Takanishi and Kato [7] proposed a method to monitor the ZMP position by measuring the force and moment acting on the robot’s shank by using universal forcemoment sensor. Another method utilizes an array of force sensitive resistor placed on the sole of the robot’s foot to obtain the ground reaction force at different locations of the foot. The reaction forces measured from the sensor array is then used to compute the position of the center of pressure which reflects the position of the ZMP [9]. The inverted pendulum technique is another alternative for analyzing the robot stability [10]. This method monitor the instability by constantly reading the body acceleration and tilt angle by means of accelerometer and gyroscope. However, the readings from both sensors are subject to noise and drift during the operation and the effort to apply filters in correcting the measurements often requires considerable amount of computing power [11]. This paper proposed a novel method for sensing and stability control of bipedal robot. The use of specially designed flexible ankle joint allows fast detection and prediction of robot sideway instability. Placing an additional one degree-offreedom rotary joint with built-in angle detection sensor at the robot ankle allows the robot’s body to tilt freely in any sideway direction and detect the tendency of imbalance that may potentially occur. Based on this essential sensor’s information, the controller will quickly adjust position of the counterbalance mass located at the robot waist in order to restore the sideway balance of the robot. The advantage of using counterbalance mass and rotary joint at the ankle is to allow the walking subsystem and sideway balancing subsystem of the robot to be decoupled from each other and work in

双足步行机器人控制电路设计与实现_图文(精)

第 10卷第 31期 2010年 11月 1671— 1815(2010 31-7661-04 科学技术与工程 Science Technology and Engineering Vol. 10No. 31Nov. 2010 2010Sci. Tech. Engng. 双足步行机器人控制电路设计与实现 毕 盛 闵华清 温正东 陈 强 朱金辉 (华南理工大学计算机科学与工程学院 , 广州 510006 摘要提出和实现了一种具有语音控制和无线下载功能的双足步行教育机器人的控制电路。系统采用双单片机处理系 统 , 其中包括步行控制电路、红外避障电路、超声波测距电路、语音发音识别电路和电脑无线通讯电路。基于此控制电路的双足步行机器人 , 具有很好的学习扩展性和新颖性。关键词 双足机器人 控制电路

单片机中图法分类号 TP242.6; 文献标志码 A 2010年 8月 13日收到国家自然科学基金 (60873078 、广州市科技计划项目 (2009KP0008 资助 第一作者简介 :毕 盛 (1978— , 男 , 甘肃开水人 , 博士研究生 , 讲 师 , 研究方向 :仿人机器人。

目前越来越多的机器人出现在我们的身边。从日本本田公司的 ASIMO 仿人机器人。美国的火星登陆车到 IRobot 公司的家庭清洁机器人。 WoWee 公司的玩具机器人 , 机器人已经逐步进入到了我们的生活中。同时越来越多的人 , 也开始对机器人技术感兴趣。设计出一种机器人的通用平台 , 来让人们了解和学习机器人原理和技术 , 变得越来越重要。 著名的双足步行机器人有日本的 ASIMO 仿人机器人和法国的 Nao 仿人机器人 , 但这些机器人的成本很高 , 作为展示和研究平台很好 , 但作为向大众推广的学习平台并不适合。所以设计出一款成本低廉的双足机器人学习平台很有必要。 目前国内推广教育用的机器人控制平台主要是针对机器小车的。对于教育用的双足机器人控制平台设计的并不多 , 并主要是针对机器人的运动控制上 , 在机器人的人机交互和智能控制上没有考虑。本文设计的控制平台除了可控制机器人行走、避障、测距功能外 , 还能通过语音控制机器人和人进行交互 , 并可实现无线下载功能 , 方便二次开发学习 , 具有一定的技术先进性。 1机器人控制电路总体结构 这种双足步行机器人 (见图 1 通过巧妙的机械 设计 , 只用了分布在腿部和身体部位的两个舵机 , 就可以巧妙地控制机器人步行。其中一个舵机控制机器人左右摇摆 , 另一个舵机控制机器人前后摇摆。通过控制这些摇摆动作 , 如先控制机器人向右摆动 , 此时左腿抬起 ; 接着控制左腿向前摆动 , 这样机器人就向前跨了一步。通过一系列组合动作 , 机器人就能够走起来

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