双足机器人平地行走步态规划的研究
双足机器人步行规划与控制方法研究的开题报告
双足机器人步行规划与控制方法研究的开题报告一、选题背景和意义：双足机器人是一种模拟人类步态的机器人，具有广阔的应用前景和研究意义。
随着机器人技术的不断发展，双足机器人在工业生产、服务机器人、救援机器人等领域有着广泛的应用。
然而，双足机器人的步行规划与控制是机器人技术中的难点和热点问题之一。
二、研究内容和目标：本研究将研究双足机器人的步行规划与控制方法，主要包括以下内容：1. 基础理论研究：分析双足机器人步行的动力学特性和控制原理，建立机器人步行控制系统的数学模型；2. 步态生成研究：研究双足机器人的步态生成算法，设计有效的步态规划方法，确保机器人步行平稳性和稳定性；3. 姿态控制研究：研究姿态控制算法，根据机器人的运动轨迹和姿态变化对机器人进行控制，保证机器人稳定运动；4. 实验验证：通过实验验证，检验所提出的步行规划与控制方法的有效性和可行性。
本研究的目标是设计一种高效、稳定的双足机器人步行控制方法，达到机器人行走平稳性、稳定性和自适应性要求，为双足机器人应用领域提供高效的技术支撑。
三、研究方法和步骤：本研究采用理论分析和实验验证相结合的方法，具体步骤如下：1. 基础理论研究：深入理解双足机器人的动力学特性和控制原理，建立机器人步行控制系统的数学模型；2. 步态生成研究：研究双足机器人的步态生成算法，设计有效的步态规划方法；3. 姿态控制研究：研究姿态控制算法，根据机器人的运动轨迹和姿态变化对机器人进行控制；4. 实验验证：通过实验验证，检验所提出的步行规划与控制方法的有效性和可行性。
四、预期成果：通过本研究，预期可以得到以下成果：1. 可以深入理解双足机器人的动力学特性和控制原理，建立机器人步行控制系统的数学模型；2. 提出一种高效、稳定的步行规划方法，确保机器人步行平稳性和稳定性；3. 提出一种有效的姿态控制算法，保证机器人稳定运动；4. 通过实验验证，检验所提出的步行规划与控制方法的有效性和可行性。
双足机器人步态与路径规划研究的开题报告
双足机器人步态与路径规划研究的开题报告1. 研究背景与意义双足机器人是一种拥有双足摆动、稳定步行的机器人系统。
其足底传感器、惯性导航系统等技术可以使其具备复杂环境下高效稳定的行走能力，因此被广泛应用于人形机器人、救援机器人、服务机器人等领域。
双足机器人的步态与路径规划是其行走能力的核心，它们直接影响机器人的稳定性和效率。
因此，对双足机器人的步态与路径规划进行深入研究，对于提高双足机器人的稳定性和智能化水平、拓展其应用领域具有重要意义。
2. 研究目标本研究的目标是，通过理论分析和实验验证，深入研究双足机器人步态与路径规划的关系，探索优化双足机器人步态和路径规划的方法，提高其稳定性和行走效率。
具体而言，本研究将对以下问题进行深入探究：1. 双足机器人的步行模式与路径规划算法；2. 基于视觉传感器的双足机器人姿态估计；3. 双足机器人在复杂地形和障碍物下的路径规划和避障算法；4. 双足机器人步态和路径规划的在线优化算法。
3. 研究内容与方法本研究将结合理论分析和实验验证的方法，对双足机器人步态与路径规划进行深入研究。
具体而言，将从以下几个方面展开研究：1. 双足机器人的步行模式与路径规划算法通过对双足机器人的基础步态进行分析，探究其步行模式，建立数学模型。
基于此，结合路径规划算法，设计双足机器人的运动轨迹，使其能够实现高效稳定的步行。
2. 基于视觉传感器的双足机器人姿态估计利用双足机器人的传感器信息，通过视觉传感器对其姿态进行估计，为后续的路径规划和避障算法提供准确的基础数据。
3. 双足机器人在复杂地形和障碍物下的路径规划和避障算法针对双足机器人在复杂环境下的行走情况，设计相应的路径规划和避障算法，使机器人能够高效、安全地完成任务。
4. 双足机器人步态和路径规划的在线优化算法通过持续的数据采集和分析，设计在线优化算法，对双足机器人的步态和路径规划进行实时优化，提高其运动效率和稳定性。
4. 研究预期成果通过本研究，预期获得以下成果：1. 深入探究双足机器人步态和路径规划的关系，提出一种基于步态的路径规划方法；2. 设计一种基于视觉传感器的双足机器人姿态估计算法；3. 提出一种双足机器人在复杂环境下的路径规划和避障算法；4. 设计一种在线优化算法，能够实现双足机器人的实时优化步态和路径规划；5. 经过实验验证，验证本研究成果的有效性。
双足机器人行走步态平滑切换方法研究的开题报告
双足机器人行走步态平滑切换方法研究的开题报告一、选题背景随着机器人技术的不断发展，双足机器人作为一种具有较高应用价值的机器人被广泛关注和研究。
作为一种仿生机器人，双足机器人的行走步态模仿了人类的行走方式，具有更好的后退、转弯和通过不规则地形等特点。
但是，双足机器人的行走步态平滑切换仍然是一个重要且具有挑战性的问题，对其稳定性和可控性具有重要影响，因此需要进一步研究。
二、选题意义双足机器人的行走步态平滑切换是机器人稳定性和可控性的重要问题。
在实际应用中，双足机器人需要在不同的环境中行走，要求其具有较好的灵活性和适应性。
平滑的步态切换可以最大程度地保证机器人的稳定性和行走效率，因此对于双足机器人的日常应用和进一步发展具有重要意义。
三、研究内容本文旨在研究双足机器人行走步态的平滑切换方法。
具体内容包括：1. 双足机器人步态分析：通过分析双足机器人的步态，确定其步态切换的时机和方式。
2. 双足机器人控制算法研究：基于步态分析，设计双足机器人的控制算法，实现平滑步态切换。
3. 实验验证：使用实际双足机器人平台进行验证，评估所提出的控制算法的有效性和稳定性。
四、研究方法1. 文献综述法：对双足机器人行走步态平滑切换的研究现状进行总结和综述，明确本文的研究内容和问题。
2. 理论分析法：通过数学模型和仿真模拟等方法，对双足机器人步态进行分析，并设计控制算法。
3. 实验验证法：使用实际双足机器人平台进行验证，分析实验结果，评估所提出算法的有效性和稳定性。
五、预期成果本文拟实现双足机器人行走步态的平滑切换，研究成果包括：1. 提出一种基于步态分析的双足机器人控制算法，实现平滑步态切换。
2. 搭建实际双足机器人平台，对所提出算法进行实验验证。
3. 评估所提出算法的有效性和稳定性，为双足机器人的稳定行走提供技术支持。
六、研究计划本研究计划分为以下几个阶段：1. 阶段一（1-2周）：文献综述，了解双足机器人步态控制研究现状，明确本文的研究内容和问题。
双足机器人步行原理
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
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。
双足步行机器人行走控制研究
06
结论与展望
研究成果总结
已实现稳定的步态控制
通过先进的控制算法，双足步行机器人已经能够实现稳定的步态 行走，并在不同地形和环境下展示出良好的适应性。
高度自主导航
机器人已经具备对环境的感知和自主决策能力，可以在未知环境 中自我导航和避障。
强大的负载能力
一些双足机器人已经具备强大的负载能力，可以携带重物进行长 距离行走，这在军事、救援和公共服务等领域具有广泛的应用前 景。
应用前景与展望
军事与救援
双足步行机器人在军事和救援领域具有广泛的应用前景，例如在 复杂地形中执行侦察、搜救和运输任务。
公共服务
双足步行机器人可以用于公共服务领域，如公园、景区和机场等 地的巡逻、安保和导览工作。
家庭与个人助理
随着技术的发展，双足步行机器人将来可能会进入家庭和个人助理 领域，为人们提供各种服务和支持。
双足步行机器人的运动学与动力学
运动学
双足步行机器人的运动学主要研究步行过程中的空间位置、速度、加速度等运动学特性。
动力学
双足步行机器人的动力学主要研究步行过程中的力量、速度、加速度等动力学特性，以及机器人与环 境之间的相互作用。
03
行走控制系统设计
控制系统框架设计
基于动力学模型的控制系统设计
01
动态行走实验
动态行走实验主要测试机器人在运动状态下的稳定性和平衡性 。
障碍物规避实验
障碍物规避实验主要测试机器人对障碍物的识别和规避能力。
结果比较与讨论
结果比较
将不同实验的结果进行比较，分析机器人 在不同环境下的表现。
VS
结果讨论
对实验结果进行深入的讨论，分析机器人 在行走控制方面存在的问题和挑战，提出 改进方案。
双足机器人步态规划及其应用研究
本文以髋关节的X方向轨迹为函数变量对其余各关节轨迹进行相 应表述,并根据ZMP的稳定性约束条件、行走过程中的速度约束 条件采用粒子群(Particle Swarm Optimization,PSO)算法对相 关参数进行了优化。根据优化前后的ZMP数据对比,发现其稳定 裕提高了,步行稳定性增强了,充分证明了该优化方法的有效性。
因此,研究双足机器人的步态规划和应用具有重要的现实意义。 双足机器人的运动学研究,即各关节角变量与其各运动连杆之间 的联系,主要包含基础,在此基础之上,通过 机器人的逆运动学实例推导出各关节的求解过程,并介绍了双足 机器人步行稳定性的中常用的判定依据,即零力矩点(Zero Moment Point,ZMP)。不论是单脚支撑阶段还是双脚支撑阶段只 有当ZMP落在支撑脚的稳定区域,双足机器人才不会发生翻倒情 况。
另一方面根据前文介绍的三维线性倒立摆步态规划和PSO优化算 法并结合DARwin-OP2的相关参数实现了DARwin-OP2机器人的稳 定步行,充分证明了三维线性倒立摆步态规划的可行性。
双足机器人步态规划及其应用研究
双足机器人具有很好的机动性与环境适应能力。然而,双足机器 人的步行系统是一个内在的不稳定系统,该步行系统动力学特性 非常复杂,包含多个变量,存在强耦合、非线性和变结构等特点, 也因此一直是机器人领域研究的热点和难点之一。
又由于双足机器人的研究涉及到机械力学、自动化学、计算机 学、电子信息学、人工智能、材料学等众多领域。所以,双足机 器人的整体研究水平不仅反映了一个国家自动化与智能化的发 展状况,而且还代表着一个国家的综合科技实力。
双足机器人的步态规划研究,即通过特定的方法得出机器人各关 节角度轨迹随着时间变化而呈现规律性。本文采用三维线性倒 立摆的方法从前向和侧向两个维度规划处其质心的运动轨迹,再 利用质心与各关节运动约束条件从而求得各个关节的角度,进而 实现双足机器人的步态规划。
复杂路况下双足机器人稳定行走的设计
02
双足机器人的基本原理
双足机器人的结构与特点
结构
双足机器人通常由腿部、关节、 髋部和躯干等部分组成，具有与 人类相似的双足结构，以便在复 杂路况下稳定行走。
特点
双足机器人具有高度的灵活性和 适应性，能够适应不同地形和环 境，实现复杂动作和姿态的调整 。
双足机器人的运动学与动力学
运动学
研究双足机器人的空间位置和姿态变 化，通过分析机器人的步态和行走轨 迹，实现稳定行走和姿态调整。
实验结果与分析
平坦路面
在平坦路面上，双足机器人能 够稳定行走，步态自然，无明
显晃动。
坡度路面
在坡度路面上，双足机器人能 够根据坡度调整步态，保持稳 定行走。
崎岖路面
在崎岖路面上，双足机器人能 够跨越障碍，保持稳定行走， 但需要更复杂的控制策略。
障碍路面
在存在障碍的路面上，双足机 器人能够绕过障碍，保持稳定 行走，但需要更精确的传感器
国外研究现状
与国内相比，国外在双足机器人稳定 行走方面的研究起步较早，技术相对 成熟。一些国际知名的机器人研究机 构和高校在双足机器人的行走稳定性 、动态适应能力等方面取得了重要突 破。
现状总结
虽然国内外在双足机器人稳定行走方 面都取得了一定的研究成果，但仍存 在许多挑战和问题需要解决。例如， 如何提高机器人在复杂地形、不同路 况下的适应能力和稳定性，如何实现 更加智能的行走控制等。因此，对复 杂路况下双足机器人稳定行走的设计 研究具有重要的现实意义和理论价值 。
动力学
研究双足机器人的力和运动之间的关 系，通过优化机器人的驱动力和关节 角度，提高行走效率和稳定性。
双足机器人的稳定性分析
静态稳定性
指双足机器人在静止状态下保持平衡的能力，通过合理设计机器人的重心位置和 支撑点分布来实现。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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
粤遭泽贼则葬糟贼：In order to study the gait planning problem of the biped robot in the process of horizontal walking，a three -step planning method of cycle，start and stop is proposed on the basis of the two-dimensional inverted pendulum model，and the smoothness of the three walking stages is realized by velocity and displacement constraints A nd the trajectories of the ankle joint of the stage are obtained by using the inverted pendulum simplification model and the pentagonal spline polynomial interpolation method. The geometric method is used to obtain the 10 joint angular trajectories of the biped robot Finally，the ZMP equation is tested and simulated in Matlab software to verify the rationality of gait planning and provide the theoretical basis for the subsequent development and simulation of robot virtual prototyping. Key Words：Biped Robot；Walk On Flat Ground；Inverted Pendulum；Gait Planning
机械设计与制造
第4期
230
酝葬糟澡蚤灶藻则赠 阅藻泽蚤早灶 驭 酝葬灶怎枣葬糟贼怎则藻
圆园19 年 4 月
双足机器人平地行走步态规划的研究
徐历洪，邹光明，余 祥，王文圣
（1.冶金装备及其控制教育部重点实验室武汉科技大学，湖北 武汉 43大学，湖北 武汉 430081）
The Gait Planning Research of the Biped Robot Walking on Flat Ground
XU Li-hong，ZOU Guang-ming，YU Xiang，WANG Wen-sheng
（1.Key Laboratory of Metallurgical Equipment and Control Technology Wuhan University of Science and Technology，Ministry of Education，Hubei Wuhan 430081，China；2.Hubei Key Laboratory of Mechanical Transmission and Manufacturing Engineering Wuhan University of Science and Technology，Hubei Wuhan 430081，China）
在对双足机器人步态规划的研究方法中，传统研究方法大
都是采取三次样条插值方法规划，并且只是针对双足机器人的周 期性步态进行规划，对起步和止步的规划研究较少。而倒立摆模 型方法操作容易且与腿部运动有较大相似性。因此在二维倒立摆 模型的基础上对双足机器人起步、周期和止步三个阶段完整的行 走过程进行了详细的规划。把双足机器人步行运动近似为倒立摆 模型[6]，利用倒立摆模型的轨迹来近似规划机器人质心的轨迹，而 且充分考虑到三个步行过程的过渡问题，利用速度和位移等约束 条件约束各个过渡时间的关键节点，以得到平滑、稳定性和过渡 性好的步态轨迹曲线。