双足步行机器人的下肢机构自由度分析
全方位双三足步行机器人步行原理、机构及控制系统
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机构设计
机构设计
全方位双三足步行机器人的机构设计包括腿部机构、机械结构和驱动方式。 腿部机构是机器人的核心部分，每个腿部机构都包括一个驱动器、一个连接器和 一个脚掌。驱动器用于产生力量，使腿部机构可以完成支撑、抬起和迈步三个动 作。连接器用于连接腿部机构和机器人的主体结构，同时传递驱动力。脚掌底部 装有传感器，可以感知地面状况，为机器人提供更多的触觉信息。
全方位双三足步行机器人步行 原理、机构及控制系统
01 引言
03 机构设计
目录
02 原理分析 04 控制系统
05 实验结果
07 参考内容
目录
06 结论与展望
引言
引言
全方位双三足步行机器人是一种具有高度自主性和灵活性的步行机器人，具 有在复杂环境中稳健行走的能力。这种机器人的研究背景在于，传统轮式或履带 式机器人对于某些特殊环境，如狭小空间、山地、沙地等具有较大的局限性。全 方位双三足步行机器人由于其独特的步行原理和机构设计，能够更好地适应这些 环境。本次演示将详细介绍全方位双三足步行机器人的步行原理、机构及控制系 统。
双足步行机器人的结构
双足步行机器人的结构
双足步行机器人通常由头部、躯干、双臂和双腿等部分组成。其中，双腿是 机器人的核心部分，包括大腿、小腿、脚踝和脚部。为了实现稳定的行走，双足 步行机器人需要具备以下功能：
双足步行机器人的结构
1、支撑身体重量：双足步行机器人需要具备支撑自身重量和负载的能力，以 确保行走稳定。
文献综述
在步态规划方面，研究者们则主要研究如何合理分配各足的运动轨迹和时间， 以提高机器人的行走效率。常见的步态规划方法包括基于规则的方法、基于优化 算法的方法以及基于机器学习的方法等。
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
双足仿生机器人行走机构设计一般包括以下几个关键部分：
1. 足底结构：足底结构是机器人与地面接触的部分，需要具备良好的稳定性和抓地力。
一般采用橡胶材料制作，设计有凹凸纹路或者类似动物脚掌的结构，以增加摩擦力和抓地力。
2. 关节设计：双足仿生机器人的每个腿部都需要多个关节来实现自由运动。
关节设计需要考虑到机器人的稳定性和灵活性，一般采用电机驱动的旋转关节或者液压/气动驱动的线性关节。
3. 动力系统：机器人行走需要动力系统提供能量。
一般采用电池或者电源供电，驱动关节的电机需要具备足够的扭矩和速度来实现机器人的行走。
4. 传感器：为了实现机器人的平衡和姿态控制，需要配备各种传感器。
例如，陀螺仪和加速度计可以用来检测机器人的倾斜角度，力传感器可以用来感知地面反作用力，视觉传感器可以用来感知周围环境。
5. 控制系统：双足仿生机器人的行走需要一个高效的控制系统。
控制系统可以根据传感器的反馈信息，实时调整关节的运动，以保持机器人的平衡和稳定。
总体来说，双足仿生机器人行走机构设计需要考虑到稳定性、灵活性、能量效率和控制系统的要求。
具体的设计方案需要根据机器人的应用场景和需求来确定。
双足步行机器人直线行走步态规划及关节轨迹研究
双足步行机器人直线行走步态规划及关节轨迹研究张蔓;高宇博;邓佳玉;张晶;任欢【摘要】对教学用双足机器人物理样机进行步态规划,运用仿生学方法,参考人类稳态步行特点,规划出一个步行周期内机器人直线行走过程中各个阶段重心移动的规律,建立双足机器人局部坐标系,确定一个步态周期中摆动腿关节运动初始条件,采用多项式插值算法规划出机器人摆动腿部踝关节和髋关节轨迹.%Gait planning for the physical prototype of teaching-type biped robots is developed,and with a bionics method,with reference to the characteristics of human steady-state walking,the law of gravity movement at each stage in the robot straight-line walking process within a walking cycle is planned,the local coordinate system of biped robots is established,the initial conditions for swinging movement of leg joints within a gait cycle are determined and a polynomial interpolation algorithm is used to plan the trajectory of robot swinging leg ankle joints and hip joints.【期刊名称】《林业机械与木工设备》【年(卷),期】2017(045)006【总页数】4页(P35-37,52)【关键词】双足机器人;直线行走;步态;关节轨迹【作者】张蔓;高宇博;邓佳玉;张晶;任欢【作者单位】哈尔滨石油学院,黑龙江哈尔滨 150028;哈尔滨石油学院,黑龙江哈尔滨 150028;哈尔滨石油学院,黑龙江哈尔滨 150028;哈尔滨石油学院,黑龙江哈尔滨 150028;哈尔滨石油学院,黑龙江哈尔滨 150028【正文语种】中文【中图分类】TP242机器人的研究水平在一定程度上代表了一个国家的综合科技水平，机器人能替代人类完成各种危险、精确的工作。
双足机器人
摘要双足步行机器人控制及其相关技术研究，在机器人研究领域中有着重要的理论研究价值，并且相关研究成果与现实社会联系紧密，有着不可忽视的现实意义，因此一直都是机器人研究的热点之一。
双足步行机器人类人地直立行走，其有着良好的自由度、动作灵活、自如、稳定，能够适合各种不同的操作环境，是机械、电子、信息、光检测为一体的集合。
双足步行机器人能突显出科技水平个性化，在行业中的影响力，可提高服务水平，担当导游、服务、咨询、信息查询等角色。
这不仅仅是一个服务问题和节省人力的问题，更重要的是她可以提供各种全面特殊的服务，一人可在不同的场合充当不同的角色，可以自动识别行走过程中碰到的障碍物，并做语音提示。
双足步行机器人从小型、灵活、功能全面、可操作性好、稳定等方面考虑，从实际可使用性而设计的全新的一款智能型机器人。
关键词：双足步行机器人、语音、步行、测距、避障目录1．设计背景 (1)2. 设计要求及概述 (2)3．方案确定 (4)3．1总体方案确定及构建 (4)3．2 结构方案确定 (4)3．3 关节驱动方案确定 (7)3．4 语音模块方案确定 (7)3．5 传感器方案确定 (8)3．6 单片机选型 (9)4．功能实现方案 (9)4. 1 功能一的实现 (10)4. 2 功能二的实现 (11)5. 机器人硬件构造 (12)5．1机械方面设计及运动分析规划 (12)5. 1.1 结构及机构设计 (12)5. 1.2 自由度(关节)设计分配 (13)5. 1.3 步态规划 (14)5. 2 电子、信息方面设计及应用 (16)5. 2 .1 单片机选型及PCB设计 (16)5. 2 .1.1 单片机选型 (16)5. 2 .1.2 语音模块电路设计 (17)5. 2 .1.3 msp430f149供电及舵机控制电路设计 (17)5. 2 .2 舵机选用 (19)5. 2 .3 语音模块应用 (20)5. 2 .4 传感器选用 (22)6. 机器人软件设计 (24)6.1 舵机控制程序设计 (24)6.2 语音模块SPI通信程序设计 (27)6.3 红外传感器应用程序设计 (30)7. 整机调试 (30)７.１功能一实现程序设计 (30)结论及尚存在的问题 (31)致谢 (32)参考文献 (33)小型双足步行机器人姓名：唐历君、王洁龙、黄桂冰、汤敏艺、许土趁学号： 2005334124、2005334102 、2006334225、2006334207、2006334208班级： 05机电一班、06机电二班1．设计背景随着我国的不断发展壮大，国家GDP不断增长，经济发展到一定程度国家经济模式必定转型，我国有的城市已经开始向第三产业服务性行业转变，为了突显出科技水平个性化，在行业中的影响力，增加消费者的兴趣，提高了服务水平，而这些机器人正可以做到，此机器人美观实用，它会出现在奥运场馆、运动员住所、高级宾馆、饭店、旅游景点等，代替人接待客人，担当导游、服务、咨询、信息查询等角色。
双足行走机器人知识点
双足行走机器人知识点双足行走机器人，作为一种仿生机器人，不仅能够模拟人类的行走方式，还具备了一定的平衡和稳定性。
它的出现使得机器人在不同地形和环境下能够更加灵活地进行移动，具备了更强的适应性和应用潜力。
本文将从多个方面介绍双足行走机器人的知识点，让我们一步一步地了解它。
第一步，了解双足行走机器人的基本结构。
双足行走机器人通常由两个机械臂、两条机械腿、一个机械骨盆和一个控制系统组成。
机械臂用于稳定机器人的身体，机械腿用于行走和平衡，机械骨盆连接机械臂和机械腿，并提供了稳定性。
控制系统则负责控制机器人的动作和行为。
第二步，了解双足行走机器人的行走原理。
双足行走机器人通过模拟人类步态来实现行走。
它的行走原理主要包括步态生成、力学模型和控制算法。
步态生成是指根据机器人的身体结构和环境信息生成机器人的行走步态，力学模型是指通过计算机模拟机器人在行走过程中的力学特性，控制算法是指根据机器人的状态和环境信息，通过控制机械腿的运动来实现稳定的行走。
第三步，了解双足行走机器人的稳定性控制。
双足行走机器人在行走过程中需要保持平衡和稳定，否则容易倒地。
稳定性控制是指通过控制机器人的中心重心位置和机械腿的运动，使机器人保持平衡和稳定。
常用的稳定性控制方法包括模型预测控制、反馈控制和前馈控制等。
第四步，了解双足行走机器人的应用领域。
双足行走机器人具备了更灵活的移动能力，因此在许多领域都有着广泛的应用前景。
例如，在救援任务中，双足行走机器人可以在狭窄的空间中进行搜救；在工业生产中，双足行走机器人可以实现自动化装配和搬运；在军事领域，双足行走机器人可以用于侦察和携带重物等。
第五步，了解双足行走机器人的发展趋势。
随着科技的不断进步，双足行走机器人将会有更多的应用和发展。
未来的双足行走机器人可能会拥有更强的智能化和自主性，能够更加灵活地适应不同的环境和任务。
同时，双足行走机器人还有望与其他技术进行融合，例如视觉识别技术和语音交互技术等，进一步提高机器人的功能和性能。
多足仿生步行机器人的机构设计与功能分析
第 ９期
２ ０ １ ３年 ９月
机 械 设 计 与 制 造
Ｍａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｒ ｙ Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ＆ Ｍａ ｎ ｕ ｆ ａ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ３ ５
多足仿 生步行机 器人 的机 构设计 与功 能分析
祝 小梅 ， 蔡 勇， 臧 红彬
６ ２ １ ０ １ ０ ） （ 西南科技 大学 制造过程测试技术省部共建教育部重点实验室 ， 四川 绵阳
ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｅ ｓ ｉ ｔ ｓ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ｆｃ ｏ ｌ ｉ ｍｂ ｉ ｎ ｇ ， ｔ ｈ ｒ ｏ ｕ ｇ ｈ ｔ ｈ ｅ ｒ ｏ ｕ ｇ ｈ ｐ ａ ｖ ｅ ｅｎ ｍ ｔ ａ ｎ ｄ ｓ ｗ ｅ ｗｅ ｆｔ ｏ ｈ ｅ ｍ ｕ ｈ ｉ － ｌ ｅ ｇ ｇ ｅ ｄ ｗ ａ ｌ ｋ ｉ ｎ ｇ ｒ ｏ ｂ ｏ ｔ ． Ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｕ ｈ ｓ ｓ ｈ ｏ ｗ
中 图分 类 号 ： Ｔ Ｈ１ ６ ； Ｔ Ｐ ２ ４ ２ 文献标识码 ： Ａ 文章 编 号 ： １ ０ ０ １ — ３ ９ ９ ７ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ９ — ０ ０ ３ ５ — ０ ４
Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｓ ｍ Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｎ ｄ Ｆ ｕ ｎ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ Ｍｕ ｌ ｔ ｉ － Ｌ ｅ ｇ ｇ ｅ ｄ Ｗａ ｌ ｋ ｉ ｎ ｇ Ｒｏ ｂ ｏ ｔ
双足步行机器人纵向关节规划
双足步行机器人纵向关节规划陈娜;卢威【摘要】采用离线法,对关节运动进行规划.通过多次实验观察,以及对机器人相对稳定的行走姿态分析,最后确定出从起步到止步5s时间步行阶段的各步态.【期刊名称】《机械工程师》【年(卷),期】2012(000)010【总页数】2页(P25-26)【关键词】离线法;关节规划;步态分析;步行【作者】陈娜;卢威【作者单位】张家界航空职业技术学院,河北张家界427000;张家界航空职业技术学院,河北张家界427000【正文语种】中文【中图分类】TP2421 机器人行走姿态人类在行走的时候，其行走过程步态可划分为两个阶段：活动腿从支撑腿的后方摆动到支撑腿的前方；机器人的重心从上一步的支撑腿移动到下一步支撑腿。
整个行走过程是连续的过程，所以ZMP 点从支撑腿的脚掌面上开始。
首先支撑腿的小腿和大腿与竖直轴的夹角减小，髋关节位置上提，同时摆动腿的大腿和小腿与竖直轴的夹角增大，摆动腿的脚掌离地同时向前摆动。
经过一段时间，摆动腿落地，单脚支撑阶段结束，进入双脚支撑阶段，ZMP 点仍落在原支撑脚上。
再经过一段时间，机器人的ZMP 点从原支撑脚后脚掌转移到原活动腿前脚掌，原活动腿变为支撑腿，机器人完成一步。
然后整个过程为另一条腿再重复一遍。
如图1，双足机器人腿部分布了十二个关节自由度，每条腿各有六个自由度，分别为：踝关节上纵向和横向两个自由度；膝关节上一个纵向自由度，髋关节上分布三个自由度：纵向、横向及转弯自由度。
图1 结构示意图2 行走步态设计为了步态规划能够顺利进行，将行走步态设计为5 个阶段：双腿支撑，重心右移（先是右腿支撑）、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。
在摆动腿向前摆动阶段，身体的重心从两腿中间移到支撑腿上，要完成这个摆动动作，先要向支撑腿一侧扭动身体来移动重心，为了防止在侧扭时身体向摆动腿一侧倾倒，步态设计中将纵向和横向分步规划。
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。
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似的问题。通过研究步行机器人 ， 我们能够更好地分 析这 些 问题 ， 到 真 正 的答案 。再 者 ， 物 行走 机 理 得 动
的研 究 和步 行机 的开 发 ， 是双 向互 惠 的 ， 旦对 动物 一 行 走 机 理有 了正确 的理解 ，可 以反 过 来 更有 效 地 指
（） ２ 由于脚 的主动性 ， 身体不随地面晃动。
收 稿 日期 ：０ １ ０ — ９ ２ １＿ ３ １
作者简 介 ： 娜 （９ Ｏ ） 女 ， 陈 １ ８一 ， 贵州人 ， 讲师 ， 工程硕士在读 ， 主要从事数控工程研究。
７ ８
《 装备制造技术）Ｏ １ ２ ｌ 年第 ６ 期
机器人 自由度的分配 ，才能根据特定 的结构特征 ， 构 建 了双足步行机器人的基本框架 ， 并用三维建模软件 Ｕ ｉ ａｈｃ 建 立 了双足 步行 机器 人 的实 体 模型 。 ｎｇ ｐ ｉｓ ｒ
２ 仿人形机器 人研 制的价值和意 义
是设计双足步行机人在 自由度 、 驱动方案 、 结构特征等
机器人的机构就不 同， 从而使得其控制 虽然双足步行是 生物界难 度最高的步行 动作 ， 方面的不 同， 但其步行性 能 ， 却是其他步行结构所无法比拟的。双 方式也有所差别 。 足步行机器人 ， 是工程上少有的高阶 、 非线性 、 非完 在分析了步行运动状态的基础上 ， 确定双足步行
（） １ 可以在高低不平 的地段上行走 ， 且具有较高 法 ， 是研究步行机器人。由于动物和机器需要完成相 的逾越障碍的能力 。其能在结构化和非结构化的环 同的任务 ， 它们 的控制系统和机械结构 ， 必须解决类
境 中 ， 现双 足 稳 定行 走 ， 实 能在 与 人类 同样 的行 走 空 间 内移动 ， 跨越 障碍 ， 如 上下 台阶 ， 下斜 坡等 。 上
３ １ 基 本 功能 的 实现 ．
躁关 节 自由度
转
１ ７ ０
一
表 １ 自 由度 分 配 表
膝关节 自由度 髋关节 自由度
ｒ ．
ｎｃｈ ｉ ｃ ｘ
ｚ ？ ｛
／ …
ｐｍｃ ｈ
ｒ ｏ ｌ ｌ｛
藉体、 偏转 俯仰、
机 械 结构 的设 计 ，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 。
机器人按其移动性 ，可以分为固定式机器人 和 整约束的多 自由度系统【 ” 。这对机器人的运动学 、 动 移 动 机器 人 。 固定式 机 器 人 ，是 指 固定 在 某个 底 座 力 学及 控 制理 论 的研 究 ，提 供 了一个 非 常 理 想 的 实 上 ， 台机 器 人 不 能 够 移 动 ， 能移 动 各 个 关 节 ； 验平台。另外 ， 整 只 目 人形机器人 的研究 ， 还可以推动仿生
前 运行 的绝 大 多 数机 器 人 都是 固定式 的 。移 动机 器 学 、 人工智能、 计算机 图形、 通信等相关学科 的发展 。
人， 能够移动到固定式机器人无法到达 的预定 目 ， 标
完成相应 的操作任务。
因此 ， 仿人形机器人 的研制 ， 具有十分重大 的价值和 意义 。
研究开发双足步行机器人 的另一重要 意义 ， 就
阶段 。
ｙ
（） ２ 髋关 节 和踝 关节 自由度 的配 置 。 机 器人 步 从 行 过 程可 以看 出 ， 器 人 向前 迈 步 时 ， 机 髋关 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 ， 以需要有髋 关节上 的 所
（ ） 柔 软 的地 面上 运 动 ， 率不 会 显 著 降 低 。 ３ 在 效 这 是 因为脚 在 软 地 行走 时 ， 面 的变形 是 离散 的 ， 地 至
导步行机器人的研究和开发。其典型实例 ， 是为残疾
多是损失在一个坑 的能量 ，而且脚还可以利用下沉 人研制假肢或轮椅等步行载体 。 产生推力 ，即脚 的运动能量变成地面弹性体的位能 储存 。当脚前进时 ， 这个位能又释放出来 ， 因而可以 ３ 双足 步行机器人的机构设计 减少步行机器人动能的损失【 ｌ Ｊ 。 双足步行机器人的机构 ， 是所有部件 的载体 ， 也
Ｘ
俯仰、 偏转
俯仰
（） １ 对行走步骤 的分析 。 我们分析一下步行机器 人的运动过程（ 向） 前 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 ， 腿抬 起 ， 腿放 下 ， 心 移 到双 腿 间 ， 右 右 重 共分 ８个
摘 要 ： 了设 计 出一种即经济 简单 又能满足功 能要 求的步行机 器人 ， 为 在分析 了步行运动状 态的基础上 ， 定 了双足 确
步 行 机 器人 下肢 机 构 自由度 的分 配 。
关键词 ： 双足机器人 ； 自由度 ； 步行 ； 机构 中图分类 ： Ｐ ４ Ｔ ２２ 文献标识码 ： Ａ 文章编号： ６ ２ ５ ５ ２ １ ）６ ０ ７ — ２ １ ７ — ４ Ｘ（ Ｏ １ ０ － ０ ８ ０
Ｅｑ ｉ ｍｅ ｔ ｕ ｐ ｎ Ｍａ ｔ ａ ｔ ｎ ｅ ｈ ｏｏ ｙ Ｎｏ６ ２０１ ｎ ｆ ｅｒ ｇ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ ． ｉ ｌ
．
双足 步 行 机器 人 的 下肢 机构 自 由度分 析
陈 娜 ’卢 威 ｚ ，
（． １重庆大学 机械工程学院， 重庆 ４０ ２ ； ． ００ ４ ２ 张家界航空职业技术学院 ， 湖南 张家界 ４ ７０ ） ２００
１ 步行 机器人 的优越性
是为了更好地 了解人类和其他动物 的行走机理 ， 并 为下肢瘫痪者提供较理想的假肢。尽管人类对腿 和
但对行走和奔跑的控制机制 的理解 ， 移动机器人 的步行移动 ，有其他移动方式所无 身体运用 自如 ，
法 比拟 的优 越性 ， 主要表 现 为 ：
仍处于初始 阶段。探讨动物运动控制机理的一种方