基于ZMP的双足机器人动态步行控制研究【控制理论与控制工程专业优秀论文】
基于ZMP轨迹的双足机器人步态规划及仿真
0 引言仿人双足机器人是通过模仿人体外形、结构和功能而设计的一类仿生机器人，一般具有双臂、双腿、躯干和头部等人体结构特征，能够像人一样进行双手协同作业和双足稳定行走[1]。
与轮式、履带式机器人相比，仿人双足机器人独特的单、双腿交替支撑行走模式具有更大的机动性和更强的环境适应能力，未来有望在军事、服务、科普和娱乐等领域获得广泛应用，具有重大的理论研究意义和实际应用价值。
仿人双足机器人的步态规划是在满足稳定步行条件的前提下，通过规划机器人步行时质心和踝关节的运动轨迹，确定机器人各关节转角随时间的变化函数曲线。
目前，生成双足机器人步态的主要方法可归为三类：1）基于人体运动捕捉数据(HMCD)的步态规划[2]；2）基于力学简化模型的步态规划[3-5]；3）基于智能算法的步态规划[6-7]。
以上方法中，第一类方法因人体与机器人在结构和形态上存在差异，故人体步行数据不能直接用于机器人的控制，需要经过复杂的修正、变换后才能使用；第三类方法包括人工神经网络(ANN)、中枢模式发生器(CPG)等智能算法[6-7]，这类步态生成方法是机器人步态规划的发展趋势，但目前尚缺少严格的数学理论论证，仍不够成熟；而第二类方法是目前最简便、最成熟、应用最广泛的步态规划方法，主要基于二维或三维线性倒立摆、桌子-小车等力学简化模型规划步态[1,3-5]。
利用倒立摆规划双足机器人步态时，因ZMP[8]（零力矩点，即地面上合力矩为零的一点）稳定性未被考虑在内，故难以获得稳定裕度较高的步态曲线。
针对这一问题，本文对传统的三维线性倒立摆模型进行改进，将期望ZMP 轨迹纳入机器人的步态生成过程中，使ZMP始终处于机器人足底形成的支撑多边形内，并保持最大的稳定裕度。
1 基于三维倒立摆模型的步态规划1.1 利用三维倒立摆模型规划质心轨迹本文采用的三维倒立摆简化力学模型如图1所示，该模型与传统三维倒立摆的不同之处在于将倒立摆的支撑位置由地面移至机器人踝关节。
双足步行机器人毕业论文doc版
双足步行机器人毕业论文交叉足印竞步机器人行走步态实现摘要机器人技术代表了机电一体化的最高成就，是二十世纪人类最伟大的成果之一，其中双足步行机器人因其体积相对较小，对非结构性环境具有较好的适应性，避障能力强，移动盲区很小等优良的品质，越来越受到人们的关注，因此对其控制研究和步态规划具有相当的现实意义。
本文的主要介绍了双足竞步机器人的国内外发展情况，以及PWM 指令算法和舵机的联动控制，通过认真的研究人类行走方式以及翻跟斗的动作，对机器人的行走步态进行简单的规划，设计出简化结构模型，然后以此为基础进行了适当的调整，设计出符合交叉足竞步机器人比赛要求的全部动作程序，设计完成后将程序下载到实验样机中，验证程序设计的可行性和合理性，通过反复的修改和验证使得机器人能顺利的完成比赛任务。
关键词：双足步行机器人步态规划PWM 控制ABSTRACTRobotic technology represents the electromechanical integration the greatest achievement of the 20th century, is one of the great achievement of human beings, the biped robot robot even though only the history of nearly 40 years, but because of its unique adaptability and human nature, became the robot to an important developing direction of field.Topics which aims to design a bipedal humanoid robot platform, based on the bipedal robot, walking gait for better finish tasks matting.Because of multi-joint robot has feet, drive and multisensor characteristics, and generally have redundant freedom, these features to its control problem has brought great difficulty, but also for various control and optimization method provides an ideal experimental platform, make its attracted many scholars eyes, become a blockbuster research direction, and so the biped robot gait planning and control study not only has high academic value, but also has quite practical significance.Based on the study of human walking style process and simplify the process after walking with a simplified model, to realize the steering gear PWM robot is effectively controlled.The paper mainly discussed the dynamic walking planning, design and simulation, detailed research using PWM control technology to achieve the linkage of the steering gear control more than.Keywords：Biped robot Gait planning PWM control目录摘要..........................................................................................................................I.I... ABSTRACT ................................................................................................................... I II 目录 .. (IV)1 绪论 (1)1.1 引言 (1)1.2 双足机器人的研究概况 (1)1.2.2 国内研究概况 (4)1.3 双足步行机器人的步行特点及研究意义 (5)1.4 本文研究内容及主要工作 (6)1.5 试验样机的介绍 (6)2 舵机联动单周期指令算法研究 (8)2.1 舵机PWM 信号介绍 (8)2．2 单舵机拖动及调速算法 (8)2.3 算法分析 (9)2.4 6 路PWM 信号发生算法解析 (10)3 交叉足机器人行走步态设计 (12)3.1 步态规划基本原则 (12)3.2 步态设计 (12)3.2．1 前三步步态设计 (13)3.2．2 翻跟头步态设计 (17)3.2.3 连续前进步态设计 (19)3.2.4 主程序流程图： (21)3.2.5 PWM_ 6 流程图 (22)4 实验验证及结果分析 (23)4.1 实验调试过程 (23)4.2 实验演示 (24)5 实验结论与总结 (28)参考文献 (29)致谢 (30)附录 (31)1 绪论1.1 引言近代机器人学是最近几十年新发展起来的一门综合性的学科，它集中了机械工程技术、计算机工程技术、控制工程技术、人工智能、电子工程技术以及仿生学十等多种学科的最新研究成果，机器人中的双足步行机器人虽然只有近四十年的历史，但是由于它独特的适应性和拟人性，成为了机器人领域的一个重要发展方向。
双足机器人系统平衡控制设计论文
目录摘要 (Ⅰ)Abstract.................................................................................................. (Ⅱ)1 绪论 (3)1.1课题的研究背景和意义 (3)1.2双足机器人的国内外研究状况 (4)1.2.1国外研究状况 (4)1.2.2国内研究状况 (8)1.2.3 欠驱动双足机器人 (9)1.3欠驱动双足机器人控制存在的问题 (11)1.4本文的研究工作 (12)1.5论文的构成 (12)2 双足机器人直立平衡控制的模型研究 (13)2.1.双足机器人的欠驱动姿态 (13)2.1.1 模型简化的提出 (13)2.1.2双足机器人欠驱动姿态分析 (13)2.2物理模型 (15)2.3数学模型 (16)2.4 Matlab仿真模型 (18)2.5小结 (18)3双足机器人系统的能控能观性分析 (19)3.1 平衡稳定控制目标分析 (19)3.2 能控制性与能观测性分析 (19)3.3小结 (20)4 平衡控制策略 (21)4.1 LQR控制器简介 (21)4.2线性二次型调节器（LQR）基本原理 (21)4.3 平衡控制的仿真实现 (22)4.4 小结 (23)5仿真实验 (24)5.1控制器仿真模型 (24)5.2仿真的结果曲线 (25)5.3小结 (27)6结论与展望 (28)致谢 (28)参考文献 (29)附录 (32)附录Ⅰ（数学模型推导）: (32)附录Ⅱ（仿真模型）: (35)附录Ⅲ（Matlab程序语言）: (36)1 绪论1.1 课题的研究背景和意义随着机器人技术的发展和控制理论的逐步成熟，对双足机器人的稳定性问题、双足机器人步行移动及各种仿人动作的研究正受到国际学者们越来越多的普遍关注。
基于控制理论、动力学原理及仿生学原理，人们通过对动物和人类的运动行为、控制技巧的研究，提出和发展了一系列复杂运动控制模态及相关算法。
双足步行机器人的ZMP与CoP检测
双⾜步⾏机器⼈的ZMP与CoP检测静态步⾏与动态步⾏ 机器⼈步态分为静态步⾏和动态步⾏。
当机器⼈做静态步⾏运动时，⾝体的各个部分运动速度很⼩，机器⼈的整体稳定性较易控制。
静态步⾏稳定性采⽤机器⼈的重⼼地⾯投影点(Center of Gravity，简称CoG)作为稳定性标准，这种判定⽅法适⽤于运动较为缓慢的情况。
如果机器⼈采⽤的是⼀种⾼速运动的步⾏⽅式，则称之为动态步⾏。
当机器⼈进⾏动态步⾏时，其重⼼的位置和加速度的⼤⼩时刻都在变化，产⽣向前和侧向的惯性不容易控制，从⽽稳定性不好掌控。
在机器⼈的静态步⾏过程中，如果重⼼投影的轨迹始终落在⽀撑⾯内，称之为稳定。
当机器⼈保持静⽌或静态平衡时，其ZMP与重⼼在地⾯上的投影重合。
当机器⼈步⾏速度较⾼时，由于惯性⼒，重⼼在地⾯上的投影点不能保证始终与ZMP重合。
ZMP(零⼒矩点)和CoP(压⼒中⼼)是评价双⾜步⾏机构⾏⾛稳定性的重要参数。
双⾜步⾏机器⼈研究的⼀个关键问题是实现其稳定的⾏⾛。
⽬前世界上⼤多数双⾜步⾏机器⼈系统都采⽤ZMP作为稳定⾏⾛的判据。
ZMP是由南斯拉夫学者Vukobratovic提出的, 他研究了ZMP与双⾜动态系统之间的关系,提出ZMP是判断动态平衡的⼀个重要依据。
ZMP是地⾯上的⼀点，重⼒和惯性⼒对这⼀点的⼒矩，其⽔平分量为零。
即整个系统对于这个点的前向、侧向的倾覆⼒矩为零。
他指出，当双⾜机构处于动态平衡时,ZMP和脚底所受地⾯反⼒的压⼒中⼼CoP是重合的。
因此,我们可以根据检测到的地⾯反⼒信息,计算CoP,通过控制策略调整ZMP和CoP的位置,使⼆者重合,实现机器⼈的动态稳定⾏⾛。
⽇本本⽥公司的机器⼈ASIMO通过安装在脚部的六维⼒/⼒矩传感器检测出地⾯反⼒信息, 计算得到CoP,通过独特的姿态控制同时调整躯⼲姿态和脚部姿态, 进⽽保持ZMP和CoP 在⾏⾛过程中始终处于合适的位置, 实现稳的⾏⾛。
对于处于动态平衡下的双⾜机器⼈, 在单脚⽀撑期间内, ZMP与CoP是重合的。
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
毕业论文（设计）基于matlab的双足步行机器人腿部运动模型的建立与运动仿真
诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。
本人签名：年月日毕业设计任务书设计题目：基于MATLAB的双足步行机器人腿部运动模型的建立与运动仿真系部：机械工程系专业：机械电子工程学号：112012337学生：指导教师（含职称）：（讲师）专业负责人：1．设计的主要任务及目标1）通过查阅有关资料，了解双足型机器人主要技术参数；2）双足型机器人的腿部模型建立及运动部件设计3）利用Pro/E完成动作的仿真2．设计的基本要求和内容1）双足型机器人的腿部功能选择；2）模型的建立；3）运动的仿真4）完成毕业设计说明书的撰写3．主要参考文献[1] 孙增圻.机器人系统仿真及应[ J ].系统仿真报，1995 ，7( 3 ):23-29.[2] 蒋新松，主编.机器人学导论[ M ].沈阳：辽宁：辽宁科学技术出版社，1994.[3] 蔡自兴.机器人学[ M ].北京：清华大学出版社，2000.[4] 薛定宇，陈阳泉.基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用[ M ].北京：清华大学出版社，20024．进度安排设计各阶段名称起止日期1 发放毕业设计题目及选题2015.03.03—2015.03.232 查阅文献，了解研究意义，完成开题报告2015.03.24—2015.04.133 编写说明书，已完成工作，完成中期答辩2015.04.14—2015.05.044 继续编写毕业设计说明书2015.05.01—2015.06.015 提交设计说明书，完成毕业答辩2015.06.02—2015.06.22审核人：年月日基于Matlab的双足步行机器人腿部运动模型的建立与运动仿真摘要：最近几年，双足仿人步行机器人发展很快，有很高的科学研究价值。
步行机器人的运动是模仿人的步行运动的形式，相比其它机器人有更好的灵活性，所以可以完成各种生活中的难度更大的任务，实用价值远高于其它机器人，当然研究难度和控制也相当复杂。
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ATMEGA12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ATMEGA12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。
双足步行机器人的设计与研究
江南大学硕士学位论文双足步行机器人的设计与研究姓名：***申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：***20070601江南大学硕士学位论文图２．２机器人机械结构简图２．４结构设计２．４．１布置对称性步行运动中普遍存在结构对称性。
Ｇｏｌｄｂｃｒ≯明等人研究了步行运动中的对称性，发现机身运动的对称性和腿机构的对称性之间存在相互关系。
在单足支撑阶段，对称性的机身运动要求腿部机构也是对称的；在双足支撑阶段，机身对称性运动未必需要腿部机构的对称性，除非有额外的约束条件。
根据这一点，我们在结构设计时也采用对称性布置。
２．４，２折叠腿现象所谓折叠腿现象，是指具有两个或三个自由度的关节，比如髋关节，其所有回转轴的中心线应交于～点。
在具体设计时，常用多个低副来模拟球铰。
如果低副间的旋转中心不交于一点，则腿部看上去就像被分成了几截一样。
在进行设计时，应避免折叠腿现象。
对双足步行机器人来说，其踝关节的两个自由度和髋关节的两个自由度各回转轴的中心线交于一点是很有必要的。
否则，在运动时就可能出现藕合现象，造成姿态不准确，甚至出现预料不到的摔倒现象。
２．４．３驱动方案比较与电机布置目前机器人常用的驱动方式有液压驱动、气压驱动和电机驱动三种方式。
液压驱动方式虽然具有驱动力矩大、系统响应速度快等特点，但是成本高，重量大。
气压驱动动作快、介质无污染、管理维护比较容易，但工作稳定性差，速度及位置控制比较困难。
此外，这两种驱动方式随身携带性较差，越来越不被研究者们看好。
电机驱动成本低、控制方便、精度高、安全性好、维修方便，目前的双足步行机器人大都选用这种方式。
舵机是一种特殊形式的伺服电机，最早应用在航模运动中的动力装置，现已广泛应用于机器人领域。
常用脉宽调制信号进行控制，只要能产生标准的控制信号的数字设备都可以用来控制舵机，比如ＰＬＣ、单片机等。
此外，舵机体积紧凑，便于安装输出力矩，稳定性好，控制简单，因此，大大简化了整个机器人的控制结构，从而降低了机器人的成本。