四足步行机器人腿机构及其稳定性步态控制
四足机器人运动原理
四足机器人运动原理
四足机器人是一种仿生机器人，它的运动原理基于模拟动物的行走方式。
它拥有四条类似于四肢的机械结构，通过一系列的电动和机械部件来实现运动。
四足机器人的运动分为步态运动和平衡控制两个主要部分。
在步态运动方面，四足机器人采用类似于动物的步态，即通过交替运动四条腿来实现行进。
通常有两种常见的步态模式：波浪步态和踏步步态。
波浪步态是指后腿向前迈进，前腿向后摆出的运动方式，这种步态在速度较慢的情况下运动稳定；而踏步步态是指前后两条腿轮流进行迈步的运动方式，这种步态在速度较快时更适用。
为了实现平衡控制，四足机器人通常配备了倾角传感器和陀螺仪等传感器来检测机器人的倾斜情况。
通过实时检测和反馈机制，机器人可以根据倾斜情况进行动态平衡调整，以保持稳定的行走状态。
除了步态和平衡控制，四足机器人的运动还涉及到其他方面的技术，比如轮辐传动、电机驱动、关节设计等。
这些技术的应用使得四足机器人能够在不同的地形和环境中自如地行走，并完成一系列特定的任务。
总的来说，四足机器人的运动原理是通过模拟动物的行走方式，配合平衡控制和其他关键技术，实现机器人的步态运动和移动
能力。
这种仿生设计使得四足机器人能够在各种复杂的环境中进行灵活的运动和任务执行。
四足步行机器人腿机构及其稳定性步态控制
图 4 一条腿在一个跨步周期内腿相对机体的位置 表 1 四足机器人缩放式腿机构驱动点相对机体的位移 (mm )
时刻 ( s)
腿1
滑块 1 滑块 2
腿4
滑块 1 滑块 2
腿2
滑块 1 滑块 2
腿3
滑块 1 滑块 2
1 ±80 + 490
0 - 70
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2
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稳定裕量 步行机器人的重心在足支撑平面上的垂直
投影点到各足支撑点构成的多边形各边的最短距离, 用 S 表示, 通常不用垂直距离, 而是用位移方向的距离, 如图 2
所示。 它是衡量步行机器人在行走时的静态稳定程度。
步距 Κ 四条腿作一次循环, 机器人机体相对地面移 动的位移。
腿跨距 E 单腿从抬起到落地过程中, 足尖相对机器 人机体的位移。
[ 3 ] 汪培庄. 模糊集合论及其应用[M ]. 上海: 上海科学技术出版 社, 1983
[ 3 ] 钱涛, 张融甫. 四足步行机运动学和运动控制. 1989, 10 (1) [ 4 ] 轶群, 万隆君. 四足步行机器人稳定性步态分析[ J ]. 制造业
自动化, 2001, (8) [5 ] Song S M , W altron K J. M ach ines tha t W a lk, the Adptive
示) 由于它具有运动解藕性、
易于控 制, 又 由 于 它 具 有 缩
放性, 原 动 件 小 位 移 可 以 获
得大的足端运动空间。 因此,
被广泛的采用作为机器人的
腿部机构。 本文结合为某市
恐龙灯会设计的四行
机器人的步态和腿机构的运
四足步行机器人步态规划与稳定性分析
图 8 恢复初始位
图 2 为迈 1 腿的过程 ,为了重心调整最少 ,在这 个过程中 ,重心不变. 图 3 为该步态能达到最小稳定 裕度为 S1 时的最佳初始位置 ,图 4 为迈 2 腿的过 程 ,在这个过程中 , 为了下次重心调整量最少 , 这次 重心最少随动为 L / 2 .图 5 为调整过程 ,为了满足稳 定裕度为 S 1 ,中心最少调整量为 2 S1 .图 6 为迈 3 腿 的过程 ,在这个过程中 , 为了下次重心调整量最少 , 这次重心最少随动量为 L / 2 .图 7 为迈 4 腿的过程 , 为了重心调整最少 , 在这个过程中 , 重心不变. 图 8 为恢复到初始位置的过程 ,其重心的最小调整量为 2S1 .
摘要 :通过对各种步态详细的分析和讨论 ,得出 了稳定行走的最佳步态. 为了得到稳定 、易于控制的 机器人系统 ,研究和分析了四足机器人的静态稳定 性 ,并给出了系统稳定性的判断方法.
关键词 :四足步行机器人 ;步态规划 ;静态稳定 性
中图分类号 : TP242 文献标识码 :A 文章编号 :100122257 (2010) 0120053204 Abstract : Thro ugh detailed analysis and dis2 cussio n to a variet y of gait s ,a op timal stabilit y gait has been acquired. Based o n research and analysis of t he quadruped ro bot’s static stabilit y ,in o rder to o btain stable and easy co nt rol systems to t he ro bot and gave an assessment met hod of t he system sta2 bilit y. Key words : quadruped walking ro bot ; gait planning ; static stabilit y
四足机器人步态规划与平衡控制研究的开题报告
四足机器人步态规划与平衡控制研究的开题报告一、研究背景机器人越来越多地被应用于工业、服务、医疗等领域，并成为未来发展的重要方向。
四足机器人是一种具有优良行走能力和强劲载重能力的多功能机器人，适用于恶劣环境、灾难搜救、军事侦察等领域。
而四足机器人的步态规划和平衡控制是保证其高效运行和稳定运行的关键技术之一。
二、研究目的本研究旨在探讨四足机器人步态规划与平衡控制技术，通过建立四足机器人的运动模型和控制模型，研究和分析其步态规划和平衡控制算法，在实现四足机器人高效、稳定地运行上提供理论和技术支持。
三、研究内容（一）四足机器人运动模型的建立本研究将建立四足机器人的运动模型，包括其步态参数、步态周期、步幅、摆动角度等，以达到对四足机器人运动控制的准确描述，从而实现步态规划和平衡控制。
（二）四足机器人步态规划算法的研究本研究将针对四足机器人，通过对其运动模型的建立，研究和实现其步态规划算法。
针对四足机器人的特有问题和挑战，如足底压力分布和地形适应性，分析四足机器人行走中的动态特性和稳定性，优化步态算法的选取和调整。
（三）四足机器人平衡控制算法的研究本研究将研究四足机器人平衡控制的关键技术，基于四足机器人的运动模型和步态规划算法，探究四足机器人在行走过程中的平衡控制策略和方法，包括足底力矩控制、惯性力矩控制、姿态反馈控制等。
（四）建立仿真模型和实验验证本研究将通过软件仿真和实际物理实验两种方法，建立四足机器人的仿真模型和物理实验平台，验证本研究所提出的四足机器人步态规划与平衡控制技术。
四、研究意义（一）推动四足机器人技术的发展本研究将以四足机器人为研究对象，探讨其步态规划和平衡控制技术，有利于推动四足机器人技术的发展和应用。
掌握四足机器人的步态规划和平衡控制技术，有助于构建更加智能、高效、稳定的四足机器人系统。
（二）提高机器人行走能力研究四足机器人步态规划和平衡控制的关键技术，能够提高机器人行走的能力和稳定性，增强机器人的适应性和灵活性。
四足机器人奔跑步态动态稳定性与控制方法
四足机器人实验平台
硬件组成
四足机器人实验平台包括机械结构、驱动器、传感器和控制系统 等部分。
机械结构设计
根据奔跑步态的需求，设计合理的机械结构，包括腿部机构、腰部 机构等。
驱动系统设计
选择合适的驱动器，如电机、舵机等，以实现腿部和腰部的运动控 制。
实验结果与分析
实验过程
在实验平台上进行四足机器人的奔跑步态实验，记录实验数据。
动力学模型控制
基于四足机器人的动力学模型，通过调节每条腿的力和力矩，以实 现机器人在不同地形和速度下的稳定奔跑。
阻抗控制
通过调节机器人的阻抗参数，使其在受到外部扰动时能够迅速恢复 稳定状态。
动态逆补偿
通过补偿四足机器人的动态效应，使其在奔跑过程中保持稳定的姿态 和轨迹。
基于人工智能的控制方法
人工智能控制
逆向运动学
描述机器人期望的轨迹和关节角度之来自的关系。动力学模型描述机器人运动过程中所受到的力和力矩以及它 们对机器人运动的影响。
四足机器人的步态规划
步态
四足机器人的步态是指其行走过程中腿部运动的规律和顺序。
静态稳定性
在静止状态下，四足机器人抵抗翻倒的能力。
动态稳定性
在行走过程中，四足机器人抵抗失衡的能力。
姿态调整
四足机器人在奔跑过程中，需要对其姿态进行不 断调整以保持稳定。姿态调整的幅度和频率对稳 定性有很大影响。
地面条件
地面硬度、摩擦系数等条件对四足机器人的稳定 性有很大影响。在硬地面上奔跑时，需要更加注 意控制步长和步频。
04
四足机器人奔跑步态控制 方法
基于运动学模型的控制方法
运动学模型控制
而得出稳定性条件。
四足机器人稳定行走控制与参数优化
06
结论与展望
研究成果总结与贡献
精确的步态规划
01
通过优化四足机器人的步态周期和相位，实现了更稳定、高效
的行走。
动态稳定性分析
02
建立了四足机器人动态模型，并进行了稳定性分析，为控制算
法设计提供了理论依据。
自适应控制算法
03
提出了一种自适应控制算法，能够根据环境变化自动调整四足
机器人的行走参数，提高了适应能力。
• 通过对四足机器人稳定行走控制与参数优化的研究，我们不仅提高了四足机器人的行走效率和稳定性，还 为其他类似机构的稳定行走控制提供了有益的参考。未来的研究可以进一步拓展这些研究成果，并在实际 应用中加以验证和完善。
感谢您的观看
THANKS
基于模拟退火算法的参数优化
模拟退火算法是一种基于物理退火原理的优化算法，通过模拟金属退火过程来寻找问题的最优解。
在四足机器人稳定行走控制中，模拟退火算法可以Байду номын сангаас于优化控制策略中的参数，如步长、步频等，以 实现更高效的稳定行走。
模拟退火算法具有较好的全局搜索能力，可以避免陷入局部最优解，同时具有较好的鲁棒性和适应性 。
四足机器人稳定行走控制与 参数优化
2023-11-05
目 录
• 引言 • 四足机器人概述 • 四足机器人稳定行走控制算法设计 • 四足机器人参数优化方法 • 四足机器人实验与性能评估 • 结论与展望
01
引言
研究背景与意义
背景
四足机器人作为仿生机器人的一类，具有适应复杂环境的能力，如不平整地 面、爬坡、涉水等。稳定的行走控制与参数优化对于四足机器人的应用具有 重要意义。
研究不足与展望
• 复杂环境适应性：虽然自适应控制算法能够在一定程度上提高四足机器人的适应能力，但在复杂环境下的 表现还有待进一步验证。
四足机器人运动及稳定控制关键技术综述
四足机器人运动及稳定控制关键技术综述目录一、内容概览 (2)1. 四足机器人概述 (3)2. 研究背景与意义 (4)3. 研究现状和发展趋势 (5)二、四足机器人运动原理及结构 (7)1. 四足机器人运动原理 (8)1.1 动力学模型建立 (9)1.2 运动规划与控制策略 (10)2. 四足机器人结构组成 (11)2.1 主体结构 (13)2.2 关节与驱动系统 (14)2.3 感知与控制系统 (17)三、四足机器人运动控制关键技术 (19)1. 运动规划算法研究 (20)1.1 基于模型预测控制的运动规划算法 (21)1.2 基于优化算法的运动规划策略 (22)2. 稳定性控制策略研究 (23)2.1 静态稳定性控制策略 (25)2.2 动态稳定性控制策略 (26)3. 路径规划与轨迹跟踪控制技术研究 (27)3.1 路径规划算法研究 (28)3.2 轨迹跟踪控制策略设计 (29)四、四足机器人稳定控制实现方法 (31)1. 基于传感器反馈的稳定控制方法 (32)1.1 传感器类型与布局设计 (34)1.2 传感器数据采集与处理技术研究 (35)2. 基于优化算法的稳定控制方法应用探讨 (37)一、内容概览四足机器人运动机制：阐述四足机器人的基本运动模式，包括行走、奔跑、跳跃等，以及不同运动模式之间的转换机制。
稳定性分析：探讨四足机器人在运动过程中的稳定性问题，包括静态稳定性和动态稳定性，以及影响稳定性的因素。
运动控制关键技术：详细介绍四足机器人运动控制的关键技术，包括运动规划、轨迹跟踪、力控制等，以及这些技术在实现机器人稳定运动中的应用。
传感器与感知技术：介绍四足机器人运动及稳定控制中涉及的传感器与感知技术，包括惯性测量单元（IMU）、激光雷达、视觉传感器等，以及这些技术在机器人运动控制中的作用。
控制算法与策略：探讨四足机器人运动及稳定控制中常用的控制算法与策略，包括基于模型的控制、智能控制方法等，以及这些算法在实际应用中的效果。
四足机器人步态及运动控制
发展阶段
随着科技的进步，尤其是计算机技 术和机械设计的发展，四足机器人 在20世纪90年代进入快速发展阶 段。
创新阶段
近年来，随着人工智能和深度学习 技术的突破，四足机器人的智能化 程度越来越高，性能和应用领域也 得到了极大的拓展。
四足机器人的分类及特点
根据驱动方式
四足机器人可以分为液压驱动、气压驱动和电动驱动等类型。液压驱动具有负载能力强、精度高的优点，但易受 环境温度影响。气压驱动具有速度快、响应灵敏的优点，但易受气压波动影响。电动驱动具有节能环保、维护方 便的优点，但需要良好的电源管理系统。
步态选择的原则与影响因素
选择四足机器人的步态应根据具 体的应用场景和需求进行考虑。
原则上，应考虑机器人的运动效 率、稳定性、灵活性和适应性等
方面的需求。
影响因素包括机器人的重量、负 载、能源供应、环境条件等。
03
四足机器人的运动控制方 法基于模型ຫໍສະໝຸດ 控制方法模型预测控制（MPC）
利用机器人的动力学模型进行预测和控制，考虑了机器人运动的各种约束条件 ，如速度、加速度、关节角度等，以达到最优的控制效果。
基于学习的控制方法
深度学习控制
利用深度学习算法，通过对大量数据进行学习，让机器人能够自适应各种复杂的 未知环境。
强化学习控制
通过强化学习算法，让机器人在实际环境中通过自我试错进行学习，从而找到最 优的控制策略。
04
四足机器人的步态及运动 控制实验
四足机器人实验平台介绍
实验平台组成
四足机器人实验平台主要由机械系统、控制系统、感知系 统三部分组成。
混合步态则结合了静态和动态步态的 特点，以实现机器人的特定运动需求 。
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了四足步行机器人腿机构的
驱动方案。
图 1 缩放式机构
1 四足步行机器人稳定步态参数 1. 1 四足步行机器人运动参数
收稿日期: 2001 09 23 作者简介: 徐轶群 (1963- ) , 男 (汉) , 安徽, 工学硕士, 副教授
E2m ail: xuyiqun@p ub lic. xm. fj. cn
采用液压伺服马达加 PL C 控制方案, 有比较大灵活 性, 可以改变行走速度。 对步距误差可以通过 PL C 加以修 正, 保证稳定性。 但是, 成本较高, 在室外行走时, 电源问题 和油的泄露问题比较难解决。显然采用凸轮来控制, 其结构 简单, 性能可靠, 成本低, 尤其适合室外行走的机器人, 采用 圆柱凸轮还可以使结构紧凑。 比较不利的是安装精度要求 高, 尤其是四条腿 8 个凸轮转动的相位差要求有较高的精 度, 行走过程中出现误差补偿比较难。
Fx
K + 1 0 Cx
=
(4)
Fy
0
K Ay
式中: K = B D A B , 称为该缩放机构的缩放比。 图 4 所示 为一条腿在抬起、跨出、落地、支撑的过程中腿机构相对机
体的位置。请特别注意、行走时机体不起伏,
支撑腿不能有 yy 方向的运动, 仅在 x x 方向滑快 2 相对机 体做匀速运动, 其速度为
[ 3 ] 汪培庄. 模糊集合论及其应用[M ]. 上海: 上海科学技术出版 社, 1983
[ 3 ] 钱涛, 张融甫. 四足步行机运动学和运动控制. 1989, 10 (1) [ 4 ] 轶群, 万隆君. 四足步行机器人稳定性步态分析[ J ]. 制造业
自动化, 2001, (8) [5 ] Song S M , W altron K J. M ach ines tha t W a lk, the Adptive
考虑到实际情况: 要求室外行走, 成本低, 结构简单, 采 用凸轮控制方案。 实例如下:
确定腿部尺寸: A D = 306 mm , A B = 51 mm , 缩放系数 K 1= A D A B = 6, 或 K = B D A D = 5, A B = D F , A B = D E = B C。
Suspen sion Veh icle[M ]. T he M IT P ress, Cam b ridge, 1989 [ 6 ] L EE T T , Sh in C L. A study of the gait con tho l of a
quad rup ed w alk ing veh icle [ J ]. IEEE Journa l of Robotics and Automa tion, 1986, RA 22 (2) : 61～ 68
将第一层的输出作为第二层的输入代入式 (3) 可得方案一
的相对优属度
u
2 1
=
0.
536。
同样计算得方案二的第一层输出为
u
1 2
=
(0. 352, 0. 352, 0. 352, 0. 352, 0. 352, 0. 352, 0. 352,
0. 352, 0. 352, 0. 352, 0. 352, 0. 352, 0. 352, 0. 352)
单腿步距 A 单腿从抬起到落地过程中, 机器人机体 相对地面的位移。
负荷因数 Β 单腿在地面支撑时间和四条腿作一次循 环时间的比值。
上述各参数随 S 的变化而变化, 故 Κ(S )、E (S )、A (S )、 Β(S ) 是表示在该稳定裕量 S 下的各计算值。
四足行走机器人在行走
时机体首先要保证静态稳
第 22 2003
年卷 第1
1期 月
机械科学与技术 M ECHAN ICAL SC IEN CE AND T ECHNOLO GY
文章编号: 100328728 (2003) 0120086202
JVanoul a2r2y N20o.031
徐轶群
四足步行机器人腿机构及其稳定性步态控制
徐轶群, 万隆君
确定运动参数: 行走速度 70 mm s、腿抬跨的最大高度 80 mm、取稳定富裕量 S = 70 mm、步长 Κ(S ) = 560 m , 则一 个周期耗时 560 70= 8 s, A (S ) = 70 mm , E (S ) = 490 mm。 表 1 所示在一个周期内四条腿相对机体的位移, 也可以从 表中看到四条腿之间的相位差。
(集美大学 轮机工程学院, 厦门 361021)
摘 要: 结合实际, 详细地分析了四足步行机器人的步态和腿机构的运动关系, 并在此基础上给出了四足步行机器 人腿部机构和驱动控制方案。 关 键 词: 步行机器人; 步态; 步行机构 中图分类号: TH 11 文献标识码: A
L eg M echan ism of a Quadruped W a lk ing Robot and its Stab il ity Ga it Con trol XU Y i2Q un,W AN L ong2jun
图 4 一条腿在一个跨步周期内腿相对机体的位置 表 1 四足机器人缩放式腿机构驱动点相对机体的位移 (mm )
时刻 ( s)
腿1
滑块 1 滑块 2
腿4
滑块 1 滑块 2
腿2
滑块 1 滑块 2
腿3
滑块 1 滑块 2
1 ±80 + 490
0 - 70
0 - 70
0 - 70
2
0 - 70
0 - 70
0 - 70
示) 由于它具有运动解藕性、
易于控 制, 又 由 于 它 具 有 缩
放性, 原 动 件 小 位 移 可 以 获
得大的足端运动空间。 因此,
被广泛的采用作为机器人的
腿部机构。 本文结合为某市
恐龙灯会设计的四足行走恐
龙, 详细 地 分 析 了 四 足 步 行
机器人的步态和腿机构的运
动关系, 并 在 此 基 础 上 给 出
1. 2 四足机器人机体和腿部运动
第1期
徐轶群等: 四足步行机器人腿机构及其稳定性步态控制
87
四条腿在一周期循环的过程中, 机体始终相对地面作
匀速运动 (只考虑匀速的情况)。腿部的运动分个两个过程:
①支撑腿在支撑过程中, 机体向前移动, 足尖相对机体向后
运动; ②在抬跨过程中, 足尖的运动是由随机体的向前运动
(上接第 8 页)
当检测压力迅速下降, 并且增压不起作用时, 程序认为 试件已破裂, 因此程序将关闭阀门, 中止实验。 该模块还具 有急停、胀形模拟、操作帮助等功能。 并将此过程产生的相 应的数据存储在胀形过程数据文件中。 胀形结果分析模块 根据胀形控制结果数据, 对其进行分 析, 并打印输出分析报告, 包括: 理论数据曲线、控制数据曲 线、实时控制数据曲线、及理论数据与实测数据的误差分析 等内容。
(下转第 91 页)
第1期
李海滨等: 两级模糊模式识别模型及在起重机机构系列主参数择优中的应用
91
u
1 1
=
(0. 940, 0. 889, 0. 940, 0. 959, 0. 940, 0. 940, 0. 917,
0. 959, 0. 959, 0. 889, 0. 889, 0. 959, 0. 917, 0. 959)
定。因此, 其运动的任一时刻
至少应有三条腿与地面接触
支撑机 体, 且 机 体 的 中 心 必
须落在三足支撑点构成的三
角形区域内, 如图 2 所示, 在
这个前提下四条腿才能按一 图 2 步行机器人位移方
定的顺序 (绝大部分大型肢
向上的稳定裕量
体动物按 1423 顺序抬腿[4～ 6]) 抬起和落地, 实现行走。
和足尖相对机体向前抬跨运动的合成。 在稳定裕量为 S 下, 下列的运动关系成立[4～ 6 ]:
Κ(S ) = 4 × A (S ) + 4S
(1)
E (S ) = 3 × A (S ) + 4S
(2)
Κ(S ) = E (S ) + A (S )
(3)
式中: Κ(S ) = 4×A (S ) + 4S 表示机体相对地面的位移 Κ(S ) 有 两部分组成, 一部分是三足支撑过程(有一条腿在跨步) 中, 机体
移动 4×A (S ) ; 另一部分是在四足支撑过程机体相对地面移动 的位移 4S , 保证稳定裕量。 图 3 所示为四足运动状态图。
图 3 四足运动状态图
2 四足步行机器人腿机构及其运动分析 采用缩放式机构作为机器人腿机构, 其机构简单, 运动
具有解耦性。足端点 F 的位移, 在 x x 方向仅与 C 点 x x 方 向的位移相关, 在 yy 方向的位移仅与 A 点的 yy 方向的位 移相关。 它们的位移关系为
(Co llege of M a rine Engineering, J im ei U n iversity, X iam en 361021) Abstract:W e designed a leg m echan ism fo r a quadrup ed w a lk ing robo t. W e first ana lyzed in deta il the k inem a tic re2 la tion sh ip betw een the ga it of the quadrup ed w a lk ing robo t and the leg m echan ism. B a sed on the ana lysis, a driver fo r th is k ind of leg m echan ism is designed. Key words: Q uadup ed w a lk ing robo t; L eg m echan ism ; Stab ility ga it con tro l