模块化双足机器人运动学模型研究_邓三鹏
双足机器人稳定性研究
收稿日期:20200518;修回日期:20200605基金项目:河南省高等学校重点科研项目 掘进机截割头齿群与硬岩耦合系统非线性动力学机理研究 (21B 440004)作者简介:陈艳娟(1990-),女,河南开封人,助教,主要研究方向:机械控制.第38卷第2期周口师范学院学报2021年3月V o l .38N o .2J o u r n a l o f Z h o u k o u N o r m a l U n i v e r s i t yM a r .2021双足机器人稳定性研究陈艳娟,押晨阳(周口师范学院机械与电气工程学院,河南周口466001)摘 要:大多数的双足机器人局限于平面行走,而在特殊的步行环境(例如楼梯),其自身的稳定性会受到很大影响,因此,对双足机器人稳定性进行研究具有一定的现实意义.为了研究双足机器人的稳定性,对双足机器人进行了结构设计,并基于A u t o d e s k I n v e n t o r 软件绘制了三维模型,然后对其运动步态进行分析.结果发现双足机器人运动过程的稳定性与重心的位置㊁舵机的转速㊁舵机之间的配合有很大关系.关键词:双足机器人;稳定性;三维模型;运动步态中图分类号:T P 242 文献标志码:A 文章编号:16719476(2021)02003104D O I :10.13450/j .c n k i .jz k n u .2021.02.008 机器人学是近年发展起来的一门综合性较强的新学科,它是诸如计算机工程㊁人工智能系统㊁电子工程以及生物仿生学等多门学科交叉的前沿技术[1].众所周知,直立行走是人类所特有的行走方式,也是生物界经过长时间的进化所演变出来的最方便的行走方式.双足机器人步行表现出与人相似的㊁节能的步态,比其他机器人具有更高的灵活性[2].由于这个特有的优点,直立行走的机器人特别适合在人们的生活中或工作环境中与人们相配合工作,且不需要特地为了给该机器人创造适应的环境,而对原本的环境进行大规模改造[3].双足步行机器人属于仿人型机器人,它最突出的特点是机器人的腿部是以刚性零件通过驱动机构连接,效仿人类的两条腿和各个关节(例如髋关节㊁膝关节和踝关节),从而能够支撑身体并进行协调的运动,各个关节之间通过驱动机构(例如舵机)实现相对转动.与其他步行机器人相比,仿人机器人还具有以下优点:1)类人机器人对行走环境需求不高,可以在各种各样的地面行走,而且拥有一定的避开障碍物的功能,因此它的行走限制比较小.2)类人机器人拥有很大的工作前景,因为类人机器人是通过两条腿进行移动,所以脚板的占地面积和活动的局限性很小,如果有需要还可在类人机器人上安装特定的机械臂,其即可拥有更大的活动和工作空间,当然机械臂的大小和长短要依据该机器人服务对象的需求来设计.3)双足机器人直立行走是困难程度最大的行走方式,但是它的优势却是其他类型机器人无发比拟的[4].就目前情况来看,大多数的仿人机器人还只能在平整的地面上行走和工作,若行走时遇到楼梯等复杂的环境其自身很难保持稳定[5].针对这一问题进行研究,主要是基于在平地行走的基础上,对双足机器人的结构进行了适当地调整,然后对其行走步态进行分析,旨在为双足机器人稳定性的研究提供理论基础.1 双足机器人整体结构双足机器人的三维结构设计模型如图1所示[6,7].包含双足机器人的头部㊁机器人的左右腿㊁机器人的左右脚板.该双足机器人的头部空间较大,可以用来放控制系统的电路板或者放置需要运输的物品.支架 f 和舵机连接成为机器人的大腿,连接件 g 与舵机的舵盘连接成为机器人的小腿.脚板前端的缓冲轮可提高爬楼时的稳定性.双足机器人左右两条腿之间留有50mm 左右的缝隙,实现两腿不碰撞稳定运行.d表示头部;e表示髋关节;f表示支架;g表示膝㊁踝关节连接件;h表示组合脚板;i表示舵机;j表示髋关节连接件;k表示头部连接件图1双足机器人的结构2双足机器人步态稳定性分析众所周知,双足机器人在一些比较特殊的步行环境中,例如楼梯等保持稳定行走仍然是一大难题.与水平面行走相比,在爬楼行走时机器人抬腿的幅度要大,会使双足机器人的稳定性受到影响.因此机器人大腿与小腿长度比例㊁小腿与楼梯高度比例很重要.在查阅分析人类身体结构特点后,通过不断测试和计算,结果显示双足机器人大腿和小腿的长度比例为1ʒ1时机器人的形态较为稳定,机器人小腿长度与楼梯的高度比例为3ʒ1的情况下双足机器人上楼梯最为稳定[8,9].如图2所示,1号㊁2号㊁3号分别代表左腿的髋关节㊁膝关节㊁踝关节,4号㊁5号㊁6号则分别代表右腿的髋关节㊁膝关节㊁踝关节.髋关节的舵机可以使整条腿向前运动,同时还可以随时调节头部的位置从而保持身体的平衡.膝关节的舵机作用则是摆动机器人小腿的高度让机器人的脚板离开地面,达到与地面相适应的位置.踝关节的功能是与髋关节配合使用,从而实现支撑腿部和头部的运动.另外踝关节的舵机还可用来调整脚板的运动状态,当机器人的腿落下时使脚板与地面实现软着陆,减缓来自地面的反作用力.无论哪个关节的舵机它们运动都需要其他关节的舵机相互配合,机器人能平稳行走的核心就是这两条腿上6个舵机之间的配合.例如要使机器人左腿抬起,则需要其他5个舵机根据不同的转速和延迟时间配合工作,可以让右腿髋关节㊁膝关节及踝关节保持立正状态,而左腿的髋关节和膝关节以同样的转速同时运动,踝关节保持不动,注意此时髋关节和膝关节的舵机转速不宜过快,否则会使机器人不稳定甚至摔倒[10].2.1双足机器人水平稳定行走分析由以上述分析可知,打开双足机器人的电源后1号㊁2号㊁3号,4号㊁5号㊁6号六个舵机会自动调整位置,使机器人处于立正状态如图2所示.机器人要实现水平稳定行走,须有以下动作:抬右腿㊁迈右腿㊁落右腿㊁抬左腿㊁迈左腿㊁落左腿㊁抬右腿依次循环,从而实现机器人步行过程.这里截取核心动作抬腿㊁迈腿㊁落腿进行分析.图2立正首先抬右腿,此时需要调节4号㊁5号㊁6号这三个舵机的位置使机器人的大腿抬起的同时屈起小腿,与此同时为了防止脚板前端撞到地面,应使4号舵机的转动速度与5号转动速度同步,而6号舵机的转动速度略微比其他两个舵机慢.4号㊁5号舵机工作的目的是为了屈起右腿,6号舵机运动的目的是调整脚板的位置使脚板依然处于水平状态,与此过程中左腿的1~3号舵机保持锁定状态不动,如图3所示.迈右腿,此时4号舵机不转动,5号和6号舵机转动使小腿和脚板踢出,在这个过程中为保证机器人的稳定性,5㊁6号舵机的转动速度要保持一样,如图4所示.落右腿则需要六个舵机相互配合工作,在右腿落下过程中小腿继续缓慢向前踢出(即脚板保持与地面平行向前移动).同时左腿的2号舵机转动使机器人上半部分前倾,从而使右腿脚板在向前移动的同时缓慢靠近地面,在此过程中1号和3号舵机需要配合2号舵机同时工作,以调节左腿的状态.整个落脚过程中2号舵机的转动速度不宜过快,否则会使机器人前倾过快导致右腿小腿及脚板没有到达规定的位置就落地(没有到达规定的位置舵机不会停止工作,只有达到规定位置后舵机才能停止工作从而使连接的部件处于锁定状态),这样会使地面与右腿脚板产生摩擦和相互作用力导致机器人侧翻,甚至有可能会烧毁舵23周口师范学院学报2021年3月机.因此,在落腿时,5号和6号舵机应在右腿落地前完成工作并停止转动,如图5所示.图3抬右腿图4迈右腿图5落右腿图6抬左腿(收左腿)由图6可以看出,此时双足机器人的右腿直立左腿抬起并屈起,在这过程中要注意5号舵机运行的速度要相对快一点,这样防止脚板打地保证机器人的稳定性.机器人水平面行走就是不断循环以上的过程.在机器人行走过程中,其重心也在不断的变化,当机器人抬右腿,此时的重心在左腿上,左腿支撑起整个机器人,而迈右腿㊁落右腿的过程中机器人的重心从左腿慢慢向两条腿中间移动,当右腿落下后重心落在两条腿之间.而当机器人抬左腿时其重心又慢慢向右腿转移,左腿抬起后重心就位于右腿,此时右腿支撑起整个机器人.机器人向前运动的过程就是机器人的重心向前运动的过程,在研究机器人稳定行走时,要时刻注意重心的位置,因为机器人运动过程是否稳定很大程度上取决于该机器人的重心是否发生偏移.一般情况下机器人的重心基本都在两条腿之间,只有当机器人抬脚时重心才会移动到某条腿上.重心所在的那条腿需要支撑起整个机器人,所以这条腿的舵机要保持锁定状态.2.2双足机器人稳定爬楼分析下面对双足机器人稳定爬楼步态进行分析.图7为机器人抬右腿,此时舵机的运动状态与步行类似,不过此时机器人右腿抬起的高度要高于步行时,右腿抬起后机器人的重心移向左腿,左腿的1号㊁2号㊁3号舵机处于锁死状态,用来支撑起整个机器人的身体.图8所示为机器人迈右腿,右腿的4号和5号舵机同步运动使右腿的大腿再次抬高同时让小腿慢慢踢出,6号舵机也开始工作调整脚板的位置,使脚板前端的缓冲轮微微接触地面.在此过程中要特别注意,6号舵机的速度要远小于4号和5号舵机的速度,如果6号舵机速度过快,腿部踢出的运动还没完成,脚板就倾斜从而导致脚板与楼梯碰撞,造成机器人侧翻,情况严重的话有可能会烧毁舵机.在踢出右腿的过程中机器人的重心仍然在左腿,因此左腿的1号㊁2号㊁3号舵机仍保持锁死状态.图7抬右腿图9所示为双足机器人落右脚状态.双足机器人的右腿缓缓向前,脚板前端的缓冲轮慢慢滚动使脚板缓缓向前滑落,直到脚板与地面完全接触.在此过程中机器人的重心从左腿慢慢向两腿中间移动,当脚板与地面完全接触时,重心再次落到两腿之间.图10所示双足机器人收左脚时1号和4号33第38卷第2期陈艳娟,等:双足机器人稳定性研究舵机运动使头部前倾即重心前移,同时6号舵机(右腿踝关节)快速保持直立,直立后变为锁死状态,此时机器人的重心在右腿上.左脚抬起后是需要快速收回的,因此需要5号舵机(右腿膝关节)迅速工作,使右腿大腿直立的同时牵引左腿往前.最后当右腿站直后,左腿缓缓放下,在此同时1号和4号舵机转动使头部直立,重心回到两腿之间.图11为收回左腿后的立正状态.图8迈右腿图9落右腿图10抬左腿图11立正3结论对双足机器人步行和爬楼两种状态进行了详细的步态分析,通过分析双足机器人运动过程的稳定性与重心的位置㊁舵机的转速㊁舵机之间的配合有很大关系.参考文献:[1]王高亮,王辉辉,王强,等.交叉足步行机器人设计[J].智能计算机与应用,2018,8(6):153-157. [2]Y a o W,D a o j i n Y,Z h a o G,e t a l.A d a p t i v e s t i f f n e s s c o n-t r o l o f p a s s i v i t y-b a s e d b i p e d r o b o t o n c o m p l i a n t g r o u n d u s i n g d o u b l e d e e p Q n e t w o r k[J].P r o c e e d i n g s o f t h e I n s t i t u t i o n o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r s,2019,233 (6):2177-2189.[3]赵瑞林,卢庆林,张顺星.教学型双足步行机器人的结构及其控制电路设计[J].计算技术与自动化,2014, 57(2):73-76.[4]阮晓钢,仇忠臣,关佳亮.双足行走机器人发展现状及展望[J].机械工程师,2007,74(2):17-19. [5]张冬冬.双足机器人步态控制研究方法综述[J].科技经济导刊,2019(12):27.[6]范强.双足竞步机器人设计及其步态规划研究[D].淄博:山东理工大学,2009.[7]唐瑜谦.一种交叉足竞走机器人机械结构的设计与研究[J].价值工程,2018,37(8):148-149. [8]杨舒捷,陈军统,俞立.基于尺寸均分的双足竞步机器人结构设计[J].科教文汇(下旬刊),2016,124(4): 184-185.[9]吴晓光,杨磊,韦磊,等.基于人体行走系统功能认知的步态稳定性判据[J].仪器仪表学报,2018,39(11): 204-213.[10]李奕达.双足机器人跑跳步态规划与平衡控制研究[D].杭州:浙江大学,2019.(责任编辑闫建军)43周口师范学院学报2021年3月。
双足机器人平地行走步态规划的研究
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
仿人机器人双足行走模型研究
导 出仿人机器 人在行走过程 中单双腿支撑期 的稳 定区域面积和稳定裕量 。建 立 ２种不 同形状 的仿人机器人双足模 型，在足底和地面间创建
一
关健词 ：仿 人机器 人 ；零力矩点 ；机械系统 动力 学 自动分析软件 ；行走稳定性
中 分走模 型研 究
肖 乐 ，张玉 生 ，殷晨被
（． １ 常熟理工学院计 算机科 学与工程学院 ，江苏 常熟 ２ ５ ０ ；２ 南京工业大学机械与动力工程学 院，南京 ２ ０ ０ ） １５ ０ ． １０ ９
摘
要 ：针对仿人机器 人双足行走的稳定性 问题 ，引入零力矩点理论 ，根据稳 定行 走必须 满足地面反作用力位于稳定 区域 内这个条件 ，推
［ ｙｗｏ ｄ ｌｈ ｍａ ｏｄｒｂ ｔ Ｚ ｒ ｍｅ ｔＰ ｉｔ ＭＰ；Ａ ｔｍａｉ Ｄｙ ａ ｃＡｎｌｓ ｆＭｅｈ ｉａ Ｓ ｓ ｍ（ Ｋｅ ｒ ｓ ｕ ｎ ｉ ｏ ｏ； ｅｏ Ｍｏ ｎ ｏｎ（ Ｚ ） ｕｏ ｔ ｎ ｍｉ ｃ ａ ｉ ｏ ｃａ ｃｌ ｙｔ ＡＤＡ ）ｓｆ ｒｅ ｗａｋｎ ｙｓ ｎ ｅ ＭＳ ｏｔ ； ｌ ｇ ｗａ ｉ
第３ ７卷 第 ｌ 期 ２
Ｖｌ ． ７ ｏ ３ １
・
计
算
机
工
程
２１ ０ １年 ６月
Ｊｎ ｕ ｅ ２０１ １
Ｎ ｏ．２ １
Ｃｏ ｍｐｕ ｅ ｇｉ ｅ ｉ ｇ ｔｒＥｎ ｎｅ ｒｎ
人工智能及识别技术 ・
文 编 １ ｏ ３ ８ ０ ）— １ ＿ ３ 文 标 码 Ａ 章 号： ０ ＿ ４ （ １ ｌ ｏ ，＿ ０ ２ ２ １２ ７ ０ 献 识 ：
双足机器人行走控制算法的三维仿真研究
文章编号 ： １ ０ ０ ６ — ９ ３ ４ ８ （ ２ ０ １ ４ ） ０ ３ — ０ ３ ４ ６ — ０ ５
计
算
机
仿
真
２ ０ １ ４ 年３ 月
双 足 机 器 人行 走 控 制算 法 的 三维 仿 真研 究
敬 成林 ． 朱 晓铭
（ 贵州财经大学数学与统计 学院 ， 贵州 贵 阳 ５ ５ ０ ０ ２ ５ ）
ＡＢＳ ＴＲ ＡＣＴ ： Ｔ ｏ ｔ ｅ ｓ ｔ ｗ ｈ ｅ ｔ ｈ ｅ ｒ ｗａ ｌ ｋ ｉ ｎ ｇ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ａ ｌ ｇ ｏ ｒ ｉ ｔ ｈ ｍ ｏ ｆ ｂ ｉ ｐ ｅ ｄ ｒ ｏ ｂ ｏ ｔ ｈ ａ ｓ ｏ ｐ ｅ ｒ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙ，ａ ３ Ｄ－ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｐ ｌ ａ ｔ ｆ ｏ ｒ ｍ ｗａ ｓ
１ 引言
机器人三维仿 真 是机 器 人理 论验 证 的一 个 重要 工 具 。 机器 人由于具有多 自由度 ， 强耦 合和 高度 非线性 等特 点 ， 实
联合 仿真实现的＿ ７ ］ 。但各软件之 间进 行复杂的数据交换带
来 的误差势必影响仿真对实际系统分 析的可靠性 。其二 ， 特
ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｅ ｄ ｔ ｏ ｖ ｅ ｉ ｒ ｆ ｙ ｈｅ ｔ ａ ｌ ｇ ｏ ｉｔ ｒ ｈ ｍ．Ａｃ ｃ ｏ ｒ ｄ ｉ ｎ ｇ ｔ ｏ ａ ｇ ｅ ｎ ｅ ｌｏ ａ ｇ ｙ ｔ ｒ ｅ ｅ － ｌ ｉ ｋ ｅ ｄ ａ ｔ ａ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｗ ｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｎ ｅ ｒ ｒ ｉ ｎ ｇ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｌ ｏ ｗ ｅ ｒ ｌ ｉ ｍｂ ｓ ，ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｒ ｏ ｕ ｇ ｈ ｔ ｈ ｅ ｒ ｏ ｂ ｏ ｔ ｋ ｉ ｎ ｅ ｍａ ｔ ｉ ｃ ｓ ｐ ｒ ｉ ｎ ｃ ｉ ｐ ｌ ｅ ｏ ｆ ｃ ｏ ｎ ｎ ｅ ｃ ｔ ｉ ｎ ｇ ｒ ｏ ｄ ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｓ ｍ ，ｔ ｈ ｅ ｒ ｏ ｂ ｏ ｔ ３ Ｄ—ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｌｇ ａ ｏ ｉｔ ｒ ｈ ｍ ｗａ ｓ ｄ ｅ ｉｖ ｒ ｅ ｄ ｂ ｙ ｍａ ｔ ｉｘ ｒ ｔ ｒ ｎｓ ａ ｆ ｏ ｒ ｍ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ．Ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ Ｍａ ｔ ｌ ａ ｂ ｓ ｏ ｆ ｔ ｗ ａ ｒ ｅ ｐ ｒ ｏ ｇ ｒ ａ ｍｍｉ ｎ ｇ ，ｔ ｈ ｅ ３ Ｄ－ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｍａ ｇ ｅ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ａ ｌ — ｇ ｏ ｒ ｉ ｔ ｈ ｍ ｗｅ ｒ ｅ ｉ ｍｐ ｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｅ ｄ ｔ ｏ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｅ ｔ ｈ ｅ ｗａ ｌ ｋ ｉ ｎ ｇ ｍｏ ｖ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ．Ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｌｙ ａ ｓ ｉ ｓ ｓ ｈ ｏ ｗｓ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ａ ｌ ｇ ｏ ｒ ｉ ｔ ｈ ｍ ｃ ａ ｎ ｒ ｅ ｌｉ ａ ｚ ｅ ｔ ｈ ｅ ｍｏ ｖ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｓ ｏ ｆ ｂ ｉ ｐ ｅ ｄ ｒ ｏ ｂ ｏ ｔ ，ｗ ｈ ｉ ｃ ｈ ｏ ｆ ｆ ｅ ｒ ｓ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｌ ｉ ａ ｂ ｌ ｅ ｄ ａ ｔ ａ ｂ ａ ｓ ｉ ｓ ｆ ｏ ｒ ｔ ｈ ｅ ｓ ｔ ｕ ｄ ｙ ｏ ｆ Ｐ ｈ ｙ ｓ ｉ ｃ ａ ｌ ｒ ｏ ｂ ｏ ｔ ｓ ． ＫＥＹＷ ＯＲＤＳ： Ｂ ｉ ｐ ｅ ｄ ｒ ｏ ｂ ｏ ｔ ； Ｋ ｉ ｎ ｅ ｍａ ｔ ｉ ｃ ｓ ； Ｍａ ｔ ｒ ｉ ｘ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ｇ ｏ ｒ ｉ ｔ ｈ ｍ； ３ Ｄ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ
基于SharpGL的工业机器人正运动学仿真技术研究
基于SharpGL的工业机器人正运动学仿真技术研究谢坤鹏;刘朝华;邓三鹏;祁宇明【摘要】针对六自由度工业机器人3D虚拟动态监控系统建模问题,本文提出一种基于SharpGL的三维建模技术,以ABB公司IRB120机器人为研究对象,首先利用SolidWorks软件绘制出机器人各轴零部件的3D模型,根据该坐标系确定各轴零部件3D模型旋转中心,并将其保存为STL格式文件,利用C#语言读取STL数据文件,结合D-H坐标系使用SharpGL渲染绘制机器人3D仿真模型,最后通过RobotStudio仿真软件对3D仿真模型进行正运动学验证.【期刊名称】《机器人技术与应用》【年(卷),期】2018(000)006【总页数】5页(P24-28)【关键词】工业机器人;D-H建模;STL格式文件;SharpGL;正运动学【作者】谢坤鹏;刘朝华;邓三鹏;祁宇明【作者单位】天津职业技术师范大学机器人及智能装备研究所,天津,300222;天津职业技术师范大学机器人及智能装备研究所,天津,300222;天津职业技术师范大学机器人及智能装备研究所,天津,300222;天津职业技术师范大学机器人及智能装备研究所,天津,300222【正文语种】中文0 引言随着计算机软硬件技术的飞速发展和计算机图形学的日趋成熟，传统地依靠文字来描述机器人位姿信息的监控方式已不能满足人们的需求，三维可视化仿真监控技术应运而生。
三维可视化仿真监控系统是通过实时获取机器人的六关节角度值来同步驱动仿真系统3D 模型运动，实现3D模型与现实机器人位姿同步，从而提高监控系统的直观性。
其中，建立3D 模型是仿真系统的关键技术之一，1988 年，代学耕等人总结了国外的仿真技术，并针对三维动态图形显示功能的通用化机器人仿真系统进行探讨[1]；俞文伟等人开发了一个ROSDIY 通用工业机器人图形仿真软件[2]；孔凡斌等人实现了在UG 环境下的机器人按指定路径的运动仿真 [3]；袁安富、朱华炳等人利用ADAMS 软件对工业机器人图形仿真进行研究[4-5]；于天宇、王智兴等人利用MATLAB 软件对机器人进行了运动学仿真[6-7]；邢迪雄等人利用CATIAV5 软件对机器人运动学进行仿真[8]；陈琳等人利用OpenGL 图形接口对多机器人环境进行仿真[9]。
模块化双足机器人的结构设计及仿真
灰色控 制 的响应 曲线 的 跟 踪误 差 降低 了 ０ １ ｍ， ．５
极 大地 提高 了定位 的精 确 度 ； 两 者 控 制信 号 的对 从
比 ， 色控制 的信 号 更 具 规律 性 ， 于控 制 ， 振 荡 灰 便 无 产 生 ， 于提 高微 动 平 台的 稳 定性 和鲁 棒 性 。运 用 利 灰 色设计 可使 系统 的特 性 显 著 改善 ， 而证 明 了灰 从
摘 要 ： 用 德 国 ＡＭＴＥ 公 司 生 产 的 Ｐ ｗｅ— 利 Ｃ ｏ ｒ
Ｃｕ ｅ模 块 设 计 了 ３种 不 同 结 构 的 双 足 机 器 人 ， ｂ 以 Ｐ ｏ Ｅ软 件 绘 出 简 化 后 的 三 维 图 形 ， 借 助 Ｍ ａｌｂ ｒ／ 并 ｔａ
ｏｆｔ ｉ ｌ ｅ ｏ ｅ ｎｔ ｎｄ ｒ ｔ ｇ ｎｉａ ｉ ｎ ｈｅ ｓｎｇ ｅ ｌ ｇ ｍ ｖ ｍｅ ｕ ｅ ｈｅ ｏｒ ａ ｚ ｔｏ
ｓ ｓｅ ｍｏ ｕ ｅｃ ｌ ｃ ｉ ｎ （ ｉ ｙ ｔ ｍ ｄ ｌ ｏ ｌ ｔ ｅ ｏ Ｓ ｍＭ ｅ ｈ ｎ ｃ ｌ ｃ ｓ ｔ ｃ ａ ｉｓ Ｂ ｏ ｋ ｅ ）
ｏｆｔ ａ ｌ ｂ ｓ ｆ ｗａ ｅ ｓ ｐｐ ｒ ｉ ．Ｆｉ ｌｙ， ｈ ｅ ｈｅ Ｍ ｔａ ｏ ｔ ｒ ｕ ｏ ｔｎｇ ｎａ ｌ ｔ ｅ ｒ — ｓ ｌ ｎｄ ｃ ｅ ｈａ ｔ ｓｇｎｅ ｔ ｕ ｔ ｒ ｓ ａ ｅ ｒ ａ ｕ ｔ ｉ ｉａｔ ｔ ｔ ｈｅ ｄｅ ｉ ｄ ｓ ｒ ｃ ｕ ｅ ｒ ｅ — ｓ ａ ｅ ｏｎ ｂｌ． Ｋｅ ｒ ｓ ｂｉ ｄ ｒ ｂｏ ； ｄｕ ａ ｓ ｇ ｓｍｕ— ｙ ｗｏ ｄ ： ｐｅ ｏ ｔ ｍｏ ｌ ｒ ｄｅ ｉ ｎ ｉ
ｌ ｔｏ ａｉｎ
软件 的机 构 系统模块 集 （ｉ ＳｍＭｅｈ ｎｃ ｌｃ ｓｔ对 ｃ ａ ｉｓ ｏ ｋ ｅ） Ｂ
双足机器人高效行走的自适应控制
探索多机器人协同控制
研究多双足机器人的协同控制 策略，实现多机器人之间的协 同行走和任务分配，拓展机器 人在复杂环境中的应用范围。
强化人工智能与机器学习 应用
将人工智能和机器学习技术应 用于双足机器人的行走控制中 ，提高机器人的自主学习和适 应能力，实现更高级的行走功 能。
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自适应控制算法实现过程
确定自适应机构和自适应律
根据系统的特性和要求，确定自适应机构的类型和结构，以及自适应 律的具体形式。
设计自适应机构
根据自适应机构的设计原则和方法，设计出能够实现自适应功能的机 构。
设计自适应律
根据自适应律的设计原则和方法，设计出能够根据系统输出和输入信 息确定自适应机构调整策略的律。
双足机器人高效行走的自适 应控制
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目录
• 引言 • 双足机器人行走机构设计 • 自适应控制算法研究 • 实验验证与结果分析 • 结论与展望
01
引言
背景与意义
机器人技术发展
随着机器人技术的不断发展，双 足机器人作为仿人机器人的一种 ，在军事、救援、服务等领域具 有广泛的应用前景。
行走稳定性与效率
实验数据采集与处理方法
数据采集
通过传感器采集双足机器人的姿态、速度、加速度等数据。
数据处理
对采集到的数据进行预处理、特征提取和分类等操作，为后续分析提供数据支持 。
实验结果分析与讨论
结果分析
01
对实验数据进行详细分析，包括行走稳定性、速度、能耗等方
面。
结果讨论
02
根据实验结果，讨论双足机器人自适应控制算法的优缺点，并
为双足机器人研究提供了新思路
该研究为双足机器人的行走控制提供了新的思路和方法，为后续研究提供了有益的参考。
双足机器人的动力学建模与控制
双足机器人的动力学建模与控制大连理工大学硕士学位论文双足机器人的动力学建模与控制姓名:丁称林申请学位级别:硕士专业:一般力学与力学基础指导教师:吴玉良20020301摘要本文为一个名叫的双足机器人建立了完整的力学模型和控制模型,使机器人能在平面上实现稳定的动态行走。
并且对模型的可靠性和实用性进行了仿真计算,结果证实了文中模型的合理性和可行性。
这个名为的机器人有个自由度,从机械学的角度看,其结构能实现基本的步行动作。
为了使建立的模型利于计算机控制和编程计算,文章采用了一种递推的? 方法来建立机器人的力学模型,这种方法的特点是利用递推计算的办法来形成力学方程中动力矩阵和关联矩阵的元素,这就使得非常复杂的动力学方程在编程计算的时候显得非常简洁、有效,在这个基础上,文章对步行策略进行了设计,并得到了实现稳定的动态行走所必须满足的力学条件。
在机器人的控制问题上,文章采用的是跟踪式的控制法,具体措施是首先把机器人的行走过程按一个很小的时间区间分成许多时间域,其次把机器人的力学方程在每个时间领域里线性化,然后在这个时间域内对机器人进行控制。
其实这种控制方法允许对机器人控制系统的特性参数进行设计,这就更容易使控制系统达到我们的要求;另外,还添加一个控制环节,使其具有一定的鲁棒性,来抵消由于实际机器人的某些力学参数很难精确测量所带来的对稳定性的负面影响。
文章的最后对力学模型和控制用进行了仿真计算,列出一些重要的计算结果,对稳定性、跟踪误差、响应性能等重要的控制指标进行了分析。
其结果显示,文章所采用的建模方法、行走策略和控制措施是合理的、有效的、实用的。
关键词:双足机器人、力学模型、动态步行、行走策略、控制模型、仿真计算,. ,,,, .? . 耐 : .?,. .. .,,.;;: ;;;双足机器人的动力学建模与控制第一章绪论机器人是作为现代高新技术的重要象征和发展结果,已经广泛应用于国民生产的各个领域,并正在给人类传统的生产模式带来革命性的变化,影响着人们生活的方方面面。
基于ADAMS的两轮机器人运动研究(终结)
北京工业大学学士学位论文基于ADAMS的两轮机器人运动研究学院电子信息与控制工程学院专业自动化姓名王治国学号07020133指导老师孙亮2011年05月20日摘要机器人（ROBOT）是人类设计出来为替代人进行工作的机器。
两轮机器人结构简单、运动灵活、适合在狭小和危险的空间内工作，在各个领域有着广泛的应用。
两轮机器人的概念是20世纪90年代提出来的，属于轮式机器人的范畴。
文章旨在利用ADAMS（机械动力学仿真系统）研究两轮机器人的运动情况，阐述了两方面内容：第一是利用MATLAB对机器人模型进行分析，确定各项运动参数和受力，根据分析结果设计控制系统，使得机器人系统能够平衡，进而在平衡基础上有规律运动。
两轮机器人是一个非线性、不稳定的系统，其运动学原理和倒立摆相同。
为了方便研究，首先把两轮机器人模型简化为倒立摆，进行受力分析和控制方案设计，再在MATLAB环境下对倒立摆控制情况进行SIMULINK仿真，进而拓展为对两轮机器人的控制；第二是完成MATLAB仿真后，学习ADAMS 理论知识，再根据MATLAB分析结果，结合实际情况，在ADAMS环境下设计出两轮机器人模型，添加控制约束，模拟机器人运动情况。
仿真结果显示，此次设计对两轮机器人的控制达到了预期目标，控制效果良好，实现了两轮机器人在ADAMS环境下的平衡和运动控制，改善了系统的不稳定性能，调节时间短，抗干扰能力强，直观地观察到了两轮机器人在ADAMS环境下的运动情况。
关键词：两轮机器人MATLAB ADAMS 运动研究倒立摆abstractRobot is a man who designed the work carried out for alternative products. Wheeled robot is a simple structure, flexible movement, suitable for small and dangerous work space robot, in all fields have a wide range of applications. The concept of two wheeled robot is presented to the 20th century, 90 years, belonging to the scope of wheeled robots.Article aims to use ADAMS (Mechanical Dynamics Simulation System) to study the movement of two robots, described two aspects: first, the robot model using MATLAB analysis to determine the parameters of the movement and force, based on an analysis Control system were designed so that the robot system to balance, then the balance on a basis of regular exercise. Two wheeled robot is a nonlinear and unstable system, the kinematic theory and the same inverted pendulum. To facilitate the study, the first two rounds of the robot model to be simplified as an inverted pendulum, the force analysis and control design, and then in the MATLAB environment, the situation on the inverted pendulum control SIMULINK simulation, and then expanded to the control of two robots; The second is the completion of MATLAB simulation, the learning of theoretical knowledge ADAMS, MATLAB analysis according to the results with the actual situation in the ADAMS environment to design two robot model, add the control constraints, simulated robot movement.Simulation results show that the design of two robot control to achieve the expected goal, the control works well, achieving a two wheeled robot ADAMS environment in balance and movement control, to improve the unstable performance of the system, adjust the time is short Anti-interference ability, directly observed two robot movement ADAMS environment.目录摘要............................................................................................................................. - 2 - abstract ........................................................................................................................ - 3 - 第一章绪论............................................................................................................... - 5 - 第一节两轮机器人简介及研究背景................................................................... - 5 - 第二节两轮机器人的发展和成果 ...................................................................... - 6 - 第三节两轮机器人应用 .................................................................................... - 8 - 第二章机械系统运动学分析ADAMS .........................................................................- 10 - 第一节ADAMS介绍 .........................................................................................- 10 - 第二节ADAMS的发展和应用 ...........................................................................- 11 - 第三节ADAMS主要模块功能 ...........................................................................- 13 - 第三章两轮机器人建模和运动控制算法研究.............................................................- 15 - 第一节模型简化问题.......................................................................................- 15 - 第二节倒立摆系统 ..........................................................................................- 15 - 第三节建模方法介绍.......................................................................................- 16 - 第四节状态空间数学模型................................................................................- 19 - 第五节系统可控性分析 ...................................................................................- 20 - 第六节四阶参考模型法控制 ............................................................................- 22 - 第七节LQR法控制...........................................................................................- 24 - 第四章基于ADAMS的两轮机器人模型实现 ..............................................................- 27 - 第一节创建新模型 ..........................................................................................- 27 - 第二节创建双轮机器人模型 ............................................................................- 27 - 第三节建立运动约束.......................................................................................- 33 - 第四节创建接触..............................................................................................- 35 - 第五节加入旋转力矩.......................................................................................- 37 - 第六节更改质量参数.......................................................................................- 38 - 第五章基于ADAMS的两轮机器人控制设计 ..............................................................- 40 - 第一节变量的创建 ..........................................................................................- 40 - 第二节基于ADAMS的PID算法的实现.............................................................- 42 - 第三节参数整定..............................................................................................- 45 - 第六章基于ADAMS的两轮机器人运动仿真 ..............................................................- 46 - 第一节ADAMS仿真 .........................................................................................- 46 - 第二节基于ADAMS的两轮机器人仿真结果分析 ..............................................- 47 - 第七章总结与展望 ...................................................................................................- 48 - 致谢............................................................................................................................- 49 - 主要参考文献..............................................................................................................- 50 -第一章绪论第一节两轮机器人简介及研究背景机器人（Robot）是能经过人类设计出来，然后实施控制而代替人的动作的机器。
教学用双足步行机器人前向运动建模与研究
教学用双足步行机器人前向运动建模与研究张蔓;高宇博;李军;王妍玮;于惠力【摘要】针对教学用双足步行机器人样机,建立五连杆物理模型,对前向运动进行分析,运用正运动学理论建立运动学方程,结合机器人样机实际参数,推导出该双足机器人各关节速度函数及重心坐标;在此基础上采用ADAMS软件建立机器人正向运动模型,通过仿真得到关节角度变化曲线,进而得到双足机器人步行过程中关节角度的变化规律.%In view of the prototype of a teaching-type bipedal walking robot,a five-link physical model is established for analysis of forward movement.A kinematics equation is established using the forward kinematics theory,and coupled with the actual parameters of the robot prototype,the velocity function and barycentric coordinates of each joint of this bipedal robot are deducted,based on which ADAMS software is used to establish the forward movement model of the robot and through simulation,the joint angle change curve is obtained and then the change law of the joint angle of the bipedal robot in the walking process is obtained.【期刊名称】《林业机械与木工设备》【年(卷),期】2017(045)005【总页数】4页(P32-34,39)【关键词】教学;双足机器人;步态;模型【作者】张蔓;高宇博;李军;王妍玮;于惠力【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双足机器人能模仿人类行走，代替人类去危险的场所作业。