双足机器人步态规划与运动仿真
第３Ｏ卷第１期 五邑大学学报（自然科学版） ２０ １ ６年 ２月 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＷＵＹＩ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｖｂ１．３０ Ｎｏ．１ Ｆｅｂ． ２０ｌ６
文章编号：１００６．７３０２（２０ｌ６）０１．００２９－０５
双足机器人步态规划与运动仿真
刘忠银，刘冬冬，史天录 （五邑大学 机电工程学院，广东 江门 ５２９０２０）
摘要：把双足机器人步行过程划分为５个阶段，通过正逆解方法求得行走过程中的５个关键姿 态，并对其进行插值，得到不同步态时各个关节的运动轨迹；利用该方法规划出双足机器人 步行的３种步态，通过中间过渡姿态的引入实现了不同步态之间的平稳转换；在Ｗｅｂｏｔｓ仿真平 台上实现ＮＡＯ，￣器人３种步态行走及不同步态之间的转换，验证方法的可行性．
关键词：双足机器人；ＮＡＯ机器人；步态规划；运动仿真 中图分类号：ＴＰ２４２．６ 文献标志码：Ａ
Ｇａｉｔ Ｐｌａｎｎｉｎｇ ａｎｄ Ｍｏｖｅｍｅｎｔ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｂｉｐｅｄ Ｒｏｂｏｔｓ
ＬＩＵ Ｚｈｏｎｇ－ｙｉｎ，ＬＩＵ Ｄｏｎｇ－ｄｏｎｇ，ＳＨＩ Ｔｉａｎ－ｌｕ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｗｕｙｉ Ｕ ｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉａｎｇｍｅｎ ５２９０２０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｉｐｅｄ ｒｏｂｏｔｓ’ｗａｌｋｉｎｇ ｉｓ ｄｉｖｉｄｅｄ ｉｎｔｏ ５ ｓｔａｇｅｓ ａｎｄ ５ ｋｅｙ ｐｏｓｔｕｒｅｓ ａｒｅ ｄｅｒｉｖｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｉｎｖｅｒｓｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ．Ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｗａｌｋｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｙｉｅｌｄｓ ｔｈｅ ｍｏｔｉｏｎ ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ ｏｆ ｅａｃｈ ｊｏｉｎｔ． ３ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｇａｉｔ ａｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｍｉｄｄｌｅ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｐｏｓｔｕｒｅｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ３ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｇａｉｔ ａｃｈｉｅｖｅｓ ｔｈｅ ｓｍｏｏｔｈ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｄｉｆｉｅｒｅｎｔ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｇａｉｔ．Ｔｈｅ ３－ｐｏｓｔｕｒｅ ｗａｌｋｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ＮＡＯ ｒｏｂｏｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｇａｉｔｓ ｏｎ ｔｈｅ Ｗｅｂｏｔｓ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｓ ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｂｉｐｅｄ ｒｏｂｏｔｓ；ＮＡＯ ｒｏｂｏｔｓ；ｇａｉｔ ｐｌａｎｎｉｎｇ；ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
双足机器人的步态规划一直是机器人领域的研究热点．步态规划是机器人的底层规划任务，是
实现机器人稳定行走的基础和实现类人运动的关键，其结果表征为机器人各向南度的运动轨迹，目
的是在已经规划的足迹序列基础上实现机器人的最终移动任务【ｌｉ．对于双足机器人的步态规划主要
研究如何提高行走速度和稳定性，降低能量损耗以及不同姿态之间转换等问题．双足机器人主要包
括３种基本步态：直步、侧步与旋步．目前，大量的研究工作集中在单一步态规划上１２－４１，然而单一
步态并不能满足双足机器人在步态规划上的要求．
针对上述步态规划研究中存在的问题，本文主要对双足机器人多种步态以及步态之间的转换进
行了研究．首先构建双足机器人的运动学模型；其次通过正逆运动学的同时求解，并根据落地足的
足迹位置，求出双足机器人腿部各个关节的角度；再次通过该方法求取行走过程的５个关键姿态；
收稿日期：２０ｌ ５－０９－０６ 作者简介：刘忠银（１９９Ｏ一），男，山东聊城小，在读硕士生，主要从事机器人步态研究工作；史天录，副教 授，博士，硕士生导师，通信作者，主要从事机电系统可靠性研究．
３０ 五邑大学学报（自然科学版） ２０ｌ６年
然后使用样条插值算法求得双足机器人的各关节的运动轨迹．为检验该方法的效果，以ＮＡＯ双足机
器人为实验平台进行验证．ＮＡＯ机器人是法国Ａｌｄｅｂａｒａｎ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ公司于２０１０年推出的一款具备一
定程度人Ｔ智能与情感智商的双足机器人，同时也是一款教学用机器人．ＮＡＯ可通过现成的指令块
进行可视化编程，允许用户探索各种领域、运用各种复杂程度的编程程序并达到用户想要体验的各
种效果．另外ＮＡＯ还配有一套非常理想的仿真软件Ｗｅｂｏｔｓ，其可以运行在Ｗｉｎｄｏｗｓ、Ｍａｃ及Ｌｉｎｕｘ
上，内建有３Ｄ编辑器，方便仿真环境构建及机器人运动规划研究．
１ 双足机器人运动学建模与分析
运动学建模与分析是机器人规划和控制的基础，是机器人研究首先需要解决的问题．本节对双
足机器人运动学进行建模，通过正逆运动学同时求解的方法得出冗余自由度的处理 ‘案及有效地逆
运动学求解方案，为求解双足机器人关键步态提供了行之有效的方法．
１．１ 双足机器人正运动学 通过对双足机器人的自由度和人的关节自由度分析发现，双足机器人的下肢机构一般都包括３
个髋关节（ｈｉｐ ｐｉｔｃｈ，ｈｉｐ ｒｏｌｌ，ｈｉｐ ｙａｗ ｐｉｔｃｈ）、１个膝关节（ｋｎｅｅ Ｐｉｔｃｈ）、２个踝关节（ａｎｋｌｅ ｐｉｔｃｈ，
ａｎｋｌｅ ｒｏｌ１）．髋关节和踝关节各有一个自由度分别负责前向运动和侧向运动，同时髋关节还有一个 自由度负责旋步运动；膝关节只有一个自由度负责前向运动．
本文以ＮＡＯ机器人为对象研究步态规划问题．图１一ａ为ＮＡＯ机器人的实体模型，由于上肢结
构对步态规划的影响比较小，囚此将实体机器人简化为如图１．ｂ所示的结构模型．此外，ＮＡＯ机器
人机构各杆件的参数如表１所示．
蚤蜜 ≮
ａ．实体模型 ｂ简化模型 图１ ＮＡＯ机器人模型 表１ ＮＡＯ机器人机构各杆件的参数
部件 长度／ｍｍ 部件 长度／ｒａｍ 右小腿 １０２．９０ 左大腿 １００ ００ 右大腿 １００ ００ 左小腿 １０２ ９０ 右脚掌４５．１９ 腰部 １００ ００ 左脚掌４５．１９
ＮＡＯ机器人腿部有１２个自由度，并且全部为转动关节
采用Ｄ．Ｈ方法建立ＮＡＯ机器人的齐次坐标系，如图２所示 由机器人知识可知杆件坐标系ｆ相对于ｉ－１的变化记为卜 ，
式（１）为相邻关节坐标系的齐次变化矩阵：
＝ ｃ ｓＯ，ｃｏ￣，一ｌ ｓＯ，ｓａ，一１ ０ 一 ｃｅ，ｃｃ￣，一ｌ ｃ ｏｒ，一ｌ ０ ０
一 一ｌ ｃａ，一ｌ ０ 一ｌ —ｄ，ｓａ，一ｌ ｄ，ｃａ，一ｌ １ ｌ３ ＝兀： （ ，（１） ｌ
其中：ｓＯ，＝ｓｉｎ ，ｃｏ，＝ｃｏｓＯ￣，ｃ 一ｌ＝ｃｏｓ 一１，ｓ 一１＝ｓｉｎ —Ｉ． 各参数的含义为： 一．为从ＺＩ一 到Ｚ』沿 一 转动的角度； 为
从 一．到 沿Ｚｊ转动的角度．
机器人第ｉ个坐标系到参考坐标系的变换矩阵可表示为： Ｔ＝ ｒ＇ｙ…卜 ， 图２ ＮＡＯ机器人腿部齐次坐标系
（２）
第３０卷第１期 刘忠银等：双足机器人步态规划与运动仿真 ３ｌ
通过式（２）便可得到各个坐标系相对于基坐标系的运动学正解．
１．２双足机器人逆运动学 机器人的逆运动学求解问题，即当。ｏｒ中的数值已知时，通过式（３）的方程求解出
ｌｏｒ＝ ，；Ｉ ２ ，ｉ３ ｌ ｒ２２ ３
ｌ ２ ３ ０ ０ ０ （３）
双足机器人的逆运动学解算方法主要分为解析法和数值法．对于复杂运动链，解析方法主要有
闭环法、消去法和基于几何关系的方法【 】．然而，由于双足机器人具有关节的冗余亢南度高的特点，
在给定落地足的位置和姿态时，理论上有多组关节组合 能够满足这一要求．因此为方便双足机器人的逆运动学
求解，我们假设：１）双足机器人在行走过程中脚掌与
地面平行；２）单腿支撑期，支撑腿的各个关节角度始
终保持不变．在该假设的基础上，本文采用基于几何关 系的解析法实现逆运动学解算，通过正运动学与逆运动
学相结合的方法可快速求解出各个关节的角度值．图３
为落地足与支撑足相对位置示意图，求解过程遵循先求
，再求ｄｌ与 的原则． ．
１．３双足机器人关键姿态求解 支撑足
图３落地足与支撑足相对位置示意图
考虑到双足机器人左右腿的对称性，仅以左腿为例阐述解算过程．单腿支撑期，右腿为支撑腿 时各个关节的角度值应满足落地足能顺利完成直步、侧步及旋步的动作．
在已知右腿关节角度的情况下，为顺利求解出左腿各关节的角度，我们在髋关节及踝关节处建
立两个假想的平面．假想平面ｌ与髋关节７坐标系Ｙ—ｚ面重合，假想平面２与踝关节ｌ１坐标系 —ｚ 面重合．假设已知落地足位置为（ ， ， ），求解左腿各关节的角度过程如下：
１）令 ＝ ＝ ，由正运动学求得左髋关节相对于基坐标系的坐标值即 的坐标值； ２）由落地足脚掌的位置求得左踝关节相对于基坐标系的坐标值即Ｃ的坐标值；
３）ＡＤ为ＡＣ在假想平面１的投影，由几何知识计算 １（／／Ｅ与ＡＤ的夹角），Ｌ２（ＡＣ与／ＩＤ的 夹角），Ｌ３（ＡＣ与 的夹角）， ４（ 与ＢＣ的夹角）， ＝ ２＋Ｌ３， ＝１８０一 ４（图４）；
４）ＦＨ为ＦＧ在假想平面２上的投影，则由几何知识求得 ５， ６， 。＝Ｌ５， ，＝Ｌ６（图５）；
５）根据求得的角度，由正运动学计算脚掌此刻的位置（ ， ， ），如果求得的 ≠ 则令
＝ ＝（ 一 ，１＋ ，跳回１）重新计算直至ｌ 一 Ｉ＜０．０１．
图４ 髋关节及膝关节角度求解过程示意图
图５ 踝关节角度求解过程示意图 第３Ｏ卷第ｌ期 刘忠银等：双足机器人步态规划与运动仿真 ３３
旋２Ｏ。的运动过程；１２～１４为ＮＡＯ机器人以右腿为支撑腿做向前４ ｃｍ，向左２ ｃｍ左旋２Ｏ。的运动过
程；１４～１ ５为ＮＡＯ机器人由中间过渡姿态过程转换为站立姿态．
４ 结论
传统步态规划主要集中在直步步态的规划上，并不能满足机器人实际环境中的运动要求．通过
正逆运动求解的方法求得机器人不同步态时的５个关键姿态，并通过３次样条插值的方法得到了机
器人不同步态时各关节的运动轨迹，并在Ｗｅｂｏｔｓ仿真平台下验证了该方法的有效性．然而该方法实
现的机器人的步行是离线规划下的静态步行，其稳定性及适应性相对较差，因此下一步将在该方法
的基础上实现机器人行走过程中的稳定性及适应性．
参考文献 ［１】夏泽洋．陈恳．仿人机器人足迹规划建模及算法实现［Ｊ］．机器人，２００８，３Ｏ（３）：２３１—２３７． 【２】莆金波．双足机器人步态规划与运动学仿真研究【Ｊ】．智能工程，２０１１（７）：６６－６９． 【３】王孝义，秦建恒，邱晗，等．基于ＺＭＰ的类双足步行机构行走稳定性控制［Ｊ］．机械科学与技术，２０ｌ４，３３（６）： ８０２．８０６． 【４】薛方正，陈强，厚之成．基于ＣＰＧ的双足机器人多层步行控制器设计［Ｊ】．控制与决策。２０１５，３Ｏ（３）：４６７．４７２． ｆ５】王剑．仿人机器人在线运动规划方法研究［Ｄ】．长沙：国防科技大学，２００８． ［６】ＭＯＯＳＡＶＩＡＮ Ｓ Ａ Ａ，ＲＡＳＴＥＧＡＲＩ Ｒ，ＰＡＰＡＤＯＰ０ＵＬＯ Ｅ．Ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ ｓｐａｃｅ ｆｒｅｅ－ｆｌｙｉｎｇ ｒｏｂｏｔｓ【Ｊ】．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｇｕｉｄａｎｃｅ，Ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ Ｄｙｎａｍｉｃｓ，２００５，２８（５）：９３９－９４７． 【７】徐凯．仿人机器入步态规划算法及其实现研究【Ｄ】．北京：清华大学，２００４．
双足机器人基于ADAMS与Matlab的联合仿真
双足机器人基于ＡＤＡＭＳ与Ｍａｔｌａｂ的 联合仿真
史耀强 ，厉明勇 ，顿向明 ，刘 琦 （１．上海交通大学机器人研究所，上海２００２４０；２．温州科技馆，浙江温州３２５０００） Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｄ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｂｉｐｅｄ Ｒｏｂｏｔ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＤＡＭＳ ａｎｄ Ｍａｔｌａｂ ＳＨＩ Ｙａｏ—ｑｉａｎｇ ．ＬＩ Ｍｉｎｇ—ｙｏｎｇｚ，ＤＵＮ Ｘｉａｎｇ—ｍｉｎｇ ，ＬＩＵ Ｑｉ （１．Ｔｈｅ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｊｉａｏ Ｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００２４０，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｗｅｎｚｈｏｕ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｍｕｓｅｕｍ，Ｗｅｎｚｈｏｕ ３２５０００，Ｃｈｉｎａ） 摘要：为提高双足机器人设计的效率与可靠性， 建立基于虚拟样机技术的仿真系统。在ＡＤＡＭＳ 中建立双足机器人的机械动力学模型，利用Ｍａｔｌａｂ 中的Ｓｉｍｕｌｉｎｋ工具箱建立控制系统，通过ＡＤＡＭＳ 与Ｍａｔｌａｂ的接口ＡＤＡＭＳ／Ｃｏｎｔｒｏｌｓ模块，实现双 足机器人基于ＡＤＡＭＳ与Ｍａｔｌａｂ的联合步行仿 真。虚拟样机联合仿真方法面向多领域，可避免复 杂的人工建模和求解过程，仿真逼真且接近实际系 统，为双足机器人物理样机的研制提供依据。 关键词：双足机器人；虚拟样机；ＡＤＡＭＳ；Ｍａｔ— ｌａｂ；联合仿真 中图分类号：ＴＰ３９１．９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１Ｏ０１—２２５７（２００８）０１—００４５一Ｏ３ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｂｉｐｅｄ ｒｏｂｏｔ ｄｅｓｉｇｎ，ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｙｓ— ｔｅｒｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｖｉｒｔｕａ１ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｉｓ ｂｕｉｌｔ．Ｔｈｅ ｍｅ— ｃｈａｎｉｃａｌ ｄｙｎａｍｉｃ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｂｉｐｅｄ ｒｏｂｏｔ ｉｓ ｂｕｉｌｔ ｉｎ ＡＤＡＭＳ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏ１ ｓｙｓｔｅｍｓ ａｒｅ ｂｕｉｌｔ ｉｎ Ｍａｔ １ａｂ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｈｅｌｐ ｏｆ ｔｏｏｌｂｏｘ Ｓｉｍｕｌｉｎｋ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ＡＤＡＭＳ／Ｃｏｎｔｒｏｌｓ．ｗｅ ｃａｎ ｒｅａｌｉｚｅ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｄ ｓｉｍ— ｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｗａｌｋｉｎｇ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＤＡＭＳ ａｎｄ Ｍａｔｌａｂ． Ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｃａｎ ｄｏ ｍｕｌｔｉ——ｆｉｌｅｄ ｓｉｍｕ—— ｌａｔｉｏｎ，ａｖｏｉｄ ｈｅａｖｙ ｗｏｒｋｓ ｏｆ ｍａｎｕａｌ ｍｏｄｅｌｉｎｇ，ａｎｄ ｏｆｆｅｒ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｂｉｐｅｄ ｒｏｂｏｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｂｉｐｅｄ ｒｏｂｏｔ；ｖｉｒｔｕａｌ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ；ＡＤ— ＡＭＳ；Ｍａｔｌａｂ；ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
三连杆双足步行机器人结构建模与运动分析
三连杆双足步行机器人结构建模与运动分析
孙玲玲;赵俊卿;王亭
【摘 要】双足机器人具有与人类相似的步行运动方式,对环境具有较好的适应能力,在机器人研究与应用中具有重要的地位.文章基于三连杆结构双足步行机器人模型,运用三次函数模拟其直线运动步态,运用拉格朗日方程描述其关节力矩,建立了机器人的运动学和动力学模型,阐明了机器人运动过程状态与关节力矩的变化规律及特点.结果表明:机器人支撑腿力矩为-350 ～350 N·m远大于摆动腿力矩;躯干倾角对各关节驱动力矩的影响比较复杂,即使躯干保持竖直,其驱动力矩也会在-130～130
N·m之间变化;增大步行速度,各关节力矩都会相应增大;躯干倾角对各关节驱动力矩的影响比较复杂,在实际应用中需要借助合理的驱动方法稳定驱动力矩,实现机器人整体的平稳运动.
【期刊名称】《山东建筑大学学报》
【年(卷),期】2016(031)004
【总页数】7页(P366-371,384)
【关键词】分析力学;三连杆步行机器人;结构建模;步态规划;关节力矩
【作 者】孙玲玲;赵俊卿;王亭
【作者单位】山东建筑大学理学院,山东济南250101;山东建筑大学理学院,山东济南250101;山东建筑大学理学院,山东济南250101
【正文语种】中 文
【中图分类】O313.7 在高危与复杂环境下，机器人以其独特的优势，成为代替人类作业的重要工具。与轮式或者履带式机器人相比，双足步行机器人具有更好的适应地面环境的能力，成为近年来研究的热点。双足步行机器人的研究涉及力学、仿生学、机械控制理论与控制工程、传感器信息融合、计算机图形学等多门学科，具有十分重要的学术意义和应用价值［1-4］。
随着机械设计与传感技术的不断发展，机器人研究的瓶颈问题已经不在于样机的研制，而是步行基础理论的突破。为此，国内外学者开展了大量的研究工作。宋宪玺建立了双足机器人的混杂动力学模型，并对三连杆平面双足机器人的运动进行了仿真［1］；槐创锋等建立了双足步行机器人腿的可参数化仿真模型，并分析了影响机器人稳定性能的参数［2］；乌海东等分析和配置了双足机器人的腿部自由度，以通用性的原则设置驱动器，生成了运动动画［3］；史耀强搭建了双足机器人的实验平台，并进行了多关节规划动作调试与分析［4］；曾鹤基于预观控制的仿人机器人的线性步态规划，通过倒立摆模型建立双臂摆动产生力矩与摆动角度之间的数学关系，控制生成的摆动角轨迹［5］；王健美等基于Matlab对双足机器人进行动力学仿真与仿生控制，实现了双足机器人低能耗的稳定行走［6］；贠今天等采用三次样条插值方法规划机器人的前向运动，得到各关节的平滑运动轨迹［7］；Farshimi等提出了一种被动双足机器人模型，并进行运动方程的推导与模拟参数的分析［8］；Liu等使用最优控制律并结合弹道参数的优化方法和微分动态规划，对五连杆双足机器人进行了行走控制仿真与评估［9］。可以看出，尽管研究人员对不同的机器人结构，采用不同的基础理论和研究方法，从不同的角度进行了探索，但系统、精确的数学模型还比较缺乏。
下肢康复训练机器人步态规划及运动学仿真
第30卷第2期哈尔滨工程大学学报Vo.l30.22009年2月JournalofHarbinEngineeringUniversityFeb.2009
下肢康复训练机器人步态规划及运动学仿真
张立勋,张晓超(哈尔滨工程大学机电工程学院,黑龙江哈尔滨150001)摘要:为满足神经受损患者步行康复训练需要,设计了一种具有四自由度步态机构的下肢康复训练机器人,建立了步态机构正逆运动学解析模型;为使机器人能模拟不同步态为患者提供多种训练模式,根据步行运动特征,给出了以步长,步态周期及步态时相为参数的可调步态规划方法.通过基于Matlab\Simulink\SMiMechanics环境下的机构运动学仿真分析,验证了运动学模型的正确性以及步态规划的可行性,说明该四自由度步态训练机器人可以模拟正常人步行时的步态和脚踝运动姿态,满足患者步态训练需要.仿真结果还可用于步态机构的参数优化设计,并为后续人机控制系统研究提供必要数据和研究基础.关键词:康复机器人;步态规划;机构模型;运动学仿真中图分类号:TP24文献标识码:A文章编号:10067034(2009)02018705
Gaitplanningandkinematicsimulationforalowerlimbgaitrehabilitationrobot
ZHANGLixun,ZHANGXiaochao(CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,HarbinEngineeringUniversity,Harbin150001,China)
Abstract:Tosatisfytrainingdemandsforwalkingpatientswithimpairedcranialnerves,alowerlimbgaitrehabilitationrobotwitha4DOFgaitmechanismwasdesignedanditskinematicswasdeducedbasedontheclosedloopvectormethod.Furthermore,byanalyzingthecharacteristicsofnaturalhumangai,tagaitplanningmethodwasproposedtogeneratevariousgaitsfortherobotthatsatisfytherequirementsoftraining,usingadjustableparameterssuchasgaitstride,gaitcycle,andtheratioofthesupportperiodorswayingperiodtothegaitcycle.Finally,usingasimulationenvironmentinMatlab\Simulink\SMiMechanics,correctionofkinematicswasdemonstrated,eywords:rehabilitativerobo;tgaitplanning;mechanicsmode;lkinematicssimulation
双足机器人结构设计与步态规划
双足机器人结构设计与步态规划
贠今天;杜萌萌;桑宏强;武爱华
【摘 要】为了增强机器人的行走效率，使机器人的步态更自然，且具有良好适应复杂路况的特点，设计了一款双足机器人研究平台，并建立双足机器人行走机构的运动学模型，同时对机器人的前向运动进行了步态规划，从而提高了机器人运动过程中的稳定性。采用三次样条插值方法得到机器人各关节的平滑运动轨迹。%In
order to enhance the efficiency of the biped robot, make the robot has a
more natural gaitand has good features to adapt to complex road, a biped
robot research platform is designed, and a bipedal robot kinematics model
is set up, the forward movement of bipedal robot gait is planned, so as to
improve the stability of the robot motion process. The cubic spine
interpolation is used to get smooth motion trajectory of the robot joints.
【期刊名称】《天津工业大学学报》
【年(卷),期】2014(000)005
【总页数】4页(P80-83)
【关键词】双足机器人;运动学建模;结构设计;步态规划
【作 者】贠今天;杜萌萌;桑宏强;武爱华
【作者单位】天津工业大学机械工程学院，天津 300387; 天津工业大学 天津市现代机电装备技术重点实验室，天津 300387;天津工业大学机械工程学院，天津
300387;天津工业大学机械工程学院，天津 300387;天津工业大学机械工程学院，天津 300387 【正文语种】中 文
双足机器人步行原理
双足机器人步行原理
双足机器人是一种模仿人类步行方式的机器人，它可以像人类一样在不平坦的地面上行走。双足机器人的步行原理是基于人类步行的生物力学原理和动力学原理，通过对人类步行过程的模拟和分析，实现机器人的稳定步行。
首先，双足机器人步行的基本原理是通过双足之间的协调运动来保持平衡。人类步行时，两只脚交替着地，一只脚支撑身体重量，另一只脚向前迈出。机器人也是通过类似的方式来实现步行，它需要不断地调整双足之间的配合，以保持稳定的步行姿势。
其次，双足机器人步行的原理还涉及到动力学控制。在机器人步行过程中，需要对每一步的力量和速度进行精确控制，以保持平衡和稳定性。这就需要机器人具备高精度的传感器和智能控制系统，能够实时监测和调整步行过程中的各项参数。
另外，双足机器人步行的原理还包括了对地面情况的感知和适应能力。不同的地面情况会对机器人的步行造成影响，比如不平坦的地面、坡道、台阶等。机器人需要能够通过传感器感知地面情况，并做出相应的调整，以适应不同的环境。
总的来说，双足机器人步行的原理是基于对人类步行过程的模拟和分析，通过动力学控制、协调运动和地面感知能力，实现机器人的稳定步行。这需要机器人具备高精度的传感器、智能的控制系统和灵活的运动机构，才能够在各种复杂的环境中实现稳定的步行。随着科技的不断发展，双足机器人步行原理将会得到更加深入的研究和应用，为人类带来更多的便利和可能性。
双足机器人步行原理 2
双足机器人步行原理
双足机器人是一种模仿人类步行方式的机器人，它具有独立行走、跳跃、攀爬等能力，是目前机器人领域的研究热点之一。双足机器人的步行原理是基于人类步行的生物力学原理和工程学原理，通过合理的控制算法和机械结构设计，实现机器人的稳定步行。
首先，双足机器人步行的生物力学原理是模仿人类步行的步态。人类步行是通过两只脚交替迈出步伐来实现的，每一只脚在着地时，身体重心会向前倾斜，然后通过脚踝、膝盖和髋关节的协调运动来保持平衡。双足机器人也是通过类似的步态来实现步行，它需要具备类似的关节结构和运动方式，以保持稳定的步行姿态。
其次，双足机器人步行的工程学原理是基于动力学和控制理论。在双足机器人的设计中，需要考虑到机械结构的稳定性和灵活性，以及动力系统的动态响应和能量消耗。双足机器人的控制算法需要能够实时感知环境，做出快速的决策，并通过精准的运动控制来保持稳定的步行。同时，双足机器人还需要考虑到地面的摩擦力、斜坡、障碍物等外部因素对步行的影响，以实现在各种复杂环境下的稳定步行。
另外，双足机器人步行还涉及到平衡控制和姿态调整。在步行过程中，双足机器人需要不断地调整身体的重心，以保持稳定的姿态。这需要通过传感器实时监测机器人的姿态和环境信息，然后通过控制算法来实现身体的平衡和姿态调整。双足机器人的步行原理就是通过这样的平衡控制和姿态调整来实现稳定的步行。
总的来说，双足机器人步行的原理是基于生物力学和工程学的原理，通过合理的机械结构设计和控制算法实现稳定的步行。未来随着人工智能、机器学习等技术的发展，双足机器人的步行能力将会更加强大，能够应对更加复杂的环境和任务，为人类生活和工作带来更多的便利和帮助。
双足步行机器人设计
双足步行机器人设计
张熙婷;胡心悦;陶蕾;张佳宁
【摘 要】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其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.为了实现机器人的稳定行走,采用了180°数字舵机,且具有强大处理能力的微控制芯片STM32F103C8T6,完成了步行机器人自主行走所需的硬件设计;采用U型梁、多功能支架等组成了6自由度结构完成小车的机械结构设计,结构设计精简,便于安装调试;实现了步行机器人的稳定、精确行走的功能.试验结果表明,该步行机器人能够实现稳定、精确行走,远程控制的功能,且性能优越,应用前景广泛.
【期刊名称】《机械研究与应用》
【年(卷),期】2017(030)006
【总页数】3页(P147-149)
【关键词】双足机器人;6自由度;微控制;数字舵机
【作 者】张熙婷;胡心悦;陶蕾;张佳宁
【作者单位】重庆邮电大学自动化学院,重庆 400065;重庆邮电大学自动化学院,重庆 400065;重庆邮电大学自动化学院,重庆 400065;重庆邮电大学自动化学院,重庆
400065
【正文语种】中 文
【中图分类】TH122
0 引 言
根据机器人的移动性，可分为固定式和移动式机器人。其中移动式机器人可分为轮式和足式[1]。自20世纪末开始，双足步行机器人的研究进入了快速发展时期。笔者对双足机器人的步态规划和远程控制等问题进行了深入研究。
1 双足步行机器人结构设计
1.1 整体结构设计
为满足机器人稳定、精确行走的功能，首先对机器人行走场地进行了设计。机器人步行场地如图1所示。
双足步行机器人整体结构主要由支撑材料、控制系统、自由度结构等组成。为能够实现双足稳定、连贯、快速的步行，保证步行有较好的直线度，机械结构设计所采用的材料，要有较高的强度和刚度，我们选择了硬质铝合金板。控制系统采用的是微控制器等组成的集成PCB板，具有体积小、功能强大的特点。自由度结构是由数字舵机组成。同时根据国内外仿生双足机器人结构，我们设计了该双足步行机器人整体设计结构，如图2所示。
毕业设计(论文)-双足智能机器人的设计与实现模板
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1 引言
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。对于步行机器人来说，它只需要模仿人在特殊情况下(平地或己知障碍物)完成步行动作，这个条件虽然可以使机器人的骨骼机构大大降低和简化，但也不是说这个系统就不复杂了，其步行动作一样是高度自动化的运动，需要控制机构进行复杂而巧妙地协调各个关节上的动作。
双足机器人的研究工作开始于上世纪60年代末，只有三十多年的历史，然而成绩斐然。如今已成为机器人领域主要研究方向之一。最早在1968年，英国的Mosher．R试制了一台名为“Rig”的操纵型双足步行机器人[1]，揭开了双足机器人研究的序幕。该机器人只有踝和髋两个关节，操纵者靠力反馈感觉来保持机器人平衡。1968~1969年间，南斯拉夫的M.Vukobratovic提出了一种重要的研究双足机器人的理论方法，并研制出全世界第一台真正的双足机器人。双足机器人的研制成功，促进了康复机器人的研制。随后，牛津大学的Witt等人也制造了一个双足步行机器人，当时他们的主要目的是为瘫痪者和下肢残疾者设计使用的辅助行走装置。这款机器人在平地上走得很好，步速达0.23米/秒。日本加藤一郎教授于1986年研制出WL－12型双足机器人。该机器人通过躯体运动来补偿下肢的任意运动,在躯体的平衡作用下，实现了步行周期1.3秒，步幅30厘米的平地动态步行。
法国Poitiers大学力学实验室和国立信息与自动化研究所INRIA机构共同开发了一种具有15个自由度的双足步行机器人BIP2000，其目的是建立一整套具有适应未知条件行走的双足机器人系统。它们采用分层递解控制结构，使双足机器人实现站立、行走、爬坡和上下楼梯等。此外，英国、苏联、南斯拉夫、加拿大、意大利、德国、韩国等国家，许多学者在行走机器人方面也做出了许多工作。
轮腿式机器人运动学分析及其步态规划
44 / 2023年第21期陈耀轩，周子尧，王峥宇，等.轮腿式机器人运动学分析及其步态规划[J].起重运输机械，2023（21）：44-50.引 用 格 式0 引言目前，智能机器人领域的发展呈现多元化、智能化等趋势，机器人产业得到极大发展，各种可移动机器人陆续被研制出来协助人们的生产和生活，使用移动机器人替代人类在各领域工作的研究也吸引了诸多学者的关注 [1]。按照移动机器人结构的不同，可将其分为轮式、腿式、履带式机器人等[2]。面对较为复杂的路面，传统的依靠单一移动模式的机器人逐渐难以满足需求。因此，复合式地面移动机器人成为重点研究热点[3]。目前，轮腿式结构主要有3种，轮子安装在机器人腿的末端，轮腿步态转换依靠末端轮子的收放；轮子与机器人腿结构分开，轮腿步态转换依靠各机构独自运行[4]；轮腿混合机构，该机构具有轮式与腿式机器人的部分特征，轮腿步态不严格区分。这3种轮腿机器人结构提高了机器人在非结构特种环境下的运动性能。轮腿式机器人兼具轮式机器人的快速性、平稳性以及腿式机器人的高越障性，可以随外界环境调整自己的运动姿态，已经成为移动机器人领域一个充满活力、具有挑战性的前沿发展方向[5]。本文设计了一种多功能、可实现构型切换、可搭载末端夹取装置的轮腿式机器人，该轮腿机器人拥有4条肢体，每条肢体都是由关节模块和碳纤维连接板组成的三自由度机械腿，通过仿真和试验分析来验证其稳定性。1 机器人机械结构设计1.1 躯体结构设计
轮腿机器人躯体部分主要由碳纤维板和亚克力板构成，在机壳前端头部安装有双目相机，在后端装有躯体轮；躯体内部布置有电池组、上位机和下轮腿式机器人运动学分析及其步态规划陈耀轩1 周子尧1 王峥宇1 梅 杰1，2 陈 昆1，21武汉理工大学交通与物流工程学院 武汉 430063 2武汉理工大学智能制造与控制研究所 武汉 430063摘 要：文中提出了一种可实现构型切换的轮腿式机器人，能根据地形的不同切换为不同的构型，且前腿末端可与夹取装置相结合，能够通过变换姿态构型将前腿用作机械臂，通过配合前臂关节与末端夹取装置协调运动以实现远程代替人工进行作业的功能；对轮腿机器人在运动过程中进行单腿的正/逆运动学分析；对轮腿机器人进行了CPG步态规划和可操作性仿真分析。结果表明：轮腿机器人运动平稳，前腿在混用为机械臂时可操作空间大，验证了可重构轮腿式机器人机械结构的可行性和合理性。关键词：轮腿式机器人；构型切换；运动学分析；步态仿真中图分类号：TP242.2 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2023）21-0044-07Abstract:
基于ZMP轨迹的双足机器人步态规划及仿真
技术应用Technique and application 29Robot Technique and Application201940 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