双足步行机器人毕业论文doc版.docx

.可编辑修改，可打印别找了你想要的都有！ 精品教育资料全册教案，试卷，教学课件，教学设计等一站式服务全力满足教学需求，真实规划教学环节最新全面教学资源，打造完美教学模式双足步行机器人毕业论文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I31.双足步行机器人毕业论文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II双足步行机器人毕业论文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 robotGait planningPWM controlIII双足步行机器人毕业论文目录摘要 .I.I.ABSTRACTIII目录IV1绪论11.1 引言11.2 双足机器人的研究概况11.2.2 国内研究概况41.3 双足步行机器人的步行特点及研究意义51.4 本文研究内容及主要工作61.5 试验样机的介绍62 舵机联动单周期指令算法研究82.1 舵机 PWM信号介绍82 2 单舵机拖动及调速算法82.3 算法分析92.46 路 PWM信号发生算法解析103 交叉足机器人行走步态设计123.1 步态规划基本原则123.2 步态设计123.21 前三步步态设计133.22 翻跟头步态设计173.2.3 连续前进步态设计193.2.4 主程序流程图：213.2.5 PWM_ 6 流程图224 实验验证及结果分析234.1 实验调试过程23IV双足步行机器人毕业论文4.2 实验演示245 实验结论与总结28参考文献29致谢30附录31V双足步行机器人毕业论文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。双足步行机器人与轮式、爬行式和履带式等移动机器人相比，有着更好的 环境适应性，这种优越性在非结构环境里的表现尤为突出。从某种意义上讲，它 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，也是一个国 家制造业水平和综合实力的象征。1.2双足机器人的研究概况随着国内外学者纷纷投入到该领域的研究，机器人逐渐进入到工业生产和人 类的生活 1 。根据机器人的发展进程，通常可分为以下三代：第一代机器人，主要指只能以“示教-再现”方式工作的机器人，其只能依靠 人们给定的程序，重复进行各种操作。第二代机器人是具有一定传感器反馈功能的机器人，其能获取作业环境、操 作对象的简单信息，通过计算机处理、分析，对动作进行反馈控制，表现出低级 的智能。第三代机器人是指具有环境感知能力，并能做出自主决策的自治机器人。它 具有多种感知功能，可进行复杂的逻辑思维，判断决策，在作业环境中可独立行 动。1.2.1国外研究概况拟人机器人的研究是一个很诱人、难度很大的研究课题。关于这方面的研究 日本走在了世界的前列。早稻田大学理工学部1973 年建立了“人格化机器人”研究室，曾开发出不少拟人机器人系统2 。例如会演奏钢琴的机器人、双足步行机器 人以及电动假肢等。该研究室的带头人高西淳夫教授说：“人格化机器人的一个很 大特征就是它具有与人类相近的结构，机器人与人类的共存是我们研究开发的课 题之一”。1双足步行机器人毕业论文当今世界，有“机器人王国”之称的日本在双足步行机器人研究领域处于绝 对领先地位，具有代表性的研究机构有加藤实验室、日本早稻田大学、日本东京 大学、日本东京理工学院、日本机械学院、松下电工、本田公司和索尼公司等3 。日本早稻田大学的加藤一郎教授于1968 年率先展开了双足步行机器人的研制 工作，并先后研制出WAP 系列样机 4 。其中 WAP-1 步行机器人具有六个自由度， 每条腿有骻、膝、踝三个关节；关节处使用人造橡胶肌肉，通过充气、排气引起 肌肉收缩，肌肉的收缩牵引关节转动从而实现步行。1971 年，研制出 WAP-3 型双 足机器人，仍采用人工肌肉，具有11 个自由度，能在平地、斜坡和阶梯上行走。 同年又研制出 WL-5 双足步行机器人， 该机器人采用液压驱动， 具有 11 个自由度， 下肢作三维运动，上躯体左右摆动以实现双足机器人重心的左右移动。1973 年， 在 WAP-5 的基础上配置机械手及人工视觉、听觉等装置组成自主式机器人 WAROT-1。 1980 年，推出 WL-9DR(Dynam 、Refined)双足机器人 5 ，该机器人采 用预先设计步行方式的程序控制方法，通过对步行运动的分析及重复实验设计步 态轨迹，用设计出的步态控制机器人的步行运动，该机器人采用了以单脚支撑期 为静态， 双脚切换期为动态的准动态步行方案，实现了步幅 45cm，每步 9s 的准动 态步行。 1984 年，研制出采用跺关节力矩控制的WL-10DR 双足机器人 36 ，增加 了跺关节力矩控制，将一个步行周期分为单脚支撑期和转换期。1986 年，又成功 研制了 WL-12(R) 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，实 现了步行周期1.3 秒，步幅 30 厘米的平地动态步行。代表双足步行机器人和拟人机器人研究最高水平的是本田公司和索尼公司。本田公司从1986 年至今已经推出 了 Pl，P2，P3 系列机器人，在 P2 和 P3 中，使用了大量的传感器：陀螺仪(测定上 体偏转的角度和角速度 )、重力传感器、六维力 /力矩传感器和视觉传感器等，利用 这些传感器感受机器人的当前状态和外界环境的变化，并基于这些传感器对下肢 各关节的运动作出调整，实现动态步行。72000 年 11 月日本本田公司又推出了新型双足步行机器人ASIMO （图 1-1）， ASIMO 拥有 34 个自由度，是目前最先进的双足机器人。ASIMO 身高 1.2 米， 体重 52 公斤。它的行走速度是0-6km/h，行走平稳，增加了语音识别功能，具有 听说看的能力，可实时识别人的姿态与运动，并进行交互。由于采用了新开发的 双足步行技术，具有预测运动控制功能，可以更加自由地步行，步行动作也更为 连续流畅，并能完成跑步，转弯，上楼梯等多种复杂情况下的步行动作。2002 年 6 月 12 日，机器人世界杯国际委员会宣布将从2002 年 6 月 20 日起在 日本的福冈与韩国的釜山举行机器人世界杯大赛。从该届起，将增设双足步行机 器人的足球赛事。这标志着机器人选手参加的世界杯又向人类走近了一步。该大 赛的目标是“在 2050 年之前，制造出能够战胜当时世界冠军队的自律型机器人队2双足步行机器人毕业论文伍”，这一梦想将由双足步行机器人来实现8 。2005 年 1 月 12 日，由日本产业技术综合研究所的比留川博等人开发出一台取 名“HRP-2”拟人机器人亮相东京（见图1-2）。该机器人身高 154cm，体重 58kg。 研究人员先请民间艺术家跳舞，用特殊摄像机拍摄后将画面输入电脑，并对手、 脚、头、腰等 32 个部位的动作进行解析，然后把有关解析数据输入给机器人，最 后利用这些数据来控制机器人手的动作和脚步等，使“HRP-2”可以和人一样动作 连贯，翩翩起舞 9 。图 1-1 本田公司ASIMO机器人图 1-2“HRP -2 ”拟人机器人除了日本之外，美国、英国、法国等也对步行机器人做了大量的基础理论研 究和样机研制工作，并取得一定成就。美国Ohio.大学的美籍华人郑元芳博士是美 国双足步行机器人研究者中一位非常杰出的人物。他基于神经网络研制出两台双 足步行机器人，分别命名为SD-1 和 SD-2，SD-1 具有 4 个自由度， SD-2 具有 8 个 自由度， 其中 SD-2 是美国第一台真正类人的双足步行机器人8 。他利用 SDR-2 于 1986 年实现了平地上的前进、后退以及左、右侧行；1987 年，又成功地实现了动 态步行。 1971 年至 1986 年间，英国牛津大学的Witt 等人制造并完善了一个双足 步行机器人，该机器人在平地上行走良好，步速达0.23/s。前面所述的研究主要是 关于主动式步行机器人 (靠关节电机驱动 )。加拿大的几d.McGeer 主要研究被动式 双足步行机器人 6 ，即在无任何外界输入的情况下， 靠重力和惯性力实现步行运动。 1989 年，他建立了平面型的双足步行机构，两腿为直杆机构，没有膝关节，每条 腿上各有一个小电机来控制腿的伸缩，无任何主动控制和能量供给，放在斜坡上， 可依靠重力实现动态步行。目前，主动和被动式双足步行机器人在研究上很少互 相借鉴。3双足步行机器人毕业论文1.2.2国内研究概况国内双足步行机器人的研制工作起步较晚，我国是从20 世纪 80 年代开始双足步行机器人领域的研究和应用的。1986 年，我国开展了“七五”机器人攻关计 划，1987 年，我国的“ 863”高技术计划将机器人方面的研究开发列入其中。目前 我国从事机器人研究与应用开发的单位主要是高校和有关科研院所等。最初我国 进行机器人技术研究的主要目的是跟踪国际先进的机器人技术，随后取得了一定 的成就。自 1985 年以来，相继有几所高校进行了这方面的研究并取得了一定的成 果，其中以哈尔滨工业大学和国防科技大学较为成果显著。在自然科学基金和国家”863”计划的支持下，哈尔滨工业大学自1985 年开始研制双足步行机器人11， 迄今为止己经完成三个型号的研制工作。1988 年哈工大 HIT-1 型双足步行机器人 问世， HIT-1 型双足步行机器人具有10 个自由度，重100kg，高 1.2m，关节由直 流伺服电机驱动，属于静步态行走。HIT-2 具有 12 个自由度，该机器人髓关节和 腿部结构采用了平行四边形结构。HIT-3 具有 12 个自由度，跺关节采用两电机交 叉结构，同时实现了两个自由度，腿部结构采用了圆筒形结构。HIT-2 实现了静步 态行和动步态步行，能够完成前/后行、侧行、转弯、上下台阶及上斜坡等动作。清华大学 2002 年 4 月 9 日研制双足机器人THBIP-I 样机。THBIP-I 有 32 个自 由度，采用独特传动结构，成功实现无缆连续稳定的平地行走、连续上下台论阶 行走，以及端水、 太极拳和点头等动作。 其平地行走速度为4.2 米/分，步距为 0.35米，跨越台阶高度75 毫米，跨越速度20 秒/步。国防科技大学从198895 年，先后研制成功平面型六自由度双足机器人 KDW-I ，空间运动型 KDW-II和 KDW-III 。KDW-III下肢有 12 个自由度；最大步 距为 40 厘米，步速为 4 秒/步；可实现前进 /后退和上 /下台阶的静 /动态步行和转弯 运动12 。2000 年 11 月 29 日，又研制出我国第一台类人型双足步行机器人“先行 者”，高 1.4 米，重 20 千克，可实现前进 /后退、左 /右侧行、左 /右转弯和手臂前后 摆动等各种基本步态，行走频率每秒两步，能平地静态步行和动态步行。从只能 平地静态步行，到能快速自如地动态步行；从只能在己知环境下步行，到可在小 偏差、不确定环境下行走，实现了多项关键技术突破。2003 年 1 月取名为 BRH-1的仿人机器人在北京理工大学通过国家“863” 项目组的验收。这个机器人身高 1.58m，体重 76kg，具有 32 个自由度，每小时能够行走1km，步幅 0.33m。验收 专家认为该机器人在系统集成、步态规划和控制系统等方面实现了重大的突破。 仿人机器人课题组负责人、北京理工大学教授李科杰认为：目前“BHR-1 ”仿人机 器人己经能够根据自身力觉、平衡觉等感知机器人自身的平衡状态和地面高度的 变化，实现在未知地面上的稳定行走和太极拳表演，使中国成为继日本之后，第 二个研制出无外接电缆行走，集感知、控制、驱动、电源和机构于一体的高水平4双足步行机器人毕业论文仿人机器人国家。1.3双足步行机器人的步行特点及研究意义机器人是现代科学技术发展的必然产物，因为人们总是设法让机器来代替人 的繁重工作，从而发明了各种各样的机器13 。机器的发展和其它事物一样，遵循 着由低级到高级的发展规律，机器发展的最高形式必然是机器人。而机器人发展 的最高目标是制造出像人一样可以行走和作业的机器人，也就是拟人机器人。因 为它具有良好的环境适应性，并且这种优秀品质在高低不平的路面上以及具有障 碍物的空间里更加突出，所以与之相关的问题己经成为研究热点。拟人机器人的 研制工作开始于20 世纪 60 年代，短短的几十年时间内，其研制工作进展迅速。 步行机器人的研制工作是其中一项重要内容。目前，机器人的移动方式主要包括 轮式、履带式、爬行式、蠕动式以及步行等方式。对轮式和履带式移动机器人的 研究主要集中在自主运动控制上，如避障路径规划等。这两种机器人过分依赖于 周围环境，应用范围受限。爬行和蠕动式机器人主要用于管道作业，具有良好的 静动态稳定性，但速度较低14 。常见的步行机器人有双足、四足和六足等情况。 自然界事实、仿生学以及力学分析表明: 在具有许多优点的步行机器人中，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移动品质，格外引人注目。首先，对于支撑路面，双足步行机器人的要求很低，理论上只需要分散的、 孤立的支撑点，就可以通过机器人自行选择最佳的支撑点，获得最佳的移动性能。 而轮式移动机器人通常要求连续的、硬质的支撑路面，对于恶劣的支撑路面，它 只能被动的适应。其次，在存在障碍物的情况下，双足步行机器人能够跨越与自身腿长相当的 障碍物，甚至跳越障碍，而轮式移动机器人仅能滚越尺寸小于轮子半径的障碍物。 机器人力学计算表明，足式步行机器人的能耗通常低于轮式和履带式。步行是人 类的一种基本活动能力，双足步行技术的发展会促进动力型假肢的研制，将有可 能解决截瘫病人和小儿麻痹症患者的行走问题，为康复医学做出贡献。对机器人 双足动态行走机理的深入研究也使我们更深刻地理解人类活动的内在本质，有助 于生物医学工程和体育运动科学的发展。而双足步行机器人与传统的轮式机器人 相比，最具有挑战性的问题之一就在于，它的单、双足交替支撑的步行方式使得 双足步行机器人难以保持较好的稳定性。从而，使得人们在机器人稳定性和步态 规划方面的研究更加深入。5双足步行机器人毕业论文1.4本文研究内容及主要工作为了促进机器人技术在我国的发展，全国各地尤其是部分高校举办了各种类 型的机器人大赛。中国机器人大赛是由中国自动化学会机器人竞赛工作委员会和 科技部高技术研究发展中心主办的一个全国性的赛事。其中最为引人瞩目的舞蹈 机器人项目就是为了促进双足步行机器人的发展而设立的。由于步行机器人的实 现目前还存在很多技术难题，前几届由中国科技大学主办的舞蹈机器人大赛基本 上是以轮式机器人为主，还没有出现步行机器人参赛，由此可见，双足步行机器 人的发展还有一段很长的路要走。研制双足步行机器人的一项重要内容就是步态 规划。所谓的步态，是指在步行过程中，步行本体的身体各部位在时序和空间上 的一种协调关系，步态规划就是给出机器人各关节位置与时间的关系，是双足步 行机器人研制中的一项关键技术，也是难点之一。步态规划的好坏将直接影响到 双足步行机器人的行走稳定性、美观性以及各关节所需驱动力矩的大小等多个方 面，已经成为双足步行机器人领域的研究热点。本文的主要任务就是在大量研读资料后，认真的研究人类行走过程，并通过 的适当的调整，完成交叉足竞步机器人行走程序的设计，完成设计后将设计好的 程序下载都到实验样机中，验证设计程序的可行性和合理性，通过反复的验证和 改进使得机器人能顺利的完成比赛任务。1.5试验样机的介绍本文采用的样机是 SHR-TLA机器人，该机器人的关键技术主要包括3部分： 其一是数控系统，也指电子部分，其二是伺服舵机，其三是机械结构件。1、实验样机的控制器系统采用北京森汉科技生产的控制板 (见图 1-3), 该控制 板采用 STC12C5412AD 单片机 ,设计合理，扩展了 STC12C5412AD 系列单片机的 所有外接端口 ,具有很好的操作性 .。2、样机共有六个 SH14-M-C舵机（见图 1-4），它是一款数字型的舵机， 成本低， 采用PWM控制，不用随时接收指令，减少CPU 的疲劳程度；重量轻、反应速度、 每个舵机扭矩为 14kg.cm，全部采用金属齿轮传动，旋转角度可达到185 度，可以 保证机器人动作灵敏、行动有力，它还有一个最突出的特点，是有“电子自锁” 功能。3、该款样机全身的机械结构均采用金属结构（见图 1-5），有较强的机械强度， 样机的身高 280mm，肩宽 165mm，胸厚 140mm，质量 0.9kg。6双足步行机器人毕业论文图 - STC12C5412AD 控制板图 1-4SH14-M-C 舵机图 1-5 SHR-TLA机器人4、机器人各舵机与控制口的定义程序中命名定义接口平面命名电路板接口舵机分布图position0 P1.0x1舵机J12position1 P1.1x2舵机J11position2 P1.2x3舵机J10position3 P1.3x4舵机J8position4 P1.4x5舵机J7position5 P1.5x6舵机J5图 1-6 舵机分布图7双足步行机器人毕业论文2舵机联动单周期指令算法研究2.1舵机 PWM信号介绍PWM 是 Pulse Width Modulation 缩写， 中文意思就是脉冲宽度调制，简称脉 宽调制。它是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的 技术，其特点在于他的上升沿与下降沿之间的时间宽度。我们目前使用的舵机主 要依赖于模型行业的标准协议，随着机器人行业的渐渐独立，有些厂商已经推出 全新的舵机协议，这些舵机只能应用于机器人行业，已经不能够应用于传统的模 型上面了。本文采用的是8 位 STC12C5410ADCPU ，其数据分辨率为256 ，经过舵机 极限参数实验，得到应该将其划分为250 份。那么 0.5mS2.5ms 的脉冲宽度为 2mS 即 2000uS，2000uS250=8uS 则：PWM的控制精度为 8uS,本文以 8uS 为单位递 增控制舵机转动与定位，舵机可以转动185 度，那么 185 度 250=0.74 度， 则： 舵机的控制精度为0.74 度。由此我们定义了1 DWT = 8uS； 1DWA=0.74 度。2 2单舵机拖动及调速算法舵机为随动机构，当其未转到目标位置时，将全速向目标位置转动，当其到 达目标位置时，将自动保持该位置。所以对于数字舵机而言，PWM 信号提供的是 目标位置，跟踪运动要靠舵机本身。像SH-0680 这样的模拟舵机需要时刻供给 PWM信号，舵机自己不能锁定目标位置。所以我们的控制系统是一个目标规划 系统。SH14-M舵机的位置控制方法：（1）相关计算说明：舵机角度= 0.74N；PWM高电平的时间为：500us + N 8us 或者舵机角度 /8us+500us； 部分角度对应的N 值和 PWM 值如下：角度04590135185N062125187250PWM0.5ms1ms1.5ms2ms2.5ms表2-1舵机要求 PWM格式上升沿最少为0.5mS，为 0.5mS-2.5mS 之间；下降沿时间没 要求，目前采用0.5mS 就行；也就是说PWM波形可以是一个周期1mS 的标准8双足步行机器人毕业论文方波，具体格式说明图例如下图：0.5msN 0.8usPWM0.5ms+N 0.8us（2）SH14-M舵机的运动协议图 2-1 PWM 格式舵机的转动方向为 : 逆时针为正转对应 N值N=0， =0 ；度 N=250， =185 度；1 N 250 运动时可以外接较大的转动负载，舵机输出扭矩较大，而且抗抖动性很好，电位 器的线性度较高，达到极限位置时也不会偏离目标。2.3算法分析我们使用定时器中断的方式产生所需的PWM 波，定时器初始化后， 由定时器 0 产生 20ms 的脉冲周期，开始执行第一组数据。定时器1 被赋予第 n 个舵机的脉 宽值（n 初始值为 0，对应 A0 口），同时对应第 n 个舵机的 I/O 口翻转， 输出为高， 定时器 1 定时时间到，进入中断，n 口翻转，输出变为低，同时n+，循环上述过程，直到 n5，这时 j+ ，n 重新赋 0，等待定时器 0 的中断发生后，进入下一组 数执行，这样已知循环，知道执行完所有的数据（j m）为止，即机器人走完一 个完整的步态。当同时发给 6 个舵机位置目标值时，该指令的执行周期尽量短，目的有2 个：其一，是为了将来扩充至24 舵机； 其二，目标越快，舵机的转动速度越快；我们以 P0 口得 6 路为 1 组或称 1 个单位，连续发出目标位置，形成连续的目标规划曲线，电机在跟随过程中自然形成了位置与速度的双指标曲线，实现6 路 舵机联动。为了方便以后扩充到P1、P2 的 24 舵机的联动控制，采用并行运算， 目前采用的并行算法是P0.0P0.5 为一个基本单位， 6 位一并。具体如下： P0 口的 6 个位置各不相同：9双足步行机器人毕业论文（us）P0.0position000500P0.1position10.741508P0.2position27.410580P0.3position33750900P0.4position4741001300P0.5position51111501700端口N 寄存器目标位置（度） N 数值（整数）PWM宽度表 2-22.46路 PWM信号发生算法解析定义数组： ass6；例如：logic6 ；ass01234512060892012201logic0123450xFE0xFD0xFB0xF70xEF0xDF ass6内为 P0 口的 6 路 N数值，这些数值是根据舵机状态定的， 没有规律。logic8 内为固定的一组逻辑参数。将数组 ass 内的数据由大到小排列，logic 内的数据也数之变化，变成：ass01234520112089602012logic5432100xDF0xFE0xFB0xFD0xF70xEF将 N值做减法，求得：ass0=ass0-ass1=81ass1=ass1-ass2=31ass2=ass2-ass3=29ass3=ass3-ass4=40ass4=ass4-ass5=8 ass5=ass5 =12我们将每 6 路输出的高电平时间限制在一个2.5ms 的中断内，开启中断。将全部的 6 路输出置为高电平，并延时500us 作为目标位置为0 的基础。10双足步行机器人毕业论文循环 6 次,每次延时 ass 内的值个 8us,再将 P0 口“与”相应的逻辑参数 .例如：顺序ass51296us0xEF（ 0B10111111）第四位置“0”4ass4864us0XF7（ 0B11111101）第三位置“0”3ass340320us0xFD（ 0B11111011）第一位置“0”1ass229232us0xFB（ 0B01111111）第二位置“0”2ass131248us0xFE（ 0B11111110）第零位置“0”0ass081648us0xDF（ 0B11011111）第五位置“0”5N 差值延时时间（N 差值 8us）对应 “与”的值相应输出 0 的位相继变成 低电平的11双足步行机器人毕业论文3交叉足机器人行走步态设计人形机器人具有广阔的应用前景,其研制工作得到了各国的重视,近年来已取 得巨大的进展 ,但仍存在大量的理论和技术问题有待深入研究15 。如何规划机器人 步态使其稳定行走仍是人形机器人研究领域的关键技术之一。步态是在步行运动 过程中 ,机器人的各个关节在时序和空间上的一种协调关系，步态规划的目标是产 生期望步态，即产生在某个步行周期中的实现某种步态的各关节运动轨迹（期望 运动轨迹）。步态规划是机器人稳定步行的基础，也是双足步行机器人研究中的一 个关键技术。要实现和提高机器人的行走性能，必须研究实用而有效的步态规划 方法，实现机器人的稳定步行16。人类在研究人体结构之前花费了大量的时间去研究昆虫，哺乳动物的腿部移 动，甚至登山运动员在爬山时的腿部运动方式17。这些研究帮助我们更好的了解 在行走过程中发生的一切，特别是关节处的运动。比如，我们在行走的时候会移 动我们的重心，并且前后摆动双手来平衡我们的身体。这些构成了人形机器人行 走的基础方式，人形机器人和人类一样，有髋关节，膝关节和足关节。机器人中 的关节一般用 “自由度 ”来表示。一个自由度表示一个运动可以或者向上，或者向下， 或者向右，或者向左。分散在身体的不同部位，所以骨骼结构因此而生。3.1步态规划基本原则对双足步行机器人而言，理论上可供选择的步态有无数种。但是，步态规划 必须保证以下两个原则 18：1所规划的步态必须满足设定的目标。2机器人按照规划步态行走时必须始终保持自身的稳定。 同时，所规划的步态还应符合人类的行走习惯，并使控制尽可能简单。人类行走步态是几千年演化的结果，是自然界中最合理的行走方式，符合人类的行走 习惯的步态不仅能使机器人保持稳定，而且能使其所消耗的能量减少到最低程度。 此外，机器人的行走必须加以人为的控制，如果规划的步态存在控制上的困难甚 至难以实现，显然意义不大。3.2步态设计2010 年中国机器人大赛双足竞步机器人组比赛规则交叉足印项目要求: 机器 人通过步行的方式从起点线走到终点线（相距200cm，限宽 60cm）。竞赛开始时先 走出 3 步距离、立正、然后卧下、向前翻跟斗3 次，再起立、向前走出3 步距离、12双足步行机器人毕业论文21立正、然后卧下（身体向后） 、再向后翻跟斗3 次、再起立、然后以轻快步履走向 终点，参赛机器人要在4 分钟以内完成所有动作。为了符合比赛的要求，本文将整套动作的设计分成三大块，分别是前三步行 走步态的设计，翻跟斗的设计和连续行走步态的设计，其中前三步和连续行走的 设计有很多相似之处，可统一设计。另外还包括主程序和相关辅助程序的设计。3.2 1前三步步态设计近年来 , 随着双足机器人研究的兴起， 人类行走步态的特征成了仿生机械学家 研究双足机器人的一个重要依据。体育研究者和人体运动信息研究专家对人体的 运动做了大量的研究工作。他们让实验者穿上紧身衣，并在踝、膝、髋、肩、肘 等关键关节贴上亮片标志以便于识别，在实验者行走过程中，利用高速摄像机对 试验者的行走步态进行连续拍照，如图3-1 所示。通过大量实验，获得不同实验 者的行走步态连续照片，经过分析整理获得可以指导机器人步态规划的人类行走 步态数据。图 3-1人类行走步态双足机器人步态研究 6 的一个重要方法就简化出双足机器人的结构简图。由于 双足机器人的原始模型是一个高阶次、多变量、强耦合、非线性和变结构的复杂 动力学系统 19 ,要对它进行直接研究甚至是理解都很困难,因此必须在某种条件下 进行简化 ,这种简化必须具备真实性和可复原性，人类通过交替地以一条腿作为支13双足步行机器人毕业论文撑,向前摆动另一条腿 , 并伴以躯干和手臂的 运动来实现灵活的步 行运动 ,其过程和机理 是非常复杂的。 研究证 明20 :双足步行机器人 在平稳步行的条件下 ,能够实现上身躯和下肢的运动解耦,并且容易对下身躯的各个关节角实施角度 规划,因此可以利用解耦控制分别控制上身躯和下身躯的运动,并且对下身躯的各 个关节角实施轨迹规划。 因此,在分析和模拟人类的步行运动时,进行了简化 ,去掉一 些复杂的动作细节 ,重点抓住下肢的主要动作特点和要领。一个完整的行走周期分为双腿支撑阶段和单腿支撑阶段。在双腿支撑阶段,两 只脚都与地面接触 ,这个阶段开始于前脚的后跟接触地面,结束于后脚的脚尖离开 地面。单腿支撑阶段一条腿支撑身体,另外一条腿完成步行前移。在单腿支撑阶段, 一只脚固定在地面上而另一只脚从后往前摆动,步行时 ,机器人交替地进入双腿支 撑阶段和单腿支撑阶段。机器人行走过程步态解析如下：初始位置：双腿直立。 动作流程：双腿下蹲抬一腿，直立迈一腿，下蹲循环（ N 步） 迈一腿，下蹲抬一腿，直立根据人类行走姿态，经过简化修改设计出符合机器人行走的步态，设计流程图 如下：1、前三步步态设计过程图启动步态双脚站降低立状态重心重心摆 到左腿右腿向前 迈出半步重心摆到 两腿中间重心右腿向重 心重心左腿重心行走步态摆到前迈一摆 到摆到向前摆到两腿步左腿两腿迈出右腿重心停止步态摆到 右腿左 腿 向 前 迈 出 半步重 心 摆 到 两 腿 中间重心双脚升高站立图 3-2 前三步步态设计过程图14双足步行机器人毕业论文2、前三步步态设计结构简图 按照上一节的设计思路，将人类的行走的步态进一步简化，画出机器人腿部三个 关节处个各舵机的旋转角度，角度的大小均以自然行走时的姿势为准。启 动 步 态正视图第 一 步第 二 步第 三 步停 止 步 态15双足步行机器人毕业论文3、前三步程序设计流程图在前期准备的基础上， 根据舵机的旋转角度算出for循环的次数； for循环的 次数i等于舵机角度 /0.74度。例如 : 当舵机转动24 度时， for循环的次数 i=24/0.74=33，对应舵机正转时position+，反转时 position-，然后得出行走 步态的程序流程图，如下所示：站立姿态position0- ； position1+=2 ； position2+ ； position3+ ； position4-=2 ； position5- ；position0+ ； position1-=2； position2- ；position4+=2 ；position5+ ；if(i%2)=0)position5+ ；if(i%3)=0)position5+ ；position0- ； position1+=2 ； position2+ ；position1-；position4+；position1+； position3-； position4- ； position5- ；position4+=2 ； position5+ ； if(i%2)=0)position5+ ；if(i%3)=0)position4-； position0+； position1+ ； position2+ ；position1-；position4+ ；position3+ ； position4-=2 ； position5- ；position2-=7 ； 微调position1-=2 ； position2- ； if(i%2)=0)position2- ；if(i%4)=0)position2- ；position5+=5 ；position0- ； position1+=2 ； position2+ ；position1- ；position4+ ；position1+； position3-； position4- ； position5- ；position0+ ； position1-=2 ； position2- ；结束注：程序见附录16双足步行机器人毕业论文3.2 2翻跟头步态设计机器人大赛中要求机器人有翻跟头的动作，为了满足比赛要求，作者搜集了 人类翻跟头的资料（见下图） ，人类翻跟斗时动作的连贯性和柔韧性是机器人无法 比拟的，所以在在动作的设计上做了大量的改动。一、翻跟头步态设计结构简图 翻跟头的设计和前边的前三步设计思路和方法是一样的，根据人类翻跟头的相关 资料，画出机器人简化结构模型，并根据动作姿态确定个舵机的旋转角度。人类 各个关节部位经过几千年的演化，其连续性和柔韧性比机器人好的多，所以机器 人翻跟头会和人有较大的差别，本文做了大量的改进，以适合机器人的自身 要求。设计结构简图如下：17双足步行机器人毕业论文二、翻跟头程序设计流程图在前期准备的基础上， 根据舵机的旋转角度算出for循环的次数； for循环的次数 i 等于舵机角度 /0.74度。例如 : 当舵机转动 41 度时，for 循环的次数 i=41/0.74=55， 对应舵机正转时position+，反转时 position-，然后得出行走步态的程序流程 图，如下所示：开始position1-81 度position2-41 度position481度position541 度position0-80 度position380 度position248 度position5-48 度position080 度position3-80 度position1163度position4-163 度调用结束position2-15 度position515 度position1-81度position2-41度position481度position541 度position0-80 度position380 度position248度position5-48 度position080 度position3-80 度注：程序见附录18双足步行机器人毕业论文3.2.3连续前进步态设计连续行走步态设计，和前边的前三步的设计方法是一样的，只是在连续行走 的设计中没有停止步态，其余步态只是前三步的连续循环调用。故不在做重复说 明。1、 连续前进步态设计结构简图启 动 步 态正视图迈 出 右 腿迈 出 左 腿说明： 连续行走过程中左右腿交叉前进，结构简图与前边相同，故不重复呈现。2、连续行走程序设计流程图 连续行走程序设计与前边的前三步的设计方法是一样的，为了实现连续行走，在19双足步行机器人毕业论文程序中间设置了一个while（1）循环。其他的设计与3.2.1 相同故不再阐述。设计 流程图如下：站立姿态position0- ； position1+=2 ； position2+ ； position3+ ；position4-=2 ；重position5- ；复执 行position0+ ； position1-=2； position2- ；While （ 1） position4+=2 ；position5+ ；if(i%2)=0)position5+ ；if(i%3)=0)position5+ ；position0- ； position1+=2 ； position2+ ；position1-；position4+；position1-；position4+ ；position3+ ； position4-=2 ； position5- ；position2-=7 ；