兩足步行機器人

兩足步行機器人摘要：步行機器人作為一種載運工具適應地況能力強，結(jié)構(gòu)復雜，運動控制難。實現(xiàn)類人型機器人動態(tài)行走，必須對機器人進行動力學建模，研究了雙足機器人的動力學建模和仿真方法。并對影響步行機器人穩(wěn)定性能的參數(shù)進行分析，為后面機器人樣機的研制提供理論及數(shù)據(jù)依據(jù)。關(guān)鍵字：兩足步行機器人，動力學建模，仿真。Summary:Walkrobotmeetasoneapparatusoftransportconditionabilitybetter,thestructureiscomplicated,sportsaredifficulttocontrol.Therealizingtypehuman-likerobotwalksdynamically,mustcarryondynamicsmodelingtotherobot,havestudiedthedynamicsmodelingofonepairoffeetrobotandartificialmethod.Anditistoinfluencingwalklastparameterofperformancerobotitgoonanalyze,forinthebackofrobotthereseachesofprototypeofamachinelasttheoryanddatabasis.Keywords：Robotonfootoftwofeet，Dynamicsmodeling，Emulation。模仿人的形態(tài)和行為而設計制造的機器人就是仿人機器人，一般分別或同時具有仿人的四肢和頭部。中國科技大學陳小平教授介紹，機器人一般根據(jù)不同應用需求被設計成不同形狀，如運用于工業(yè)的機械臂、輪椅機器人、步行機器人等。而仿人機器人研究集機械，電子，計算機，材料，傳感器，控制技術(shù)等多門科學于一體，代表著一個國家的高科技發(fā)展水平。從機器人技術(shù)和人工智能的研究現(xiàn)狀來看，要完全實現(xiàn)高智能，高靈活性的仿人機器人還有很長的路要走，而且，人類對自身也沒有徹底地了解，這些都限制了仿人機器人的發(fā)展。仿人和高仿真是機器人發(fā)展的主要方向。從技術(shù)發(fā)展來看，人是世界上最高級的動物，以人為背景的研究就是最高的目標，并且能夠帶動相關(guān)學科的發(fā)展；而從感情層面來說，人喜歡與人相近的東西。目前各國科學家都正在積極進行仿人機器人的研發(fā)。研制與人類外觀特征類似，具有人類智能，靈活性，并能夠與人交流，不斷適應環(huán)境的仿人機器人一直是人類的夢想之一。世界上最早的仿人機器人研究組織誕生于日本，1973年，以早稻田大學加藤一郎教授為首，組成了大學和企業(yè)之間的聯(lián)合研究組織，其目的就是研究仿人機器人。加藤一郎教授突破了仿人機器人研究中最關(guān)鍵的一步兩足步行。仿人機器人是一個熱門的研究領(lǐng)域，匯集了計算機、電子、通信、自動控制、傳感器等多各領(lǐng)域的尖端技術(shù)，代表了機電一體化的最高成就。雙足機器人是仿人機器人研究的基礎，關(guān)節(jié)眾多、結(jié)構(gòu)復雜,有必要在物理樣機制造之前,建立一套虛擬原理樣機系統(tǒng)。機器人的運動描述機器人的末端執(zhí)行器在三維空間運動，可以分成兩類形式,一類是改變末端執(zhí)行器位置，而姿態(tài)不改變的運動，稱為平動特征。另一類是改變末端執(zhí)行器的姿態(tài)，但是其上至少有一點保持不變的運動,稱為轉(zhuǎn)動特征。平動特征和轉(zhuǎn)動特征分別存在3種情況，即一維運動、二維運動和三維運動。機器人的末端運動特征是定性的描述，平動特征的描述要指明平動的方向，而不需要給定平動速度的大小，因此可以采用空間自由矢量來描述。描述轉(zhuǎn)動特征時,由于轉(zhuǎn)動軸不具有滑移特性，因此必須采用空間線矢量。這些空間自由矢量和線矢量稱為機器人末端運動特征描述的控制要素兩足步行機器人坐標系統(tǒng)的建立方法對于兩足步行機器人著眼點在于分析擺動腿腳尖，尤其是在步態(tài)規(guī)劃中，往往是預先設定擺動腿腳尖的運動軌跡（包括位置和姿態(tài)）。對于平面運動型兩足步行機器人，目前通常的做法是取各桿件軸線與鉛垂方向的夾角作為關(guān)節(jié)變量，并規(guī)定順時鐘方向的轉(zhuǎn)角為正“因為此型機器人較為簡單，只能在一個平面內(nèi)運動，所有關(guān)節(jié)的軸線始終垂直于運動平面，位置變量只有兩個，姿態(tài)變量僅一個。用桿件軸線與鉛垂方向的夾角作為關(guān)節(jié)變量完全能表示出擺動腿腳尖的位置和姿態(tài)以及在運動學模型中的所有其它變量（如桿件的質(zhì)心位置等）但對于空閫運動型兩足步行機器人，不僅可以在任一平面內(nèi)行走（包括前進后退、上下樓梯及走斜坡等），而且由于其具有轉(zhuǎn)彎功能，使運動空間由二維擴大到三維；所以在這種情況下，為丁確定擺動腿腳尖和各桿件質(zhì)心的位置，就需要知道x、y、z：三個位置變量，而為了確定擺動腿腳尖的姿態(tài)，還必須知道歐拉角、0、三個姿態(tài)變量此時，如果仍采用平面型兩足步行機器人的方法來定義關(guān)節(jié)變量，不僅無法直觀、明了地導出運動學模型，而且各關(guān)節(jié)上關(guān)節(jié)變量的定義也不能統(tǒng)一（指轉(zhuǎn)彎關(guān)節(jié)、側(cè)擺關(guān)節(jié)，其關(guān)節(jié)變量的定義無法和前擺關(guān)節(jié)統(tǒng)一）。有關(guān)空間型兩足步行機器人關(guān)節(jié)變量的定義，本文沿『工業(yè)機械手的方法，采用Denavit一Hartenbe疆理論來定義，一是因為在單腿支撐時，兩足步行機器人處于開鏈狀態(tài)，實質(zhì)上就類似于一個工業(yè)機械手；二是因為采用這種理論能達到使各關(guān)節(jié)變量的定義得到統(tǒng)一的目的；三是因為由此導出的運動學模型直觀、合理。若固定轉(zhuǎn)彎和側(cè)擺關(guān)節(jié)，空間型兩足步行機器人就轉(zhuǎn)化為平面型兩足步行機器人。此時，采用Denavit一Hartenberg理論定義的關(guān)節(jié)變量，本質(zhì)上即桿件軸線與鉛垂方向的夾角因此，前述關(guān)于平面型兩足步行機器人關(guān)節(jié)變量的定義方法，實質(zhì)上就是Denavlt一Hartenbe理論在平面型兩足步行機器人中的一個應用特例。Denavit一Hartenberg理論也是建立兩足步行機器人的坐標系統(tǒng)和定義其關(guān)節(jié)變量的一般方法兩足步行機器人的仿真作為人類與大多數(shù)動物所具有的移動方式，步行有著極高的靈活性和適應能力，但同時也是最復雜,最難于控制的.為了能夠在計算機上方便地修改設計上的缺陷,對不同的設計方案進行仿真試驗,分析評估系統(tǒng)的性能.因此，基于虛擬樣機技術(shù)的仿真已經(jīng)成為機器人步行規(guī)劃、重要參數(shù)設計、降低成本的重要手段之一。機器人系統(tǒng)仿真【simulationforrobotsystem】：通過計算機對實際的機器人系統(tǒng)進行模擬。機器人系統(tǒng)仿真可以通過單機或多臺機器人組成的工作站或生產(chǎn)線。仿真可以通過交互式計算機圖形技術(shù)和機器人學理論等，在計算機中生成機器人的幾何圖形，并對其進行三維顯示，用來確定機器人的本體及工作環(huán)境的動態(tài)變化過程。通過系統(tǒng)仿真，可以在制造單機與生產(chǎn)線之前模擬出實物，縮短生產(chǎn)工期，可以避免不必要的返工。在使用的軟件中，工作站級的仿真軟件功能較全，實時性高且真實性強，可以產(chǎn)生近似真實的仿真畫面；而微機級仿真軟件隨實

時性和真實性不高，但具有通用性強、使用方便等優(yōu)點。目前機器人系統(tǒng)仿真所存在的主要問題是仿真造型與實際產(chǎn)品之間存在誤差，需要進一步的研究解決（摘自百度百科）。對于兩足步行機器人，整個仿真過程首先得根據(jù)人體結(jié)構(gòu)比例給出了雙足機器人機構(gòu)設計方案，主要包括髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)和腳部的設計。為了使所設計的機器人能夠模擬人的動作，參考人的各個關(guān)節(jié)運動范圍，定義了機器人各個關(guān)節(jié)角的運動范圍。其次，由于仿人機器人大部分的重量集中在上半身，因此可以把機器人看作是一個倒立擺，根據(jù)機器人的結(jié)構(gòu)特點，對機器人采用倒立擺原理進行了離線的步態(tài)規(guī)劃,并通過ZMP判定準則驗證了步態(tài)的穩(wěn)定性。再次,利用動力學仿真軟件ADAMS建立了雙足機器人的虛擬樣機，利用Matlab中的Simulink工具箱建立了機器人的控制系統(tǒng)，通過ADAMS/Controls接口模塊實現(xiàn)了兩者的聯(lián)合仿真，驗證了步態(tài)規(guī)劃、控制算法的有效性，并得到了機器人在步行過程中各個關(guān)節(jié)的力矩變化曲線，為選擇電機、減速器等部件提供了依據(jù)。最后，搭建了雙足機器人的實驗平臺，并在上面進行了單關(guān)節(jié)調(diào)試、多關(guān)節(jié)調(diào)試、下地步行與其它規(guī)劃動作調(diào)試等實驗，實驗中機器人各關(guān)節(jié)達到了較高的伺服精度,整體運行協(xié)調(diào)、平穩(wěn)，取得了良好的實驗效果,并對試驗結(jié)果進行分析并給出了系統(tǒng)存在的不足和改進意見。結(jié)論與研究本文主要介紹了兩足步行機器人的一些比較基礎的知識和一些發(fā)展和簡