双足竞步机器人技术总结报告

第一篇：双足竞步机器人技术总结报告

编制单位：侏罗纪工作室作 者：侯兆栋 版 本：V0.1 发布日期：2010-8-20 审 核 人： 批 准 人：

双足竞步机器人技术总结报告

• 引言

2010年中国机器人大赛已经结束，回顾整个比赛及赛前调试过程，我们遇到了很多问题，下面就将我们遇到的问题做一分析和总结，并提出改进方案，对我们以后的工作有所帮助。

• 遇到的问题及原因分析

• 机器人稳定性不好

机器人在走路的过程中不稳，比较晃。造成此问题的原因有两个： 1.机器人高度过高。

由于我们用成型的U型套件，套件高度是固定的，我们必须将腿做成一定的高度才能保证腰翻下去不压脚；下面两个套件决定了腰的高度，所以总体下来我们的机器人高度比较高，导致机器人重心比较高，平衡性不好，造成不稳定。2.步态设计不合理。

在动作上需要6个舵机同时配合，要做到很协调，还是很有难度的，某个舵机的角度，速度都会对整个机器人的行走造成影响，这也是造成机器人走路不稳定的原因。• 舵机控制问题

舵机控制原理

控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路，产生周期为 20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。

电源线和地线用于提供舵机内部的直流电机和控制线路所需的能源．电压通常介于4～6V，一般取5V。注意，给舵机供电电源应能提供足够的功率。

控制线的输入是一个宽度可调的周期性方波脉冲信号，方波脉冲信号的周期为20 ms(即频率为50 Hz)。当方波的脉冲宽度改变时，舵机转轴的角度发生改变，角度变化与脉冲宽度的变化成正比。

• 上电机器人乱动

问题在于上电程序初始化时，没有给出一个确定的值来产生一个确定的脉冲，脉冲给舵机后，舵机状态不定，就出现了乱动的现象。• 舵机抖动

在调试过程中，舵机出现抖舵的问题，主要原因有：

1、控制板供电电源电压不足

控制板供电电源电压不足，引起芯片电源电压不稳定，导致输出脉冲抖动，测得当供电电压降低到5V以下经过78M05稳压，再经过ASM1117稳压后，输出脉冲高电平电压再2.5V左右，是一不可靠的高电平，输入舵机控制电路后，输出的直流偏置电压不准确，导致舵机抖动。

2、脉冲精度不够

很多舵机的位置等级有1024个，如果舵机的有效角度范围为180度的话，其控制的角度精度是可以达到180/1024度，约0.18度，从时间上看其实要求的脉宽控制精度为2000/1024us，约2us。

此次为节省芯片资源，先将时钟进行一次分频，再拿分频产生的时钟来控制脉冲的时基计数器和步进计数器，这样，每个计数器的计数值变小，节省了一定的资源，但在控制精度上有所下降，控制板产生的脉冲精度为：

脉冲时基计数值为：1600；步进计数值为：1或2； 则： 脉冲精度为1/1600 * 20 ms = 12.5 us 与舵机的要求精度相差很大，由于模拟舵机的无反应区比较大，当以较低精度的脉冲来控制舵机时，在某个时刻舵机状态不定就会出现抖舵现象。

• 烧电路板

电路板原理图如下：

此原理图比较简单，没有什么原理性的东西，也没有做隔离和保护，电源模块有两路供电，一路经过开关后直接给舵机供电，另一路经过两级稳压输出3.3V电压，满足EPM1270的供电需求；复位是直接通过一电阻拉到地上，进行低电平复位；时钟模块是一有源晶振，接上电源后就可以起振；其他都是接口。

在调试过程中，有一段时间，老烧电路板，每次烧的都是CPLD芯片，从CPLD手册上查得：

芯片3.3V供电时，I/O口的单端输出电压为3.3V

3.3V供电时，输出高电平电流为16mA，输出低电平电流为8 mA;由以上资料分析，烧板子的原因可能是： 1.电平不匹配。

CPLD输出电平电压为3.3V，而舵机需要的为TTL电平，由于外部再没有加驱动电路，这样CPLD的I/O端口驱动能力有限，当同时有几个舵机转时或者舵机转的角度比较大时负载过重，导致CPLD烧坏。

2.电流回流和尖峰脉冲

舵机中有一直流电机，当直流电机转的时候，自身也会产生电流，若多个舵机同时转，且转的角度比较大时，各舵机自身产生的电流汇集到一起应该是表较大的，若电流倒流入电路板，电路板可能因电流过大而烧坏；另一点就是尖峰脉冲，舵机在转的过程中若产生尖峰脉冲，倒灌入电路板也可能因电流过大而烧坏芯片。

这应该是此次电路板烧的主要原因。3.电路板制作工艺

在刻PCB板时，板子阻焊做的不好，在焊接的过程中，容易在电路板上留下焊锡渣，如果掉入芯片两引脚之间，也可能引起短路，导致电路板烧坏。• 解决方案

• 机器人稳定性解决方案

结构

对机器人整体结构应该在现有基础上加以改进，比如在机器人高度上，以及腰部；对于U型套件，自己做，用AutoCAD设计出机器人结构图、套件图，拿到机床去加工，这样能保证套件精度，和结构的合理性，将机器人结构对研究带来的影响减到最小。• 步态设计

对机器人走路的步态进行更合理的设计，保证走路过程中的平稳。

• 舵机控制解决方案

上电乱动

在上电程序初始化时应该给舵机一个确定的脉冲，而且此状态持续时间应稍长，问题就会得到解决。• 舵机抖动

首先，保证电源电量充足，电压保持稳定，给芯片一个稳定的电压，保证输出脉冲的稳定性；其次，增加脉冲精度，即脉冲宽度的步进不要太大，这样既能精确的控制舵机，又能避免舵机的抖动；另外，可以在后端加一脉冲整形电路，可以滤除毛刺等脉冲。

• 电路板解决方案

电平不匹配问题。

对于此问题，可在后端加一电平转换芯片，增强驱动能力，保证I/O口有足够的能力来驱动舵机。• 电流回流和尖峰脉冲

方案一：加电容吸收

在舵机前端加一电容来吸收尖峰脉冲，但此方法经过实际验证不可行。加电容后，从I/O口输出的脉冲被电容吸收了，舵机不转。

方案二：光电隔离 + 整形

为了防止干扰,舵机控制信号和驱动电路应光耦光电隔离, 将信号隔开，避免舵机转动对控制板的影响。

通过隔离出来的控制信号, 还必须经过整形以消除毛刺, 增加信号的稳定性, 提高信号的输出电流。整形可采用施密特触发器，施密特触发器是脉冲波形变换中经常使用的一种电路，它是具有滞后特性的数字传输门，且受电源限制，可对输入波形进行变换和整形；另外，还可以采用通过比较器整形的方法来消除毛刺比如用LM324，LM393等。• 电路板制作工艺

在今后做板的时候应该加强阻焊和助焊这两道工序，能保证焊接时不出现板子上有杂物而导致短路的情况；在板子焊好后，在引脚密集的芯片处采取一些措施，如涂上硅胶或者蜡，以防短路。

• 总结

本文针对此次比赛中出现的问题，进行原因分析，并提出解决办法，为以后的研究提供一个参考。针对出现的问题，具体解决方案需在今后的研究中结合实际情况来确定。

第二篇：双足步行机器人相关翻译

本科毕业论文

外文文献及译文

文献、资料题目：Walking Control algorithm of

Biped Humanoid Robot

文献、资料来源：期刊

文献、资料发表（出版）日期：1999.6.3 院（部）： 理学院

专

业： 光信息科学与技术 班

级： 光信112 姓

名： 王若宇 学

号： 2011121135 指导教师： 赵俊卿 翻译日期： 2015.5.14

山东建筑大学毕业论文外文文献及翻译

外文文献：

Walking Control algorithm of Biped Humanoid Robot

Many studies on biped walking robots have been performed since 1970 [1-4].During that period, biped walking robots have transformed into biped humanoid robots through the technological development.Furthermore, the biped humanoid robot has become a one of representative research topics in the intelligent robot research society.Many researchers anticipate that the humanoid robot industry will be the industry leader of the 21st century and we eventually enter an era of one robot in every home.The strong focus on biped humanoid robots stems from a long-standing desire for human-like robots.Furthermore, a human-like appearance is desirable for coexistence in a human-robot society.However, while it is not hard to develop a human-like biped robot platform, the realization of stable biped robot walking poses a considerable challenge.This is because of a lack of understanding on how humans walk stably.Furthermore, biped walking is an unstable successive motion of a single support phase.Early biped walking of robots involved static walking with a very low walking speed [5,6].The step time was over 10 seconds per step and the balance control strategy was performed through the use of COG(Center Of Gravity).Hereby the projected point of COG onto the ground always falls within the supporting polygon that is made by two feet.During the static walking, the robot can stop the walking motion any time without falling down.The disadvantage of static walking is that the motion is too slow and wide for shifting the COG.Researchers thus began to focus on dynamic walking of biped robots [7-9].It is fast walking with a speed of less than 1 second per step.If the dynamic balance can be maintained, dynamic walking is smoother and more active even when using small body motions.However, if the inertial forces generated from the acceleration of the robot body are not suitably controlled, a biped robot easily falls down.In addition, during dynamic walking, a biped robot may falls down from disturbances and cannot stop the walking motion suddenly.Hence, the notion of ZMP(Zero Moment Point)

第三篇：机器人总结报告

机器人总结报告

各位老师、各位同学：

大家晚上好！

首先真诚的感谢孙老师和鲍老师给我提供这次很好的机会，我很高兴也很荣幸的能够在此与大家共同交流，共同学习。下面我就机器人的整个制作过程给大家简单的介绍一下：

下面是提纲：

首先给机器人做简单的分类然后再从下面两个方面介绍：

一、硬件：

（1）、从大一接手焊接任务引入，强调实践动手能力对制作机器人的重要性。

（2）、在家电维修队中经过系统的学习对机器人实现提供了保障，并由此引入机器人制作的工作重心是前期的总体规划。

二、软件：

（1）、从机器人的控制部分单片机引入，首先对单片机做简单的介绍，为什么学习单片机，以及其用途。

（2）通过单片机的学习总结下自己的学习经历。

（3）最后由单片机引入程序设计，简单介绍机器人的软件实现方法。

三、做一下概括性的总结，并对新生提出建议。

第四篇：信电学院六足机器人技术报告（最终版）

机器人大赛

技术报告

项目名称：六足机器人 队伍名称： 参赛队员：韩亮

赵迅恒

曹嘉

翟周林

刘晓

带队教师：

第一章 前 言

机器人竞赛是一项体育与高科技结合的对抗项目，涉 及机械电子、智 能控制、计算机技术、人工智能等多种学科和研究领域，是培养信息、自动化科技人才，展示高科技成果，促进实用化和产业化的新途径。各类机器人大赛的举办，对于普及机器人科学技术，促 进人工智能与机器人技术的研究和应用都将产生重要推动作用。

江苏省大学生机器人大赛每两年举行一次。继2004 年举办以来，经过近四年的努力和各方面的大力支持，江苏省的大学生机器人水平已走在全国前列，在中国机器人大赛、CCTV 杯电视机器人大赛、亚太机器人挑战赛、ROBOTCUP 足球世界杯的国内外机器人大赛中屡创佳绩。

我校高度重视在大学生中大力开展创新实践教育，鼓 励学生参与各类科技创新活动，其中机器人制作水平高，特点突出，比赛开展得如火如荼，学生在参加全国、行业协会等各项机器人赛事中，取得了不俗成绩：2003 年参加“马斯特杯”中国机器人大赛的舞蹈机器人和机器人游北京项目，获得二等奖1 项、三等奖2 项；在 第四届全国智能机器人大赛中获得 2 项二等奖；在 “ 动感地带杯”2 004年江苏省大学生机器人大赛中，获 冠军1 项，鼓 励奖2 项；在 “ 新科导航杯”2 005年中国机器人大赛中，我校参赛的5 个机器人全部获奖，夺得舞蹈组冠军、类人组季军，获得舞蹈组一、二、三等奖各 1 项，类人组三等奖 2 项。2005 年 5 月中央电视台《异想天开》栏目以我校机器人大赛为背景，摄制了五集专题节目。在2007“银泉杯”中国机器人大赛中，我校26 支代表队在比赛中再获佳绩，共获得一等奖5 项、二等奖 4 项、三等奖 9 项。月31 日上午，2008’“百年矿大杯”第三届江苏省大学生机器人大赛在我校隆重开幕。江苏省教育厅高教处副处长经贵宝，江苏省科学技术协会科普部部长李树奎，江苏省科学技术协会学会部部长王安宁，中国自动化学会机器人竞赛工作委员会主任孙增圻，江苏省自动化学会秘书长叶桦，我校校长葛世荣、副校长宋学锋，徐州师范大学副校长韩宝平，本次大赛组委会、技术委员会、仲裁委员会、裁判委员会的部分委员等出席了开幕式并在主席台就座。各参赛队的领队老师和学生参加了开幕式。开幕式由我校信电学院院长马小平主持。

开幕式开始之前，全体起立，向四川汶川地震中遇难的同胞默哀1 分钟。开幕式上，副校长宋学锋首先致欢迎辞。他简单介绍了我校的发展历史及取得的突出成就。他指出，多年来，我校对培养具有创新精神和能力的高素质人才始终给予了高度重视，切实加强创新教育，特别注重机械电子、智能控制、计算机技术、人工智能等相关学科的建设以及教育教学工作。近几年来，我校本科生共有1500 余人次获得省级以上科技竞赛奖励1000 多项，大 学生累计获得专利授权 110 余项，先后有 11 篇博士论文入选全国百篇优秀博士论文。他表示，作为本次大学生机器人大赛的承办高校，我们将努力为参赛队员提供良好的比赛、生活条件，学校各有关部门和单位要同心协力，全力支持和配合大赛组委会、技术委员会和仲裁委员会，全 力以赴做好大赛的组织工作，保 证大赛的顺利有序进行，努力把本届大赛办成有水平、有特色、有影响的一届大赛。

省教育厅高教处副处长经贵宝致辞。他说，本次机器人大赛是我省人工智能研究和应用领域交流的一次盛会，也是面向全省高校和研究机构规模最大、水平最高的机器人赛事。机器人大赛是一个非常好的平台，省教育厅非常重视大学生的竞赛，将其作为培养高素质创新人才的试验田，作为深化教学改革的突破口，作为加快人才培养模式创新的助推器。大赛是培养大学生工程素养、创新实践能力、团队协作精神和展示才华的舞台；大赛可以激发学生探索求知的兴趣，提高学生学习的积极性、主动性和创造性；大赛也是老师提升自我的一个平台。他希望把本届大赛办成有水平、有特色、有影响的一届大赛；希望各参赛队员沉着迎战、相互学习，遵守规则、尊重裁判，赛出水平、赛出风格；希望广大裁判员同志和仲裁委员会恪守“公正、公平、公开”的原则，确保大赛的严肃性。

中国人工智能学会副理事长，中国自动化学会机器人竞赛工作委员会主任孙增圻致辞。他真诚地希望机器人竞赛不仅仅是一场比赛，而是通过比赛要更好地建立起高校创新与国家发展的桥梁，进 一步提升青少年的创新能力与发明精神，为国家经济和社会发展奉献力量。他强调指出，本届机器人大赛得到了江苏省教育厅、省科技协会及省自动化协会及中国矿业大学领导的高度重视，经过一年多的精心筹备，广泛宣传动员，参赛学校、人数和作品数量、质量等较前两届均取得了很大的突破，为大赛的顺利举行奠定了良好的基础。随后，参赛选手代表、裁判代表分别代表参赛队员和全体裁判员进行了宣誓。

在热烈的掌声中，我校校长葛世荣宣布：2008“百年矿大”杯第三届江苏省大学生机器人大赛开始。

此次机器人大赛由江苏省教育厅和江苏省科学技术协会主办、江苏省自动化学会和中国矿业大学承办，为期 2 天。全省共有 50 所高校的 278 支代表队报名参赛，领队和教师200 余人，参赛学生达到833 人，大赛规模远远超过了前两届大赛。此次比赛项目主要包括 RoboCup 足球机器人比赛、FIRA 足球机器人比赛、舞蹈机器人比赛、机器人灭火比赛、机器人游江苏比赛、机器人分拣搬运比赛和机器人自主创新设计比赛。其中 RoboCup 足球机器人比赛包括 RoboCup仿真机器人11：1 1 2D 足球比赛、R oboCup 仿真机器人2：2 3D 足球比赛、R oboCup中型机器人1：1 足球比赛、RoboCup 中型机器人2：2 足球比赛、RoboCup 中型机器人4：4 足球比赛和RoboCup 类人组机器人2：2 足球比赛等 6 组比赛；F IRA足球机器人比赛包括小型组和中型组2 类比赛。此外，在此次大赛期间，中国矿业大学还将邀请国内外知名学者和专家

为参赛师生举办4 场以机器人技术的研发和应用为主题的机器人论坛，邀 请江苏省各高校自动化专业的院长、科 研机构的负责人举办以自动化学科的发展为主题的第二届江苏省自动化院长（主任）论坛。

第二章 方案论证 六足机器人整体有控制模块，腿部组件，关节处舵机卡口组件以及身躯组建构成。

经过组内数次商讨研究，为较好的实现各模块的功能，我们分别设计了几种方案并分别进行了论证。2.1 舵机控制器模块

采用Atmel公司的Atmaga16L单片机作为主控制器。Atmage16有如下特点：16K字节的系统内可编程Flash(具有同时读写的能力，即RWW)，512 字节EEPROM，1K 字节SRAM，32 个通用I/O 口线，32 个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG 接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/ 计数器(T/C),片内/外中断，可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP 封装)的ADC，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI 串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。且mega系列的单片机可以在线编程、调试，方便地实现程序的下载与整机的调试产品特性。

• 高性能、低功耗的 8 位AVR® 微处理器 • 先进的RISC 结构

– 131 条指令 – 大多数指令执行时间为单个时钟周期 – 32个8 位通用工作寄存器 – 全静态工作

– 工作于16 MHz 时性能高达16 MIPS – 只需两个时钟周期的硬件乘法器 • 非易失性程序和数据存储器 – 16K 字节的系统内可编程Flash 擦写寿命: 10,000 次

– 具有独立锁定位的可选Boot 代码区 通过片上Boot 程序实现系统内编程 真正的同时读写操作 – 512 字节的EEPROM 擦写寿命: 100,000 次 – 1K字节的片内SRAM – 可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密 • JTAG 接口(与IEEE 1149.1 标准兼容)– 符合JTAG 标准的边界扫描功能 – 支持扩展的片内调试功能

– 通过JTAG 接口实现对Flash、EEPROM、熔丝位和锁定位的编程 • 外设特点

– 两个具有独立预分频器和比较器功能的8 位定时器/ 计数器 – 一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16 位定时器/ 计数器 – 具有独立振荡器的实时计数器RTC – 四通道PWM – 8路10 位ADC 8 个单端通道 TQFP 封装的7 个差分通道 个具有可编程增益（1x, 10x, 或200x）的差分通道 – 面向字节的两线接口 – 两个可编程的串行USART – 可工作于主机/ 从机模式的SPI 串行接口 – 具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器 – 片内模拟比较器 • 特殊的处理器特点

– 上电复位以及可编程的掉电检测 – 片内经过标定的RC 振荡器 – 片内/ 片外中断源

– 6种睡眠模式: 空闲模式、ADC 噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、Standby 模式以及 扩展的Standby 模式 • I/O 和封装

– 32 个可编程的I/O 口

– 40引脚PDIP 封装, 44 引脚TQFP 封装, 与44 引脚MLF 封装 • 工作电压: – ATmega16L：2.7 5.5V – ATmega16：4.5 5.5V • 速度等级 – 0 8 MHz ATmega16L – 0 16 MHz ATmega16 • ATmega16L 在1 MHz, 3V, 25°C 时的功耗 – 正常模式: 1.1 mA – 空闲模式: 0.35 mA – 掉电模式: < 1 μA

本来考虑过51单片机，但是由于其开发工具和单片机性能都不及AVR，所以就选

用了AVR系列。至于ARM和其他类型的更好的MCU，由于AVR已经足够处理，所以也未考虑。

2.2 腿部组件

六足机器人的腿部从构造上决定了机器人整体的外观效果和动作灵活度。其选用的材料也决定着机器人的平衡稳定性能。可谓六足机器人的灵魂所在。我们考虑过一下两种方案作为机器人的腿部构造设想。

方案1：采用3mm厚的铝板，以手工加工的方式制作如下图所示，有弧度的足部。中间留有卡槽配合卡口置放舵机。

其CAD三维示意图如下图所示：

经实施该方案后，我们发现，该种方案选取的材料硬度不足，立地点尖锐细小。会出现某一只足部发生弯曲的现象。并且会产生舵机剧烈颤抖现象。因此我们放弃了该方案。

方案2：吸收前一版失败的经验后，我们设计了以下腿部方案：采用8mm厚的有机塑料板。使用玻璃切割机处理成为以下形状：

其CAD三维示意图如下图所示：

最终我们采取该设计方案为最终方案。原因是：材料厚度及硬度足够，可以有效地避免舵机颤抖及材料弯曲情况的发生。多出的一部分几何设计更便于设想的舞蹈动作的实现。足部造型更加美观。

2.3 关节舵机卡口组件

关节舵机卡口的作用是通过连接两个舵机从而连接机器人的身体和足部，是该六足机器人中非常重要的一个部件。卡口的牢固与否决定了机器人的稳定性能，因此对其设计也有很高的要求。对此，我们设计了以下两种方案：

方案一：其CAD图如下所示：

此卡口用2mm厚的铝板制作而成，连接两个420舵机，但是其中一个舵机的扭力不足，完成不了预先设计的动作，而且也不能够很牢固地固定好舵机，所以我们放弃了该方案。

方案二：其CAD图如下所示：

根据改进方案，我们用扭力更强的7955舵机替换了其中一个420舵机，所以卡口也在原有的基础上做了些改进，如上所示，其最大的改进就是在下面加了一块T形有机塑料板，该有机塑料板的作用有以下两点：1，支撑并连接上面的两个舵机，使它们更加的稳固，不易产生晃动；2，起到为7955舵机添加虚轴的作用。由于7955舵机没有虚轴，因此我们根据420舵机虚轴的特点，在有机塑料板上做了以下处理，通过一个正六棱柱和圆柱的形状凿空有机板的一端，如下CAD图所示：

在凿空的六棱柱形状中放入同等大小的螺帽，螺丝通过下方的圆柱形空洞螺入，从而具有了420舵机虚轴的特点。加入7955舵机的整体效果图如下所示：

2.4 身躯组件

机器人主体的作用是置放舵机控制模块以及稳固各足部舵机。我们讨论过以下三种方案：

方案一：圆形身体，圆形的好处是有高度的对称性。但缺点是视觉效果不好，卡口设计繁琐。此外，圆形的身体更为沉重，不利于机器人的灵活度。因此我们放弃了该方案。

方案二：正六边形的身体，正六边形身体的也具有圆形的高度对称性的特点，并且比较美观，缺点是没有足够的余地来设计与舵机相切合的卡口。方案三：在综合考虑方案一与方案二后，我们决定采用以下方案，如图所示：在正六边形的基础上给六个顶点添加突出的构造，目的是未来使舵机有足够的余地进行与卡口连结。事实证明，这种方案是极为正确的。

参考文献：

[1]邵贝贝 著.单片机嵌入式应用的在线开发方法.北京：清华大学出版社，2004.10 [2]张崇巍 李汉强.运动控制系统.武汉：武汉理工大学出版社，2002 [3]肖玲妮、袁增贵编著.Protel 99SE 印刷电路板设计教程.北京：清华大学出版社，2004 [4]吴守箴、藏英杰著.电气传动的脉宽调制控制技术.北京：机械工业出版社，1997 [5]杨国田著.摩托罗拉68HC12 系列微控制器原理、应用与开发技术.北京：中国电力出版社，2003.9 [6]王仲生著.智能检测与控制技术.北京：西北工业大学出版社，2002 [7]秦曾煌.电工学，上下册.北京：高等教育出版社，1998 [8]MC9S12DT128 Device User Guide V01.09.Motorola,Inc.2003 [9]欧阳慧平，戴文进．一种新型转速检测方法．微特电机，2004，6：47 [10]李贺桥，杨怀栋，黄战华，彭志强．光电开关位置编码测控技术及其应用．光电工程，2002，1（29）：28-41 [11]Low power

dual

voltage

comparator.Philips Semiconductors.1995 Nov 27 [12]DATASHEET:MC9S12DT128PWM_MODELUSERGUIDE.V01.09.MOTOROLA,Inc.2003 [13]胡广.基于 DSP 的足球机器人设计与开发[D].中南大学 [14]余志平.基于 DSP 的永磁无刷直流电动机无传感器控制系统的研究[D].西安理工大学，2001 [15]王福瑞等.单片微机测控系统设计大全.北京：北京航空航天大学出版社，1999 [16]孙增圻.系统分析与控制[M].清华大学出版社，1994 [17]孙涵芳主编.Intel 16 位单片机.北京航空航天大学出版社，1995

第五篇：【外文翻译】双足机器人上楼梯的步态规划

双足机器人上楼梯的步态规划

Zhang Qin, Fan Chang-xiang and Yao Tao School of Mechanical and Automotive Engineering

South China University of Technology Guang zhou, Guangdong Province, China

zhangqin@scut.edu.cn

Yoshitsugu Kamiya Department of Mechanical Systems Engineering

Kanazawa University Kanazawa, Japan

kamiya@t.kanazawa-u.ac.jp

【摘要】上楼梯是双足机器人的一种基本动作。一个有效的算法对双足步行的稳定性是至关重要的。在本文中，我们以双足机器人爬楼梯为例，提出一个基于重复变换法（RDK）的算法来规划上楼梯动作和前向运动。在本文提出的算法中，为了满足上楼梯的稳定性，机器人通过上身来调整质心的位置，并且由重复变换法（RDK）进行计算和修正。重复变换法的作用是有保证性的，其可行性和有效性已经通过双足机器人上楼梯仿真实验的验证；而本文提出的算法也适用于双足机器人下楼梯。

【索引词】双足机器人；上楼梯；重复变换法；重心运动；

1.介绍

双足机器人和人类一样拥有多自由度的特点，每一个关节可以通过巧妙的组合从而可以完成各种动作。而且双足机器人对环境具有良好的适应性，并能进入相对狭窄空间替代人类执行各种操作，所以它们具有广阔的应用前景。上下楼梯只是双足机器人具有的基本功能。而建立机器人的运动学模型，分析其上下楼梯的过程，并研究其步态规划方法，是实现双足机器人稳定的步态非常重要的保证。

一些目前的研究成果已经计算出双足机器人的上下楼梯的步态规划。如Yusuke Sugahara以及其他人提出通过调整腰部关节的角度和预先设置的零点力矩（ZMP）轨迹来设计机器人的步态规划方法爬楼梯。而Jeon以及其他人通过四项多项式计算关节的运动轨迹，并优化的机器人上下楼所需的最小能耗，实现机器人上楼梯的步态规划。Eun-Su等人则通过优化多项式参数与动态加密算法和自适应遗传算法，并且结合低阶多项式来计算各关节的运动轨迹，最后研究轴承扭矩和能源消耗和ZMP，直至机器人能稳定上下楼梯从而规划机器人的上楼梯轨迹。Song Xian-xi等学者利用踝关节的运动轨迹，并调整踝关节的旋转角与利用模糊控制算法使ZMP的位置接近支撑区域的中心，实现机器人稳定上楼梯的步态规划。除此之外，其他一些国际和国内学者也做了相关研究关于双足机器人的上下楼梯或上下斜坡的步态规划。上面的算法主要是基于关节轨迹的预先计算，然后通过模糊控制算法或遗传算法优化步态等，这些算法相当复杂，因为计算量是非常巨大的，而且处理时间非常长。

本文在分析双足机器人动作的基础上，提出一个基于重复变换法（RDK）的新算法来规划攀爬动作和前向运动。算法的核心主要是通过腰部关节的运动来调整重心位置，以满足重心位置变化的需求，规划机器人能稳定地上楼梯且不让机器人摔倒的步态。

2.仿真模型的建立

双足机器人的仿真模型如图1所示。

图1 双足机器人的仿真模型

图1中的模型有 6个自由度。分别是每条腿有3个自由度，右腿包括踝关节JR1，膝关节JR2，髋关节JR3。而左腿包括踝关节JL1，膝关节JL2和髋关节JL3。腰关节是两个自由度的球形关节。J7能够使腰部关节向前和向后旋转，而J8能够使腰部关节左右摆动。根据资料分析，一个普通人的的质量75%都是集中于腰部的，所以我们可以忽略身体下部的质量，而在建立模型时可以令机器人的腰部位置设为重心点c建立坐标系，并简化机器人的上半身。假设每个关节的顺时针旋转为负方向，而逆时针旋转方向为正方向。接着我们可以忽略动力学的影响，只考虑机器人上楼梯的静态步行的过程。

通过静力学的公式，我们可以得到重心的投影坐标是:

在公式中，θ7是腰部关节向前和向后旋转的角度，而θ8是腰部关节左右旋转的角度。鉴于FL和FR在地面上的支撑力分别作用于机器人的左、右脚，所以我们得出:

在公式中g是重力加速度，M的质量重心，Lw是左脚和右脚之间的横向距离。在机器人上楼梯的过程中，首先应该保证机器人不会摔倒，所以当它双脚支撑全身时，ZMP应该时刻保持在两脚之间的区域，也就是说F = min（FR，FL）> 0。机器人一只脚支撑时，ZMP应该保持在支撑区域，也就是说，FL > 0或FR > 0。当机器人一只脚支撑整体时，支撑脚的中心是最稳定的支点，坐标设为B（x0，y0），为了表达机器人的稳定度，机器人ZMP和B点之间的距离关系，公式是:

3.上楼梯的步态分析

机器人上楼梯的动作可以分解为以下步骤:首先机器人从两脚的中间移动ZMP到支撑脚（右脚）;然后当重心完全转移到右脚时，弯曲左腿并向前移动；第三重心逐渐从右脚移动向左脚，最后重心完全转移到左脚时，机器人弯曲左腿和伸直腰部上楼梯。然后机器人的右脚重复上述流程从而完成整个操作。在上述过程中，机器人的重心点C在地面上的投影如（1）所示，和运动的重心是图2所示:

图2 机器人的重心轨迹，在图中重心的初始位置是，重心移动是

A基于重复变换法（RDK）算法的重心移动

调整机器人的重心位置使其上部的身体满足ZMP的约束要求，而身体上半身的重心基于重复变换法算法实现。机器人上楼梯的过程中，可以通过旋转腰部关节的自由度θ7θ8来计算机器人的9个姿态。由于腰部关节有限制的旋转范围，根据（1）机器人的重心位置C投影在地上计算相应的每个姿势和根据（2）分别计算左脚和右脚的支撑力FL和FR。重复这种方式，直到机器人完成其重心的运动。详细算法描述如下:（1）设置机器人的腰部关节旋转范围（θimin，θimax）和初始角度θi（i = 1、2、3、7、8）。

（2）给定腰部关节两个旋转方向的旋转角度（-θi，0，+θi）（i = 7、8），并计算32个步态和相应的正运动学方程。

（3）在计算出的32个动作中，限定机器人不会摔倒的条件下，然后挑出符合要求的动作，并增加支撑力。如果上面的要求并不存在，也就是说支撑脚的反作用力或FR小于0，那么这意味着目标任务不能完成。

（4）通过（3）得出在每个符合要求的姿势中，设ZMP到最稳定的支点距离l，并选择最低值lmin是机器人的步态。然后再回到（2）。

不断重复上述过程并更改腰部关节的步态。根据优化条件规划ZMP运动轨迹，使机器人本身不摔倒且满足需求，使其最稳定地上楼梯。

B上楼梯的步态规划算法

由于机器人的重心在两脚中间，根据该算法机器人的总重心转移到支撑脚（右脚），并抬高另一只脚（左脚）时，机器人的重心保持在前向（右脚），我们可以得到旋转角θL1和θL2，根据机器人每个关节之间的几何关系确定腿的姿势。然后根据该算法对重心的运动，ZMP通过机器人调整腰部关节θ7和θ8转移到左脚。接下来，逐渐伸直腰部和支撑脚（左脚）来抬起身体。抬起身体的同时，ZMP应该保持固定（左脚下）。详细的方法是通过正向运动学确定重心的位置C在支撑脚（左脚），然后基于重复变换法优化腰部关节的旋转角和总重心的位置，实现保持ZMP保持不变。机器人重复上述过程，直到腰部和支撑脚再伸直，抬起身体能够完整爬楼梯。具体方法描述如下:（1）根据上述步骤和机器人之间的几何关系，确定各关节的旋转角θL1和θL2。（2）根据算法对重心的运动在一个部分中，移动机器人的ZMP到左脚。

（3）为了伸直腿和抬起身体，给左膝关节的θL1和踝关节θL2相应的微小增量+θLi（i = 1、2），然后确定重心的位置C在左脚的正向运动学方程。

（4）基于重复变换法优化腰部关节的转动角度θ7和θ8，总重心的位置和保持ZMP不变。回到3），重复上述过程，直到机器人抬起身体，再次申直腰部和支撑脚，并顺利地上楼梯。

4.仿真例子

根据上面的仿真模型和算法，我们模拟机器人上楼梯的动作。让高度Sh = 150mm和宽度Sw = 275mm，机器人的质量M = 60 kg，脚的宽度W = 70mm。机器人各关节的参数和初始角的设置如表1和表2所示。

表1 机器人的结构参数

图3双足机器人的步态图

机器人上楼梯的整个过程如图所示。图4表示ZMP的变化轨迹，虚线的部分是两个脚之间的区域，灰色线是正确的位置。图6表示支持脚的力随着时间的变化。图7表示各关节的角度随着时间的变化。

机器人的ZMP位置从两脚之间移动到右脚，令FR变得越来越大。虽然FL= 0，但是ZMP的位置完全在右脚。保持ZMP不变，机器人可以弯曲左脚并前向运动。可以通过几何关系计算出左下肢关节角度即θL1和θL2。在这个阶段，机器人的步态变化如（a）和（b）所示的图，图4所示为ZMP轨迹变化。图6所示脚的支持力随时间变化的图。图7表示腰部关节的角度随时间的转换和基于重复变换法的重心的运动。机器人反复调整θ7和θ8移动身体，使ZMP逐渐转移到左脚。在运动的过程中，身体上部的运动如图（c），图（d）和图（e）所示。相关参数变化作为EF的一部分如图4，图6和图7。

由支撑脚（左脚）的正向运动学，我们可以逐步确定重心位置和腰部关节参数，基于重复变换法确定腰部关节的构成（θ7和θ8），同时保持机器人的ZMP。重复上面的过程，直到腰部和支撑脚协调和抬起身体完成上楼梯的动作。机器人的姿态在这个过程中显示为图（e）-（h），腰部关节角和左脚的变化如图7所示。在这个过程中腰和左脚变得笔直，机器人的ZMP本质上是保持在点F如图4所示，然后右脚弯曲向前移动一步。机器人以这种循环方式完成上楼梯的动作。

图4双足机器人的ZMP轨迹

图7双足机器人的关节轨迹

讨论：本文仍然适用于参数变化时，也就是说增加脚步的高度或跨度，机器人可以调整其ZMP在支撑脚上的位置。但当姿态的参数超过机器人重心的移动范围，机器人将无法满足ZMP的要求上楼梯。如果我们不考虑机器人的各关节的扭矩范围和所有机器人的参

数，设置与上一节相同的高度和宽度，分别改变Sh = 350mm和Sw = 650mm。机器人上楼梯的动作显示在图8。从图中，我们可以看到，无论怎样的上半身动作，也就是说无论θ7和θ8如何调整，ZMP不能移动到机器人的支撑脚来完成其上楼梯。

图8 双足机器人的姿态图

事实上在关节可承受扭力矩围内，机器人的各关节都可以承受上楼梯所需的力。当我们考虑各关节的扭矩范围时，我们只需要改变算法（4）的一部分，根据反复调整ZMP的重复变换法在第三节的其中一个部分，可以改变扭矩Ti（i = 1、2、3、7、8）各关节的姿势（在第3部分）并确定关节之间的最小转矩值所做出相应的机器人姿势，然后回到（2）。

5.结论

本文以6自由度机器人为例提出了一个重复变换法来规划上楼梯的步态，并得出以下结论：机器人可以通过其腰部关节调整重心的位置，以满足ZMP稳定的要求，基于重复变换算法（RDK）规划上楼梯动作和利用机器人的正运动学可以先后规划机器人的稳定步态。算法也适用于机器人的下楼梯的动作。

本文只是初步研究双足步行机器人上楼梯的静态步态。在未来的工作中，我们将进一步分析动态步态规划来补充本文的算法。

【参考文献】

[1] Zhang Qin，Wu Zhi-bin，Kamiya Yoshitsugu.Lift-up gene-ration for robot using repeatedly direct kinematics [J].Robot，2011，33（3）: 340-346.[2] Liu Li，Wang Jin-song，Chen Ken，et al.The research on the biped humanoid robot THBIP-I[J].Robot，2002，24（3）: 262-267 [3] Yusuke Sugahara，Akihiro Ohta，Hun-ok Lim，et al.Walking up and down stairs carrying a human by a biped locomotor with parallel mechanism[C]//2005 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems，Canada: IEEE，2005: 1489–1494.[4] Kweon Soo Jeon，Ohung Kwon，Jong Hyeon Park.Optimal trajectory generation for a biped robot walking a staircase based on genetic algorithms[C]//Proceedings of 2004 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems，Sendai，Japan: IEEE，2004: 2837-2842.[5] Jong-Wook Kim.On the global convergence of univariate dynamic encoding algorithm for searches（uDEAS）[C]//SICE-ICASE International Joint Conference，Busan，Korea: IEEE，2006: 5776–5781 [6] Taegyu Kim，Jong-Wook Kim.Planning walking patterns of a biped robot with uDEAS optimization[C]//International Conference on Control，Automation and Systems 2007，Seoul，Korea: IEEE，2007，2693–2698（2007）.[7] Eun-Su Kim，Jo-Hwan Kim，Jong-Wook Kim.Generation of optimal trajectories for ascending and descending a stair of a humanoid based on uDEAS[C]//IEEE International Conference Fuzzy System，Korea: IEEE，2009: 660-665.[8] Eun-Su Kim，Jo-Hwan Kim，Jong-Wook Kim.Three dimensional modeling of a humanoid in three planes and a motion scheme of biped turning in standing[C]//IET Control Theory and Applications，2009: 1155-1166.[9] Song Xian-xi，Zhou Feng，Liang Qing，et al.Gait Planning and control of a biped robot climbing upstairs [J].Computer Simulation，2011，28（4）: 176-180 [10] Chen Hua-zhi，Xie Cun-xi，Zeng De-huai.Simulation of a neural network-based path planning algorithm for mobile robot [J].Journal of South China University of Technology，2003，31（6）: 56-60.[11] Ke Xian-xin，Gong Zhen-bang，Wu Jia-qi.Restrictions on a realizable gait of a biped robot climbing up stairs [J].Journal of Applied Sciences，2003，21（1）: 63-67 [12] Xu Kai，Chen Ken，Lu Li，et al.Fast walking gait planning algorithm for humanoid robots based on optimization of the main support leg [J].Robot，2005，27（3）: 203-210.[13] Bi Sheng，Min Hua-qing，Cheng Qiang，et al.Gait planning of humanoid robots walking on slope [J].Journal of South China University of Technology，2010，38（11）: 148-154 [14] Bi Sheng，Min Hua-qing，Cheng Qiang，et al.Multi-objective optimization for a humanoid robot climbing stairs based on genetic algorithms[C]// 2009 IEEE International conference on Information and automation.Zhu Hai: IEEE，2009: 66-71.[15] G.Figliolini，M.Ceccarelli.Climbing stairs with EP-WAR2 biped robot[C]// Proceedings of the 2001 IEEE International Conference on Robots and Automation，Seoul，Korea: IEEE，2001: 4116-4121 [16] Tomoyuki Suzuki，Kouhei Ohnishi.Trajectory planning of biped robot with two kinds of inverted pendulums[C]//12th International Power Electronics and Motion Control Conference.portoroz.IEEE，2006: 396-401

致谢

本文由广东工业大学研究合作项目（No.2012B091100145）支持。