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仿人双足机器人上楼梯轨迹规划及实现

仿人双足机器人上楼梯轨迹规划及实现
仿人双足机器人上楼梯轨迹规划及实现

【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@https://www.sodocs.net/doc/f03065282.html, 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。

双足机器人制作及其步态运行

双足机器人制作及其步态运行 一、实验目的 1 . 掌握实验室设备使用方法 2 . 学会AutoCAD知识并运用以及学习arduino单片机的基本开发 3 . 了解双足机器人平衡控制方法。 二、原理说明 1.Arduino使用说明 Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台。包含硬件(各种型号的Arduino板)和软件(Arduino IDE)。它构建于开放原始 码simple I/O介面版,并且具有使用类似Java、C语言的 Processing/Wiring开发环境。主要包含两个主要的部分:硬件部分是可 以用来做电路连接的Arduino电路板;另外一个则是Arduino IDE,你的 计算机中的程序开发环境。你只要在IDE中编写双足步态程序代码,将 程序上传到Arduino电路板后,程序便会告诉Arduino电路板要做怎样 的步态运行。 2 . 双足步态算法 双足机器人平衡控制方法其中的“静态步行”(static walking),这种方法是在机器人步行的整个过程中,重心(COG,Center of Gravity)在机器人底部水平面的投影一直处在不规则的支撑区域(support region)内,这种平衡控制方法的好处是整个机器人行走的过程中,保证机器人 稳定行动,不会摔倒。但是这个平衡控制方法缺点是行动速度非常缓慢 (因为整个过程中重心的投影始终位于支撑区域)。另一种使用的平衡 控制方法是“动态步行”(dynamic walking),在这个控制方法中机器 人的步行速度得到了极大的飞跃,显而易见,在得到快速的步行速度同 时,机器人很难做到立即停止。从而使得机器人在状态转换的过程中显 现不稳定的状态,为了避免速度带来的影响。零力矩点(ZMP)被引入 到这个控制策略中,在单脚支撑相中,引入ZMP=COG。引入ZMP的好 处在于,如果ZMP严格的存在于机器人的支撑区域中,机器人绝不摔倒。

工业机器人的轨迹规划和控制

工业机器人的轨迹规划和控制 S. R. Munasinghe and Masatoshi Nakamura 1.简介 工业机器人操作臂被用在各种应用中来实现快速、精确和高质量的生产。在抓取和放置操作,比如对部分的操作,聚合等,操作臂的末端只执行器必须在工作空间中两个特定的位置之间移动,而它在两者之间的路径却不被关心。在路径追踪应用中,比如焊接,切削,喷涂等等,末端操作器必须在尽可能保持额定的速度下,在三维空间中遵循特定的轨迹运动。在后面的事例中,在对末端操作器的速度、节点加速度、轨迹有误等限订的情况下轨迹规划可能会很复杂。在没有对这些限制进行充分考虑的情况下进行轨迹规划,通常会得到很差的表现,比如轨迹超调,末端操作器偏离给定轨迹,过度的速度波动等。机器人在笛卡尔轨迹中的急弯处的的表现可能会更加恶化。到目前为止很多轨迹规划算法己经被提出,从笛卡尔轨迹规划到时间最优轨迹规划。然而,工业系统无法适应大多数的这些方法,有以下两点原因:(1)这些技术经常需要进行在目前机构中进行硬件的移动,生产过程必须被打断以进行系统重新配置,而这往往需要很长时间。(2)这些方法中很多通常只考虑到一种约束,而很少关注工业的需求和被请求的实际的约束。因此,它们很难在

工业中实现。 在本文的观点中,我们提出了一种新的轨迹规划算法,考虑到了末端操作器的速度限制,节点加速度限制,应用中的容错度。这些是在工业应用中实际的约束。其他工业操作臂中的技术问题是他们的动力学延迟,这导致末端操作臂在轨迹中的拐角处出轨。为了补救这个问题,我们设计了前向补偿,稍稍改变了拐角处的路径,使得即使在延迟动力学环节存在的情况下依然确保末端操作臂的实际跟踪轨迹。结合了前向补偿新的轨迹规划算法在控制系统中表现为单一的前向阻塞。它可以轻松地适应目前的工业操作臂系统,不冒风险,不花费时间重新配置硬件。 轨迹规划算法可以为所有操作臂的节点产生位置,速度和加速度的大体规划。在大多数工业操作臂中,系统输入是节点的位置数据,这在工业中是作为被给定的数据而广为人知的。为了用笛卡尔轨迹规划来控制操作臂,Paul描述了同类型的转换是怎样可以被用来代表一系列操作臂连杆的位置和原点的。Shin et.al.的工作和我们的很相似,但是实现在工业控制系统中的应用是很困难的,因为它需要知道很多操作臂的连杆和节点的参数。在大多数工业操作比系统中,这些参量并不能被精确的获知。 在我们之前的工作中我们解决了在二维空间中加速度和速度的约束,在目前的工作中,当我们考虑到容差度,我

一种双足步行机器人的步态规划方法

?16? 一种双足步行机器人的步态规划方法 □胡洪志马宏绪 国防科技大学机电工程与自动化学院 [摘要]本文介绍了一种双足步行机器人的步态规划方法,以前向运动为例,详细介绍了先分阶段规划然后合成的方法,并 讨论了行走过程中的冲击振动问题及减振措施,实验及仿真结果验证了这一规划方法的有效性。[关键字]双足步行机器人步态规划减振 [Abstract]In this p a p er ,w e p ut forw ard a m ethod for hum anoid robot g ait p lannin g .W e take forw ard m otion for exam p le ,illustrate the p hase p lannin g and com p ound m ethod in detail.T his p a p er also discusses the im p act v ibration p roblem and how to g et rid of it.T he ex 2p erim ent and simulation result verified the validation of the m ethod. [K e y w ords]bi p ed robot ;g ait p lannin g ;v ibration decrease [作者简介]胡洪志:男,1978年3月生,国防科技大学机电工程与自动化学院研究生,研究方向:智能机器人系统。 马宏绪:男,1966年8月生,国防科技大学机电工程与自动化学院教授,硕士生导师,研究方向:智能机器人系统。 1引言 双足步行机器人的研究是由仿生学、机械工程学和控制理论等多种学科相互融合而形成的一门综合学科,是机器人研究的一个重要分支。双足步行机器人的研究可以促进多个学科的研究,并为相关学科的研究提供一个平台,具有很大的理论价值。在实际应用中,双足步行机器人可用于有放射性、危险及其它对人体有害的环境中取代人类劳动,把人从高强度、长时间及单调乏味的工作中解脱出来,具有广阔的市场前景。步行机器人最大的特征是步行,步态是在步行运动过程中,步行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。 2双足步行机器人模型 本文的研究对象是一台具有12关节自由度的双足步行机构,每条腿各有6个自由度,即:踝关节有前向和侧向两个自由度;膝关节一个前向自由度,髋关节具有三个 自由度,包括前向、侧向及转弯自由度。由仿真分析及实验研究可知,在步行运动中,双足步行机器人前向各关节的运动与侧向各关节运动之间的耦合很小,可以忽略这一耦合的影响,对机器人前向和侧向的运动分开建模。本文主要讨论前向运动的步态规划问题。 前向运动模型如下图一: 定义:双腿关节,先左腿,后右腿,左腿由下至上,右腿由上至下,依次标注为1,2,3,...,10,11,12,各关节对应的转角依次为θ1,θ2,θ3,…,θ10,θ11,θ12,其中θ1,θ5,θ8,θ12,分别为双腿侧向关节对应的转角;θ2,θ3,θ4,θ11,θ10,θ9为双腿前向关节对应的转角;θ6, θ7转弯关节在前向运动中始终保持为零。 图一

(完整版)双足竞步机器人设计与制作技术报告

中国矿业大学徐海学院 双足竞步机器人设计与制作技术报告 队名:擎天柱班级:电气13-5班_________________________ 成员:郭满意游世豪侯敏锐唐丽丽 侯伟俊王胜刘利强杨光 题目双足竞步机器人__________________________________________ 任课教师:李富强_________________________________________ 2015年12月 双足竞步机器人设计与制作任务书

任务下达日期:2015年10月16日 设计日期:2015年11月1 日至2014年12月31日 设计题目:双足竞步(窄足)机器人的设计与制作 设计主要内容和完成功能: 1、双足竞步机器人机械图设计; 2、双足竞步机器人结构件加工; 3、双足竞步机器人组装; 4、双足竞步机器人电气图设计; 5、双足竞步机器人控制板安装; 6、整机调试 7、完成6米的马拉松比赛。 教师签字: 双足机器人的机构是所有部件的载体,也是设计双足机器人最基本的和首要的工作本文根据项目规划和控制任务要求,按照从总体到部分、由主到次的原则,设计了一种适 合仿人双足机器人控制的机构。文章首先从机器人整体系统出发,制定了总体设计方案,再根 据总体方案进行了关键器件的选型,最后完成了各部分机构的详细设计工作。经过硬件设计、

包括机械结构设计、电路设计与制作,机器人步态规划算法研究,利用Atmega8芯片实现了对六个舵机的分时控制,编写VC上位机软件,通过串口通信对双足 竞步机器人进行调试,通过人体仿生学调试出机器人的步态规划。实现了双足竞步机器人稳定向前行走、立正。 关键词:双足机器人、机械结构 目录 1系统概述 (1) 2硬件设计 (2) 2.1机械结构 (2) 2.2电路设计 (2) 3软件设计 (4) 3.1 AVR 单片机程序设计 (4) 3.2 PC上位机调试软件设计 (4) 4系统调试 (5)

基于双足式机器人的步态规划及展望

基于双足式机器人的步态规划及展望 发表时间:2019-08-13T16:24:08.340Z 来源:《科学与技术》2019年第06期作者:董江林张亚鹏王雨洁孙莉雅 [导读] 介绍双足式机器人的现状及工作原理,以及几种常见的步态轨迹规划方法及其优缺点。 重庆邮电大学自动化学院重庆 400000 摘要:仿生双足式机器人相比于传统机器人而言,在社会发展中扮演着更加重要的角色。步态轨迹规划方法是研究双足式机器人连续步行中的核心,研究步态轨迹规划方法具有及其深远的意义。本文着重介绍双足式机器人的现状及工作原理,以及几种常见的步态轨迹规划方法及其优缺点。最后给出双足式机器人研究现状和未来的发展方向作出了展望。 关键词:步态轨迹规划方法,双足式机器人,工作原理,展望; 1 背景及意义 随着科学技术的不断发展,机器人在现代人类生产生活中扮演着越来越重要的角色。而双足机器人的研发难度比传统的轮式机器人、履带式机器人复杂的多[1]。目前生物界难度最高的步行动作是仿人双足步行,但是进行该类研究的也最多,究其原因是双足式机器人交替支撑步行模式使得它有着广泛的适应性,更能满足人类发展的需求。 近年来,国家不断推动双足机器人的研究,然而取得的成果甚微。国内对于双足式机器人需求较大,然而自身技术落后,国外要么高。所以对双足式机器人的研究迫在眉睫,急需核心技术的革新者! 步态规划是双足机器人平稳、快速行走的核心,也是双足机器人研发中的难点。步态是指在步行的过程中,机器人各个在时自由度空上的一种相互协调。步态通常由各节点的运动轨迹来描述,而步态规划的目标即在各个步行周期中精准的产生期望的运动轨迹。要想达到这个目的,就需要一个高效、可行的步态规划方法。 综上所述,步态规划作为双足机器人的核心技术之一,已成为双足机器人研究领域的一个重要课题,是决定双足机器人行走流畅的关键技术。 2 研究现状分析 步态规划作为双足机器人行走的核心所在,现今主要有三种主要控制方法:基于仿生学的步态规划、基于算法的步态规划、基于模型的步态规划。 2.1 基于算法的步态规划 现有的双足式机器人存在环境适应性弱、学习能力差等问题,而像遗传算法、模糊控制、神经网络等智能算法具有学习能力强、容错率高和自适应能力高等特点[2],两者的有效结合推动了机器人发展的新篇章! 基于神经网路的步态规划方法由输入节点变量、中间神经元和输出节点变量组成,输入节点变量是在双足式机器人的步行周期内,采集各关节的坐标和微分,输出节点变量为各关节的角度或力矩等,通过设计相应的中间神经元来规划机器人的步态。该规划方法需要大量的可靠样本和严密计算从而确定每个神经元的权重比,同时,还需要解决如何构造样本空间和其收敛性的相关问题。该方法由于说需样本大且实施难度较大,所以在国内几乎看不见由该方法控制的双足仿生机器人,属于比较冷门的步态规划方法。 双足步行机器人是一个十分精密复杂的大规模系统,所以在控制时可以采用模糊控制来进行更加高效的控制。基于模糊控制的步态规划方法中,模糊控制器的输入变量由双足式机器人运动过程中实时的步行状态参数和预先设定的步态初始参数组成,输出变量是每一关节的力矩或角度,按照一定的模糊控制规则来规划机器人的步态[3]。将模糊控制应用到双足步行机器人这样一个复杂系统上,能有效实现控制精度的提高。经实际检验,使用模糊控制的确可以获得很好的控制效果。北京科技大学曾有学者就使用了模糊控制来控制双足式机器人,最终在行走环境较为简单的情况下,控制的效果比较好。 基于遗传算法的步态规划方法是先将重要节点的位置、速度和加速度等在各关键时间点上设定好,并用多项式插值的方式得到参数化的步态,然后采用遗传换算法找到满足步态稳定性最多条件下的最优参数,以得到稳定性较强的期望步态[4]。该方法无明显缺点,可以提高双足式机器人行走效率,实现双足式机器人稳定快速的行走[5]。东京大学的 kougaka 教授便曾使用遗传算法实现动态步行的轨迹补偿,国内也有不少使用该方法进行控制,效果都比较显著。 2.2基于模型的步态规划方法 基于模型的步态规划方法是将复杂的双足式机器人系统通过解祸、降阶等方法最终简化为比较简单的模型。常用的模型有D-H模型、连杆模型、质量弹簧模型、倒立摆模型等。 D-H模型是将机器人的每个节点都设定一个唯一的参考坐标系,然后,通过一个确定的变换关系,实现节点间的变换。该模型在双足式机器人上应用不大,很少有人使用,但有人曾用该模型进行过MATLAB仿真验证[8],且最终MATLAB仿真的效果十分不错。 三维倒立摆模型( 3D-LIPM: 3D-Linear Inverted Pendulum Mode)方法是参考轨迹法中动力学模型法的一种,该方法利用两足机器人本身的动力学特性来提高步行效率[3]。如今,倒立摆模型被广泛用于双足式机器人的控制中,这源于倒立摆系统具有模块化和品种多样化的优点,除此之外倒立摆系统机械结构简单、便于设计和制造的特点,也是其广泛被使用的原因之一。 2.3基于仿生学的步态规划方法 双足式机器人是以仿造人的行为而制造的机器人。它类似于人的结构设计。因此,可以将人类的步态用于双足式机器人的步态规划中。基于仿生学的步态规划方法其实就是使用仪器记录人的步行运动数据,然后将记录的数据进行统计、拟合、校正,使之变得更加适合机器人的驱动方式、质量分布、机械结构等,最后将修正后的数据作为机器人的输入控制参数[3]。该规划方法相比于其他方法比较简单,被大量的使用。例如本田公司研制的双足式机器人ASIMO和北京理工大学研制的双足式机器人BHR-2,它们的步态设计就是采用了仿生学步态规划方法。然而值得注意的是,不同双足式机器人的物理结构天差地别,加上目前难以采集到准确而完整的HMCD,此规划方法仍具有一定的局限性。 3 总结与分析 步态规划如今更是在以上多种方法相互融合中,又出现了不少新的方法,但万变不离其宗,大部分方法都基于以上几种方法。其中有不少方法都较为成熟,使得如今出现了不少优秀的双足机器人。例如日本名为Tam。

工业机器人的运动轨迹

专题综述 课程名称工业自动化专题 题目名称工业机器人的运动轨迹学生学院____ _ 自动化________ 专业班级___ _ _ 学号 学生姓名___ _ _ 指导教师__________ 2013 年 6月 27日

工业机器人的运动轨迹综述 【摘要】:随着知识经济时代的到来,高技术已成为世界各国争夺的焦点,机器人技术作为高技术的一个重要分支普遍受到了各国政府的重视。自此,多种不同的研究方向都在工业机器人实时高精度的路径跟踪来实现预期目的。而工业机器人的运动轨迹又是重中之重,在得到反馈信息之后,如何作出应答,并且实时检查轨迹与所计算出的轨迹是否吻合,为此也要进行追踪与动作修正。 【关键词】:工业机器人,视觉,路径跟踪,轨迹规划,高精度 1.机器人视觉,运动前的准备 实际的工业现场环境复杂,多种因素都有可能导致系统在运行过程中产生一定的偏差、测量精度降低,引起误差的原因主要有温度漂移和关节松动变形等,使测量模型的参数值改变从而导致定位误差增大,因此需要定期对工业机器人视觉测量系统进行精确的校准,从而实现精确定位和视觉测量。更少不得必要的优化。 1.1基于单目视觉的工业机器人运动轨迹准确度检测 建立的工业机器人单目视觉系统,整个系统主要由单目视觉单元,监控单元和机器人执行单元三大单元组成。单目视觉单元为一台固定在机器人上方的CCD摄像机,负责摄取工作环境中的目标并存入图像采集卡缓冲区;监控单元负责监控各工作站的当前状态,并完成对存储图像进行相关处理的工作,达到识别定位目标的目的;执行单元负责驱动机械手实施抓取操作。 1.2基于双目视觉的工业机器人运动轨迹准确度检测 以立体视觉理论为基础,研究了基于空间直线的二维投影面方程。根据投影面的空间解析几何约束关系,建立基于直线特征匹配的双目视觉误差测量的数学模型。在该模型基础上采用将两台摄像机固定于工业机器人末端的方案.对关节型工业机器人运动轨迹的准确度进行了检测。结果表明,该检测方法简单实用,基本上可以满足工业机器人CP性能检测的要求。 1.3一种面向工业机器人智能抓取的视觉引导技术研究 为实现工业机器人自主识别并抓取指定的目标,提出了一种基于计算机视觉引导的解决 方法。该方法利用指定目标的3D数据模型,以及由两台或者多台CCD摄像机从工作场景中不同角度获;取到的数字图像,经过目标姿态估算、投影计算并生成投影图像,再利用投影

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