第一篇：雙足步行機器人相關翻譯

本科畢業論文

外文文獻及譯文

文獻、資料題目：Walking Control algorithm of

Biped Humanoid Robot

文獻、資料來源：期刊

文獻、資料發表（出版）日期：1999.6.3 院（部）： 理學院

專

業： 光信息科學與技術 班

級： 光信112 姓

名： 王若宇 學

號： 2011121135 指導教師： 趙俊卿 翻譯日期： 2015.5.14

山東建筑大學畢業論文外文文獻及翻譯

外文文獻：

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)

第二篇：四足步行機器人外文翻譯1

新興的運動模式四足機器人氣動肌肉用的模型

保德山田，聰西川，伊士達和康夫國芳 研究生信息科學與技術學院，東京大學

大學院情報研究，東京大學

1、動機，問題的陳述，相關工作

動物的進化過程形成了形態和神經系統從彼此相互適應而達到一個在環境中有效的感覺整合。作為一個結果，各種復雜行為的標志，通過能耗效率以及從動態自組織產生互動的身體、神經系統和環境。這些技能是可能的，一方面，因為神經系統利用身體的物理屬性，而另一方面通過感官刺激形成體動力學神經力學結構。這構成了一個體現智能[1] [2] [3]的基本屬性。

近年來,許多研究已經發展到更好地了解潛在的機制動物的運動技能和如何將它們應用在機器人[4][5]。此外，特定的注意力被集中在中央的模式發生器在仿生機器人[6]中來復制動物運動。舉例來說，像狗一樣的鐵拳系列[7]可以使用感官反饋實現穩定的運動，而類似昆蟲的AMOS-WD06[8]可通過利用中央政府模型的混沌特性產生各種復雜的行為。然而，這些機器人不用容易開發的物理身體就能實現運動，是因為身體過于僵化或受線性電磁馬達控制。相反，動物的骨骼肌肉系統是一個復雜和冗余的非線性結構形態構成粘彈性肌腱組織材料[9]的肌肉。一些研究都集中在中樞神經系統和他們的身體的研究[10][11] [12]。出于這個原因，我們建議在四足機器人中調查這個問題，以及神經系統隨著體動力學系統如何互相感應，以產生各種適應性行為的議案。

2、技術方法

我們設計了一個簡單的十分真實的四足機器人去捕捉動物骨骼系統的重要特征，以實現對神經系統的體現。古典驅動器已被麥吉類型氣動人工肌肉替換，根據阻尼和彈性，重現一些生物肌肉的非線性特性 [12] [13] [14]（圖1）。在真正的肌肉中，傳感反饋是通過感覺到的肌肉長度的肌梭和感知肌張力的高爾基腱器官完成的。我們通過使用壓力傳感器和電位器計算長度和人工肌肉的張力來復制此功能的。

基于生物學的考慮，我們用小原國芳與他的同事們開發的脊髓延髓的系統模型設計了神經系統[15] [16]（圖2）。一個的脊髓延髓模式的單一元素組成肌肉、一個α和γ運動神經元、傳入感覺中間神經元和神經的振蕩器模型。雖然每個元素不直接連接到總體，我們預計機器人的振蕩器的非線性光學性質將建立彌散的互感器和動力連接器條件從而產生全身的不同運動（圖3）。

圖1.麥吉氣動人造肌肉的類型。

圖2.脊髓延髓模型。箭頭和填充圈分別代表興奮和抑制的連接。

圖3.脊髓延髓中體現的模型。

3、結果

在我們的實驗中，感覺身體之間的動力學與在同樣的一個實驗中用自我組織的各種行為模式時尚的脊髓延髓系統修改動態的腿配位順序之間的相互作用。

例如，機器人需要幾個步驟產生動態向前運動（圖4左）。然后，通過執行向后運動的幾個步驟（圖4中），機器人切換到另一個模式。一段時間后，返回到其先前的運動狀態和重新生成向前運動（圖4右）。在實驗中每個關節的角度來看，我們觀察到一些相同步和相交錯模式（圖5）。

我們注意到，這種類型的運動在整個實驗中并不經常發生，這表明了系統的動力學性質。例如，在一個實驗中，我們觀察到的運動僅僅只是向后的。然而，這種行為運動顯示了各種模型例如左腿和右腿之間或者兩腿交錯間的自動相位同步模型。

圖4.運動行為的快照

圖5.時間序列的關節角度.4、實驗

我們進行了一些實驗來生成四足動物骨骼機器人的模型（圖6和圖7）的運動行為。在脊髓延髓的模型中，每個機器人的腿部肌肉是相互隔離的，并且沒有直接聯系。然而，我們預測，化身將在與環境的相互作用中為彌散互感器創造條件，目的是產生各種自適應行為模式。

人工肌肉從外部壓縮機提供空氣，我們使用比例壓力控制閥控制肌肉內部的壓力。機器人安裝有中央處理器板運行實時操作系統向壓力閥發送的命令和從壓力傳感器、電位器接收傳感器值。一個CPU板和計算神經動力學與外部PC機進行通信。

圖6.四足氣動肌肉機器人

圖7.肌肉的布局。紅色部分代表氣動人工肌肉，藍色部分代表的是被動肌肉構

成彈簧。

5、實驗的主要見解

在實驗中，雖然我們對神經系統的模型使用相同的參數，但是我們還是觀察到各種復雜的運動模式。這些運動模式是個別肌肉的動態連接器的結果–即，它們之間并沒有直接的連接：通過物理身體和神經系統與環境的動力相互作用。這一動態同步的機制是復雜和與環境相適應的，它探討了身體的自然運動模式。

在今后的實驗中，我們將進一步研究行為的自我組織模式機制所需的身體的性能和有利于構成這一組織模式機制的神經系統。

參考文獻

[ 1]R.A.布魯克斯.“無表征智能，人工智能”.1991,d第3期，卷47，第139–159.[ 2]R.普法倚費爾,C.西契爾.了解情報.麻省理工學院出版社，1999.[ 3]R.普法倚費爾,J.C 本哥德.我們認為身體是如何形成的：一種新的智力觀.麻省理工學院出版社，2006年.[ 4]H.木村，K.土屋，A.石黑，H.維特.動物和機器的自相適應運動.高等教育出版社，2005年.[ 5]J.埃爾斯，J.L.戴維斯，A.魯道.仿生機器人的神經技術.麻省理工學院出版社，2002年.[ 6]A.J.依思皮特，動物和機器人的中樞模式發生器運動控制：審查，神經網絡，2008，第4期，21卷，642頁–653頁.[ 7]H.木村，Y.福岡，A.H.科恩.“適應在地面上動態行走的四足機器人的生物學概念”.國際機器人研究學報，2007, 第5期，26卷，475頁–490頁.[ 8]S.斯特恩哥如布，M.泰姆，F.沃爾戈特，P.Manoonpong，“自組織適應一個簡單的神經電路，使復雜的機器人的行為成為可能”.自然物理學,2009,卷6，頁224 –230.[ 9]R.M.亞力山大,H.班納特-克拉克.“肌肉和其它組織存儲的彈性應變能”.自然科學，1977，第5590期，265卷，114頁–117.[ 10]R.普法倚費爾，M.倫加雷拉，Y.小原國芳.自組織生物啟發的機器人的化身 ”.科學，2007年11月,卷318，頁1088-–1093.[ 11 ]A.彼蒂，Y.小原國芳.產生時空動態分布聯合轉矩模式同步模式發電機，前沿神經機器人，2009，3卷，2號，1頁–14.[ 12 ]AR皮蒂，是有關新山志保，與國芳，“創造和調節節奏的控制身體的物理，“自主機器人，28卷，3號，317頁–329，2010.[ 13]G柳巷芳草，J.czerniecki，和B納福，“麥吉人工肌肉：氣動執行器與生物力學的情報，在先進的智能機電一體化，1999.訴訟.1999屆國際會議預報，1999，頁221 –226.[ 14]R.A是有關新山志保，nagakubo，與國芳，“無忌：一個雙足跳躍和著陸機器人與人工肌肉骨骼系統的過程中，“參考國際機器人與自動化（互聯網內容分級協會2007），羅馬，意大利，四月，2007，頁2546-2551（–thc5.2）.[ 15]Y國芳和鈴木，“動態的出現和適應行為體現為通過耦合混沌領域，“程序.國際參考智能機器人與系統，2004，頁2042 –2049.[ 16]Y國芳和美國sangawa，“早期運動的發展從偏序神經體動力學：實驗與cortico-spinal-musculosleletal模型，“生物控制論，卷95，頁589-–605，2006.

第三篇：四足步行機器人結構設計文獻綜述_-_副本

四足步行機器人結構設計文獻綜述

四足步行機器人結構設計文獻綜述

（）

摘要：對國內、外四足步行機器人的研究發展現狀進行了綜述，對四足步行機器人亟需解決的問題進行了論述，并對未來可能的研究發展方向進行了展望。關鍵字：四足步行機器人；研究現狀；展望

1、引言

四足步行機器人是機器人家族的一個重要分支，其不僅承載能力強，而且容易適應不平的地形。它既能使用靜態穩定的步態緩慢平滑地行走，又能以動態穩定的步態跑動。與輪式、履帶式移動機器人相比，在崎嶇不平的路面，步行機器人具有獨特優越性能，在這種背景下，步行機器人的研究蓬勃發展起來。而仿生四足步行機器人的出現更加顯示出步行機器人的優勢：

（1）四足步行機器人的運動軌跡是一系列離散的足印，運動時只需要離散的點接觸地面，對環境的破環程度也較小，可以在可能到達的地面上選擇最優的支撐點，對崎嶇的地形的適應性強。

（2）四足步行機器人的腿部具有多個自由度，使運動的靈活性大大增強。它可以通過調節腿的長度保持身體水平，也可以通過調節腿的伸展程度調整重心位置，因此不易翻到，穩定性更高。

（3）四足步行機器人身體與地面是分離的，這種機械結構的優點在于：運動系統還具有主動隔振能力即允許機身運動軌跡和足運動軌跡解耦，機器人的身體可以平穩的運動而不必考慮地面的粗糙度和腿的放置位置。

（4）機器人在不平地面和松軟路面上的運動速度較快，能耗較低。

2、國內外的發展現狀

20世紀60年代，四足步行機器人的研究工作開始起步。隨著計算機技術和機器人控制技術的研究和應用，到了20世紀80年代，現代四足步行機器人的研制工作進入了廣泛開展的階段。

世界上第一臺真正意義的四足步行機器人是有Frank和McGhee于1977年制作的。該機器具有良好的步態運動穩定性，但缺點是，該機器人的關節是由

四足步行機器人結構設計文獻綜述

邏輯電路組成的狀態機控制的，因此機器人的行為受到限制，只能呈現固定運動形式。

20世紀80，90年代最具代表性的四足步行機器人是日本Shigeo Hirose實驗室研制的TITAN系列。1981~1984年Hirose教授研制成功腳步裝有傳感和信號處理系統的TITAN-III。它的腳底步由形狀記憶合金組成，可自動檢測與地面接觸的狀態。姿態傳感器和姿態控制系統根據傳感信息做出的控制決策，實現在不平整地面的自適應步行。TITAN-VI機器人采用新型的直動性腿機構，避免了上樓梯過程中兩腿的干涉，并采用兩級變速驅動機構，對腿的支撐相和擺動相分別進行驅動。

2000-2003年，日本電氣通信大學的木村浩等人研制成功了具有寵物狗外形的機器人Tekken-IV，如圖1所示。它的每個關節安裝了一個光電碼盤，陀螺儀，傾角計和觸覺傳感器。系統控制是由基于CPG的控制器通過反射機制來完成的。Tekken-IV能夠實線不規則地面的自適應動態步行，顯示了生物激勵控制對未知的不規則地面有自適應能力的優點。它的另一特點是利用了激光和CCD攝像機導航，可以辨別和避讓前方存在的障礙，能夠在封閉回廊中實現無碰撞快速行走。

目前最具代表性的四組步行機器人是美國Boston dynamics實驗室研制的BigDog，如圖2所示。它能以不同的步態在惡劣的地形上攀爬，可以負載高達52KG的重量，爬升可達35°的斜坡。其腿關節類似動物腿關節，安裝有吸收震動部件和能量循環部件。同時，腿部連有很多傳感器，其運動通過伺服電機控制。該機器人機動性和反應能力都很強，平衡能力極佳。但由于汽油發電機

四足步行機器人結構設計文獻綜述

需攜帶油箱，故工作時受環境影響大，可靠性差。另外，當機器人行走時引擎會發出怪異的噪音。

國內四足機器人研制工作從20世紀80年代起步，取得一定成果的有上海交通大學、清華大學、哈爾濱工業大學等。

上海交通大學機器人研究所于1991年開展了JTUWM系列四足步行機器人的研究。1996年該研究所研制成功了JTUWM-III，如圖3所示。該機器人采用開式鏈腿機構，每個腿有3個自由度，具有結構簡單，外形輕巧，體積小，質量輕等特點。它采用力和位置混合控制，腳底裝有PVDF測力傳感器，利用人工神經網絡和模糊算法相結合，實線了對角動態行走。但行走速度極慢，極限步速僅為1.7KM/h,另外其負重能力有限，故在實際作業時實用性較差。

清華大學所研制的一款四足步行機器人，它采用開環關節連桿機構作為步進機構，通過模擬動物的運動機理，實現比較穩定的節律運動，可以自主應付復雜的地形條件，完成上下坡行走，越障等功能。不足之處是腿運動時的協調控制比較復雜，而且承載能力較小。

四足步行機器人結構設計文獻綜述

3、國內外的關鍵技術分析

（1）機械本體研究

四足步行機器人是機電一體化系統，涉及到機構、步態、控制等，而機械機構是整個系統的基礎。在機械本體的設計中腿部機構設計是關鍵。目前，研制的四足步行機器人的腿部機構形式主要有縮放型機構、四連桿機構、并聯機構、平行桿機構、多關節串聯機構和緩沖型虛擬彈簧腿機構。其中，并聯機構可以實現多方位運動，且負載能力強，所以具有較好的應用前景，但控制系統較為復雜。另外，含有彈性元件的緩沖型虛擬彈簧腿機構，利用彈性元件把剛性連接變為柔性連接，減緩機器人在動態行走時的沖擊以及由此產生的振動，因此該機構應用越來越廣泛。

（2）步態研究

步行機器人幾種典型步態有：爬行、對角小跑、溜蹄、跳躍、定點旋轉、轉向等。在文獻[7]中，提出了爬步態的理論，并證明了該步態具有最大的靜穩定性。對角小跑步態屬于動態穩定步態，能夠提高運動速度。跳躍式步態較其它步態在前進的效率上具有明顯的優勢，但是由于受到腿機構的擺動慣性力和關節處大沖擊力的影響，因此需要較大的瞬時驅動力。另外，跳躍持續的時間是短暫的，為了保證機器人實時可控，必然需要在極短的時間內采集多種信號，這對目前的驅動元件和傳感器都提出了極高的要求。目前所研究的各種步態中，跳躍步態的研究是最具挑戰性的難點問題。

（3）控制技術研究

復雜四足步行機器人的控制系統是非線性的多輸入和多輸出不穩定系統，四足步行機器人結構設計文獻綜述

具有時變性和間歇動態性。目前四足機器人的步行運動大多數是基于步態的幾何位置軌跡規劃、關節位置控制的規劃和控制策略。而對機器人進行單純的幾何位置規劃與控制，則會由于慣性、腳力失衡等因素而導致機器人失穩。解決這個問題的關鍵就是突破單一的位置規劃與控制策略，實施機器人力、位置混合控制。在步態生成和控制方面，有理論突破意義的是基于生物中樞模式發生器(CPG)原理的運動控制方法。

（4）驅動能源研究

在線提供能源受到空間的限制，而蓄電池組受體積和重量的限制，因此尋求提供持續可靠的離線自帶電源就成了必須。隨著新型電池的研發，新型太陽能電池、燃料電池、鋰電池等成為較為理想的能量供給來源。另外，通過微波對微型機器人提供能量和控制信號也是一種較為可觀的方法。

4、存在的問題

從20世紀60年代至今研究者們對四足步行機器人關鍵技術的分析做了大量的工作，在一些基礎理論問題上取得了一定的突破，使四足步行機器人的技術水平不斷得到提高。但在四足步行機器人發展過程中仍有一些亟需解決的問題：

（1）步行機器人的結構仿生設計問題；（2）在不平地面移動的速度、穩定性問題；（3）四足步行機器人的步態規劃問題；（4）步行機器人仿生控制方面的問題；

（5）有些步行機器人的體積和質量都很大問題；（6）多數步行機器人研究平臺的承載力不強問題；

5、展望

隨著對四足步行機器人的研究的日益深入和發展，四足步行機器人在速度、穩定性、機動性和對地面的適應能力等方面的性能都將不斷提高，自主化和智能化也將逐步的實現，從而使其能夠在更多特殊環境和場合中使用，因此具有廣闊的應用前景。

縱覽當前四足機器人的發展，四足步行機器人有以下幾個值得關注的趨勢：

四足步行機器人結構設計文獻綜述

（1）實現腿機構的高能，高效性；（2）輪，足運動相結合；（3）步行機器人微型化；

（4）增強四足步行機器人的負載能力；（5）機器人仿生的進一步深化；

6、總結

盡管四足步行機器人技術有了很大的發展，足式機器人的研究平臺有很多，但制約四足機器人技術進一步發展的基礎理論問題并沒有得到根本的解決，其中，許多樣機還達不到生物簡單運動的速度和穩定性。正如著名機器人學家Geles教授所言：“步行機器人的理論研究步伐要遠遠落后于其技術開發的步伐”。現有的四足機器人的基礎技術研究尚不夠成熟和完善，足式機器人的關鍵技術還有待于進一步大力開發。

7、參考文獻

[1] McGhee.R.B.Robot locomotion[A].In R.Herman, S.Grillner,P.Stein,and

D.Stuart, editors, al control of lNeurocomotion[C].Plenum Press.1976:237-264.[2] Shigeo.Hirose, Tomoyuki.Masui, Hidekazu.Kikuchi.TITAN-III: A Quadruped

Walking Vehicle-Its Structure and Basic Characteristics.Robotic

Research(2nd Int.Symp.).The MIT Press, 1985：325-331.[3] 王洪波，徐桂玲，胡星，張典范，張雄.四足并聯腿步行機器人動力學[J].燕山大學河北省并聯機器人與機電系統實驗室.秦皇島.066004.[4] 雷靜桃，高峰，崔瑩.多足步行機器人的研究現狀及展望 [M ].北京航空航天大學 汽車工程系.北京.100083.[5] 查選芳，張融甫.多足步行機器人腿機構的運動學研究[J].東南大學學報.1995.25(2).[6] 郭成，談士力，翁盛隆.微型爬壁機器人研究的關鍵技術[J].制造業自動化.2004.26(7).[7] 王吉岱，盧坤媛，徐淑芬，雷云云.四足步行機器人研究現狀及展望[M ].山

四足步行機器人結構設計文獻綜述

東科技大學 機械電子工程學院.青島.266510.[8] 陸學東.多足步行機器人運動規劃與控制.[M ].華中科技大學出版社.2006.2.[9] 宣奇波，張懷相，戴國駿.四足步行機器人穩定性步態規劃.杭州電子科技大學計算機應用技術研究所.浙江 杭州 310018.[10] 朱學彪.液壓驅動四足機器人機械結構設計.[M ].武漢科技大學 機械自動化學院，武漢 430081

第四篇：【外文翻譯】雙足機器人上樓梯的步態規劃

雙足機器人上樓梯的步態規劃

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】上樓梯是雙足機器人的一種基本動作。一個有效的算法對雙足步行的穩定性是至關重要的。在本文中，我們以雙足機器人爬樓梯為例，提出一個基于重復變換法（RDK）的算法來規劃上樓梯動作和前向運動。在本文提出的算法中，為了滿足上樓梯的穩定性，機器人通過上身來調整質心的位置，并且由重復變換法（RDK）進行計算和修正。重復變換法的作用是有保證性的，其可行性和有效性已經通過雙足機器人上樓梯仿真實驗的驗證；而本文提出的算法也適用于雙足機器人下樓梯。

【索引詞】雙足機器人；上樓梯；重復變換法；重心運動；

1.介紹

雙足機器人和人類一樣擁有多自由度的特點，每一個關節可以通過巧妙的組合從而可以完成各種動作。而且雙足機器人對環境具有良好的適應性，并能進入相對狹窄空間替代人類執行各種操作，所以它們具有廣闊的應用前景。上下樓梯只是雙足機器人具有的基本功能。而建立機器人的運動學模型，分析其上下樓梯的過程，并研究其步態規劃方法，是實現雙足機器人穩定的步態非常重要的保證。

一些目前的研究成果已經計算出雙足機器人的上下樓梯的步態規劃。如Yusuke Sugahara以及其他人提出通過調整腰部關節的角度和預先設置的零點力矩（ZMP）軌跡來設計機器人的步態規劃方法爬樓梯。而Jeon以及其他人通過四項多項式計算關節的運動軌跡，并優化的機器人上下樓所需的最小能耗，實現機器人上樓梯的步態規劃。Eun-Su等人則通過優化多項式參數與動態加密算法和自適應遺傳算法，并且結合低階多項式來計算各關節的運動軌跡，最后研究軸承扭矩和能源消耗和ZMP，直至機器人能穩定上下樓梯從而規劃機器人的上樓梯軌跡。Song Xian-xi等學者利用踝關節的運動軌跡，并調整踝關節的旋轉角與利用模糊控制算法使ZMP的位置接近支撐區域的中心，實現機器人穩定上樓梯的步態規劃。除此之外，其他一些國際和國內學者也做了相關研究關于雙足機器人的上下樓梯或上下斜坡的步態規劃。上面的算法主要是基于關節軌跡的預先計算，然后通過模糊控制算法或遺傳算法優化步態等，這些算法相當復雜，因為計算量是非常巨大的，而且處理時間非常長。

本文在分析雙足機器人動作的基礎上，提出一個基于重復變換法（RDK）的新算法來規劃攀爬動作和前向運動。算法的核心主要是通過腰部關節的運動來調整重心位置，以滿足重心位置變化的需求，規劃機器人能穩定地上樓梯且不讓機器人摔倒的步態。

2.仿真模型的建立

雙足機器人的仿真模型如圖1所示。

圖1 雙足機器人的仿真模型

圖1中的模型有 6個自由度。分別是每條腿有3個自由度，右腿包括踝關節JR1，膝關節JR2，髖關節JR3。而左腿包括踝關節JL1，膝關節JL2和髖關節JL3。腰關節是兩個自由度的球形關節。J7能夠使腰部關節向前和向后旋轉，而J8能夠使腰部關節左右擺動。根據資料分析，一個普通人的的質量75%都是集中于腰部的，所以我們可以忽略身體下部的質量，而在建立模型時可以令機器人的腰部位置設為重心點c建立坐標系，并簡化機器人的上半身。假設每個關節的順時針旋轉為負方向，而逆時針旋轉方向為正方向。接著我們可以忽略動力學的影響，只考慮機器人上樓梯的靜態步行的過程。

通過靜力學的公式，我們可以得到重心的投影坐標是:

在公式中，θ7是腰部關節向前和向后旋轉的角度，而θ8是腰部關節左右旋轉的角度。鑒于FL和FR在地面上的支撐力分別作用于機器人的左、右腳，所以我們得出:

在公式中g是重力加速度，M的質量重心，Lw是左腳和右腳之間的橫向距離。在機器人上樓梯的過程中，首先應該保證機器人不會摔倒，所以當它雙腳支撐全身時，ZMP應該時刻保持在兩腳之間的區域，也就是說F = min（FR，FL）> 0。機器人一只腳支撐時，ZMP應該保持在支撐區域，也就是說，FL > 0或FR > 0。當機器人一只腳支撐整體時，支撐腳的中心是最穩定的支點，坐標設為B（x0，y0），為了表達機器人的穩定度，機器人ZMP和B點之間的距離關系，公式是:

3.上樓梯的步態分析

機器人上樓梯的動作可以分解為以下步驟:首先機器人從兩腳的中間移動ZMP到支撐腳（右腳）;然后當重心完全轉移到右腳時，彎曲左腿并向前移動；第三重心逐漸從右腳移動向左腳，最后重心完全轉移到左腳時，機器人彎曲左腿和伸直腰部上樓梯。然后機器人的右腳重復上述流程從而完成整個操作。在上述過程中，機器人的重心點C在地面上的投影如（1）所示，和運動的重心是圖2所示:

圖2 機器人的重心軌跡，在圖中重心的初始位置是，重心移動是

A基于重復變換法（RDK）算法的重心移動

調整機器人的重心位置使其上部的身體滿足ZMP的約束要求，而身體上半身的重心基于重復變換法算法實現。機器人上樓梯的過程中，可以通過旋轉腰部關節的自由度θ7θ8來計算機器人的9個姿態。由于腰部關節有限制的旋轉范圍，根據（1）機器人的重心位置C投影在地上計算相應的每個姿勢和根據（2）分別計算左腳和右腳的支撐力FL和FR。重復這種方式，直到機器人完成其重心的運動。詳細算法描述如下:（1）設置機器人的腰部關節旋轉范圍（θimin，θimax）和初始角度θi（i = 1、2、3、7、8）。

（2）給定腰部關節兩個旋轉方向的旋轉角度（-θi，0，+θi）（i = 7、8），并計算32個步態和相應的正運動學方程。

（3）在計算出的32個動作中，限定機器人不會摔倒的條件下，然后挑出符合要求的動作，并增加支撐力。如果上面的要求并不存在，也就是說支撐腳的反作用力或FR小于0，那么這意味著目標任務不能完成。

（4）通過（3）得出在每個符合要求的姿勢中，設ZMP到最穩定的支點距離l，并選擇最低值lmin是機器人的步態。然后再回到（2）。

不斷重復上述過程并更改腰部關節的步態。根據優化條件規劃ZMP運動軌跡，使機器人本身不摔倒且滿足需求，使其最穩定地上樓梯。

B上樓梯的步態規劃算法

由于機器人的重心在兩腳中間，根據該算法機器人的總重心轉移到支撐腳（右腳），并抬高另一只腳（左腳）時，機器人的重心保持在前向（右腳），我們可以得到旋轉角θL1和θL2，根據機器人每個關節之間的幾何關系確定腿的姿勢。然后根據該算法對重心的運動，ZMP通過機器人調整腰部關節θ7和θ8轉移到左腳。接下來，逐漸伸直腰部和支撐腳（左腳）來抬起身體。抬起身體的同時，ZMP應該保持固定（左腳下）。詳細的方法是通過正向運動學確定重心的位置C在支撐腳（左腳），然后基于重復變換法優化腰部關節的旋轉角和總重心的位置，實現保持ZMP保持不變。機器人重復上述過程，直到腰部和支撐腳再伸直，抬起身體能夠完整爬樓梯。具體方法描述如下:（1）根據上述步驟和機器人之間的幾何關系，確定各關節的旋轉角θL1和θL2。（2）根據算法對重心的運動在一個部分中，移動機器人的ZMP到左腳。

（3）為了伸直腿和抬起身體，給左膝關節的θL1和踝關節θL2相應的微小增量+θLi（i = 1、2），然后確定重心的位置C在左腳的正向運動學方程。

（4）基于重復變換法優化腰部關節的轉動角度θ7和θ8，總重心的位置和保持ZMP不變。回到3），重復上述過程，直到機器人抬起身體，再次申直腰部和支撐腳，并順利地上樓梯。

4.仿真例子

根據上面的仿真模型和算法，我們模擬機器人上樓梯的動作。讓高度Sh = 150mm和寬度Sw = 275mm，機器人的質量M = 60 kg，腳的寬度W = 70mm。機器人各關節的參數和初始角的設置如表1和表2所示。

表1 機器人的結構參數

圖3雙足機器人的步態圖

機器人上樓梯的整個過程如圖所示。圖4表示ZMP的變化軌跡，虛線的部分是兩個腳之間的區域，灰色線是正確的位置。圖6表示支持腳的力隨著時間的變化。圖7表示各關節的角度隨著時間的變化。

機器人的ZMP位置從兩腳之間移動到右腳，令FR變得越來越大。雖然FL= 0，但是ZMP的位置完全在右腳。保持ZMP不變，機器人可以彎曲左腳并前向運動。可以通過幾何關系計算出左下肢關節角度即θL1和θL2。在這個階段，機器人的步態變化如（a）和（b）所示的圖，圖4所示為ZMP軌跡變化。圖6所示腳的支持力隨時間變化的圖。圖7表示腰部關節的角度隨時間的轉換和基于重復變換法的重心的運動。機器人反復調整θ7和θ8移動身體，使ZMP逐漸轉移到左腳。在運動的過程中，身體上部的運動如圖（c），圖（d）和圖（e）所示。相關參數變化作為EF的一部分如圖4，圖6和圖7。

由支撐腳（左腳）的正向運動學，我們可以逐步確定重心位置和腰部關節參數，基于重復變換法確定腰部關節的構成（θ7和θ8），同時保持機器人的ZMP。重復上面的過程，直到腰部和支撐腳協調和抬起身體完成上樓梯的動作。機器人的姿態在這個過程中顯示為圖（e）-（h），腰部關節角和左腳的變化如圖7所示。在這個過程中腰和左腳變得筆直，機器人的ZMP本質上是保持在點F如圖4所示，然后右腳彎曲向前移動一步。機器人以這種循環方式完成上樓梯的動作。

圖4雙足機器人的ZMP軌跡

圖7雙足機器人的關節軌跡

討論：本文仍然適用于參數變化時，也就是說增加腳步的高度或跨度，機器人可以調整其ZMP在支撐腳上的位置。但當姿態的參數超過機器人重心的移動范圍，機器人將無法滿足ZMP的要求上樓梯。如果我們不考慮機器人的各關節的扭矩范圍和所有機器人的參

數，設置與上一節相同的高度和寬度，分別改變Sh = 350mm和Sw = 650mm。機器人上樓梯的動作顯示在圖8。從圖中，我們可以看到，無論怎樣的上半身動作，也就是說無論θ7和θ8如何調整，ZMP不能移動到機器人的支撐腳來完成其上樓梯。

圖8 雙足機器人的姿態圖

事實上在關節可承受扭力矩圍內，機器人的各關節都可以承受上樓梯所需的力。當我們考慮各關節的扭矩范圍時，我們只需要改變算法（4）的一部分，根據反復調整ZMP的重復變換法在第三節的其中一個部分，可以改變扭矩Ti（i = 1、2、3、7、8）各關節的姿勢（在第3部分）并確定關節之間的最小轉矩值所做出相應的機器人姿勢，然后回到（2）。

5.結論

本文以6自由度機器人為例提出了一個重復變換法來規劃上樓梯的步態，并得出以下結論：機器人可以通過其腰部關節調整重心的位置，以滿足ZMP穩定的要求，基于重復變換算法（RDK）規劃上樓梯動作和利用機器人的正運動學可以先后規劃機器人的穩定步態。算法也適用于機器人的下樓梯的動作。

本文只是初步研究雙足步行機器人上樓梯的靜態步態。在未來的工作中，我們將進一步分析動態步態規劃來補充本文的算法。

【參考文獻】

[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

致謝

本文由廣東工業大學研究合作項目（No.2012B091100145）支持。

第五篇：雙足競步機器人技術總結報告

編制單位：侏羅紀工作室作 者：侯兆棟 版 本：V0.1 發布日期：2010-8-20 審 核 人： 批 準 人：

雙足競步機器人技術總結報告

? 引言

2010年中國機器人大賽已經結束，回顧整個比賽及賽前調試過程，我們遇到了很多問題，下面就將我們遇到的問題做一分析和總結，并提出改進方案，對我們以后的工作有所幫助。

? 遇到的問題及原因分析

? 機器人穩定性不好

機器人在走路的過程中不穩，比較晃。造成此問題的原因有兩個： 1.機器人高度過高。

由于我們用成型的U型套件，套件高度是固定的，我們必須將腿做成一定的高度才能保證腰翻下去不壓腳；下面兩個套件決定了腰的高度，所以總體下來我們的機器人高度比較高，導致機器人重心比較高，平衡性不好，造成不穩定。2.步態設計不合理。

在動作上需要6個舵機同時配合，要做到很協調，還是很有難度的，某個舵機的角度，速度都會對整個機器人的行走造成影響，這也是造成機器人走路不穩定的原因。? 舵機控制問題

舵機控制原理

控制信號由接收機的通道進入信號調制芯片，獲得直流偏置電壓。它內部有一個基準電路，產生周期為 20ms，寬度為1.5ms的基準信號，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負輸出到電機驅動芯片決定電機的正反轉。當電機轉速一定時，通過級聯減速齒輪帶動電位器旋轉，使得電壓差為0，電機停止轉動。

電源線和地線用于提供舵機內部的直流電機和控制線路所需的能源．電壓通常介于4～6V，一般取5V。注意，給舵機供電電源應能提供足夠的功率。

控制線的輸入是一個寬度可調的周期性方波脈沖信號，方波脈沖信號的周期為20 ms(即頻率為50 Hz)。當方波的脈沖寬度改變時，舵機轉軸的角度發生改變，角度變化與脈沖寬度的變化成正比。

? 上電機器人亂動

問題在于上電程序初始化時，沒有給出一個確定的值來產生一個確定的脈沖，脈沖給舵機后，舵機狀態不定，就出現了亂動的現象。? 舵機抖動

在調試過程中，舵機出現抖舵的問題，主要原因有：

1、控制板供電電源電壓不足

控制板供電電源電壓不足，引起芯片電源電壓不穩定，導致輸出脈沖抖動，測得當供電電壓降低到5V以下經過78M05穩壓，再經過ASM1117穩壓后，輸出脈沖高電平電壓再2.5V左右，是一不可靠的高電平，輸入舵機控制電路后，輸出的直流偏置電壓不準確，導致舵機抖動。

2、脈沖精度不夠

很多舵機的位置等級有1024個，如果舵機的有效角度范圍為180度的話，其控制的角度精度是可以達到180/1024度，約0.18度，從時間上看其實要求的脈寬控制精度為2000/1024us，約2us。

此次為節省芯片資源，先將時鐘進行一次分頻，再拿分頻產生的時鐘來控制脈沖的時基計數器和步進計數器，這樣，每個計數器的計數值變小，節省了一定的資源，但在控制精度上有所下降，控制板產生的脈沖精度為：

脈沖時基計數值為：1600；步進計數值為：1或2； 則： 脈沖精度為1/1600 * 20 ms = 12.5 us 與舵機的要求精度相差很大，由于模擬舵機的無反應區比較大，當以較低精度的脈沖來控制舵機時，在某個時刻舵機狀態不定就會出現抖舵現象。

? 燒電路板

電路板原理圖如下：

此原理圖比較簡單，沒有什么原理性的東西，也沒有做隔離和保護，電源模塊有兩路供電，一路經過開關后直接給舵機供電，另一路經過兩級穩壓輸出3.3V電壓，滿足EPM1270的供電需求；復位是直接通過一電阻拉到地上，進行低電平復位；時鐘模塊是一有源晶振，接上電源后就可以起振；其他都是接口。

在調試過程中，有一段時間，老燒電路板，每次燒的都是CPLD芯片，從CPLD手冊上查得：

芯片3.3V供電時，I/O口的單端輸出電壓為3.3V

3.3V供電時，輸出高電平電流為16mA，輸出低電平電流為8 mA;由以上資料分析，燒板子的原因可能是： 1.電平不匹配。

CPLD輸出電平電壓為3.3V，而舵機需要的為TTL電平，由于外部再沒有加驅動電路，這樣CPLD的I/O端口驅動能力有限，當同時有幾個舵機轉時或者舵機轉的角度比較大時負載過重，導致CPLD燒壞。

2.電流回流和尖峰脈沖

舵機中有一直流電機，當直流電機轉的時候，自身也會產生電流，若多個舵機同時轉，且轉的角度比較大時，各舵機自身產生的電流匯集到一起應該是表較大的，若電流倒流入電路板，電路板可能因電流過大而燒壞；另一點就是尖峰脈沖，舵機在轉的過程中若產生尖峰脈沖，倒灌入電路板也可能因電流過大而燒壞芯片。

這應該是此次電路板燒的主要原因。3.電路板制作工藝

在刻PCB板時，板子阻焊做的不好，在焊接的過程中，容易在電路板上留下焊錫渣，如果掉入芯片兩引腳之間，也可能引起短路，導致電路板燒壞。? 解決方案

? 機器人穩定性解決方案

結構

對機器人整體結構應該在現有基礎上加以改進，比如在機器人高度上，以及腰部；對于U型套件，自己做，用AutoCAD設計出機器人結構圖、套件圖，拿到機床去加工，這樣能保證套件精度，和結構的合理性，將機器人結構對研究帶來的影響減到最小。? 步態設計

對機器人走路的步態進行更合理的設計，保證走路過程中的平穩。

? 舵機控制解決方案

上電亂動

在上電程序初始化時應該給舵機一個確定的脈沖，而且此狀態持續時間應稍長，問題就會得到解決。? 舵機抖動

首先，保證電源電量充足，電壓保持穩定，給芯片一個穩定的電壓，保證輸出脈沖的穩定性；其次，增加脈沖精度，即脈沖寬度的步進不要太大，這樣既能精確的控制舵機，又能避免舵機的抖動；另外，可以在后端加一脈沖整形電路，可以濾除毛刺等脈沖。

? 電路板解決方案

電平不匹配問題。

對于此問題，可在后端加一電平轉換芯片，增強驅動能力，保證I/O口有足夠的能力來驅動舵機。? 電流回流和尖峰脈沖

方案一：加電容吸收

在舵機前端加一電容來吸收尖峰脈沖，但此方法經過實際驗證不可行。加電容后，從I/O口輸出的脈沖被電容吸收了，舵機不轉。

方案二：光電隔離 + 整形

為了防止干擾,舵機控制信號和驅動電路應光耦光電隔離, 將信號隔開，避免舵機轉動對控制板的影響。

通過隔離出來的控制信號, 還必須經過整形以消除毛刺, 增加信號的穩定性, 提高信號的輸出電流。整形可采用施密特觸發器，施密特觸發器是脈沖波形變換中經常使用的一種電路，它是具有滯后特性的數字傳輸門，且受電源限制，可對輸入波形進行變換和整形；另外，還可以采用通過比較器整形的方法來消除毛刺比如用LM324，LM393等。? 電路板制作工藝

在今后做板的時候應該加強阻焊和助焊這兩道工序，能保證焊接時不出現板子上有雜物而導致短路的情況；在板子焊好后，在引腳密集的芯片處采取一些措施，如涂上硅膠或者蠟，以防短路。

? 總結

本文針對此次比賽中出現的問題，進行原因分析，并提出解決辦法，為以后的研究提供一個參考。針對出現的問題，具體解決方案需在今后的研究中結合實際情況來確定。