第一篇：雙足競步機(jī)器人技術(shù)總結(jié)報(bào)告

編制單位：侏羅紀(jì)工作室作 者：侯兆棟 版 本：V0.1 發(fā)布日期：2010-8-20 審 核 人： 批 準(zhǔn) 人：

雙足競步機(jī)器人技術(shù)總結(jié)報(bào)告

? 引言

2010年中國機(jī)器人大賽已經(jīng)結(jié)束，回顧整個(gè)比賽及賽前調(diào)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(jié)，并提出改進(jìn)方案，對(duì)我們以后的工作有所幫助。

? 遇到的問題及原因分析

? 機(jī)器人穩(wěn)定性不好

機(jī)器人在走路的過程中不穩(wěn)，比較晃。造成此問題的原因有兩個(gè)： 1.機(jī)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(gè)套件決定了腰的高度，所以總體下來我們的機(jī)器人高度比較高，導(dǎo)致機(jī)器人重心比較高，平衡性不好，造成不穩(wěn)定。2.步態(tài)設(shè)計(jì)不合理。

在動(dòng)作上需要6個(gè)舵機(jī)同時(shí)配合，要做到很協(xié)調(diào)，還是很有難度的，某個(gè)舵機(jī)的角度，速度都會(huì)對(duì)整個(gè)機(jī)器人的行走造成影響，這也是造成機(jī)器人走路不穩(wěn)定的原因。? 舵機(jī)控制問題

舵機(jī)控制原理

控制信號(hào)由接收機(jī)的通道進(jìn)入信號(hào)調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。它內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為 20ms，寬度為1.5ms的基準(zhǔn)信號(hào)，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(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，通過級(jí)聯(lián)減速齒輪帶動(dòng)電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

電源線和地線用于提供舵機(jī)內(nèi)部的直流電機(jī)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(jī)供電電源應(yīng)能提供足夠的功率。

控制線的輸入是一個(gè)寬度可調(diào)的周期性方波脈沖信號(hào)，方波脈沖信號(hào)的周期為20 ms(即頻率為50 Hz)。當(dāng)方波的脈沖寬度改變時(shí)，舵機(jī)轉(zhuǎn)軸的角度發(fā)生改變，角度變化與脈沖寬度的變化成正比。

? 上電機(jī)器人亂動(dòng)

問題在于上電程序初始化時(shí)，沒有給出一個(gè)確定的值來產(chǎn)生一個(gè)確定的脈沖，脈沖給舵機(jī)后，舵機(jī)狀態(tài)不定，就出現(xiàn)了亂動(dòng)的現(xiàn)象。? 舵機(jī)抖動(dòng)

在調(diào)試過程中，舵機(jī)出現(xiàn)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(wěn)定，導(dǎo)致輸出脈沖抖動(dòng)，測得當(dāng)供電電壓降低到5V以下經(jīng)過78M05穩(wěn)壓，再經(jīng)過ASM1117穩(wěn)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(jī)控制電路后，輸出的直流偏置電壓不準(zhǔn)確，導(dǎo)致舵機(jī)抖動(dòng)。

2、脈沖精度不夠

很多舵機(jī)的位置等級(jí)有1024個(gè)，如果舵機(jī)的有效角度范圍為180度的話，其控制的角度精度是可以達(dá)到180/1024度，約0.18度，從時(shí)間上看其實(shí)要求的脈寬控制精度為2000/1024us，約2us。

此次為節(jié)省芯片資源，先將時(shí)鐘進(jìn)行一次分頻，再拿分頻產(chǎn)生的時(shí)鐘來控制脈沖的時(shí)基計(jì)數(shù)器和步進(jìn)計(jì)數(shù)器，這樣，每個(gè)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值變小，節(jié)省了一定的資源，但在控制精度上有所下降，控制板產(chǎn)生的脈沖精度為：

脈沖時(shí)基計(jì)數(shù)值為：1600；步進(jìn)計(jì)數(shù)值為：1或2； 則： 脈沖精度為1/1600 * 20 ms = 12.5 us 與舵機(jī)的要求精度相差很大，由于模擬舵機(jī)的無反應(yīng)區(qū)比較大，當(dāng)以較低精度的脈沖來控制舵機(jī)時(shí)，在某個(gè)時(shí)刻舵機(jī)狀態(tài)不定就會(huì)出現(xiàn)抖舵現(xiàn)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(hù)，電源模塊有兩路供電，一路經(jīng)過開關(guān)后直接給舵機(jī)供電，另一路經(jīng)過兩級(jí)穩(wěn)壓輸出3.3V電壓，滿足EPM1270的供電需求；復(fù)位是直接通過一電阻拉到地上，進(jìn)行低電平復(fù)位；時(shí)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(diào)試過程中，有一段時(shí)間，老燒電路板，每次燒的都是CPLD芯片，從CPLD手冊(cè)上查得：

芯片3.3V供電時(shí)，I/O口的單端輸出電壓為3.3V

3.3V供電時(shí)，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(jī)需要的為TTL電平，由于外部再?zèng)]有加驅(qū)動(dòng)電路，這樣CPLD的I/O端口驅(qū)動(dòng)能力有限，當(dāng)同時(shí)有幾個(gè)舵機(jī)轉(zhuǎn)時(shí)或者舵機(jī)轉(zhuǎn)的角度比較大時(shí)負(fù)載過重，導(dǎo)致CPLD燒壞。

2.電流回流和尖峰脈沖

舵機(jī)中有一直流電機(jī)，當(dāng)直流電機(jī)轉(zhuǎn)的時(shí)候，自身也會(huì)產(chǎn)生電流，若多個(gè)舵機(jī)同時(shí)轉(zhuǎn)，且轉(zhuǎn)的角度比較大時(shí)，各舵機(jī)自身產(chǎn)生的電流匯集到一起應(yīng)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(diǎn)就是尖峰脈沖，舵機(jī)在轉(zhuǎn)的過程中若產(chǎn)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(yīng)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(shí)，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(dǎo)致電路板燒壞。? 解決方案

? 機(jī)器人穩(wěn)定性解決方案

結(jié)構(gòu)

對(duì)機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)應(yīng)該在現(xiàn)有基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，比如在機(jī)器人高度上，以及腰部；對(duì)于U型套件，自己做，用AutoCAD設(shè)計(jì)出機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖、套件圖，拿到機(jī)床去加工，這樣能保證套件精度，和結(jié)構(gòu)的合理性，將機(jī)器人結(jié)構(gòu)對(duì)研究帶來的影響減到最小。? 步態(tài)設(shè)計(jì)

對(duì)機(jī)器人走路的步態(tài)進(jìn)行更合理的設(shè)計(jì)，保證走路過程中的平穩(wěn)。

? 舵機(jī)控制解決方案

上電亂動(dòng)

在上電程序初始化時(shí)應(yīng)該給舵機(jī)一個(gè)確定的脈沖，而且此狀態(tài)持續(xù)時(shí)間應(yīng)稍長，問題就會(huì)得到解決。? 舵機(jī)抖動(dòng)

首先，保證電源電量充足，電壓保持穩(wěn)定，給芯片一個(gè)穩(wěn)定的電壓，保證輸出脈沖的穩(wěn)定性；其次，增加脈沖精度，即脈沖寬度的步進(jìn)不要太大，這樣既能精確的控制舵機(jī)，又能避免舵機(jī)的抖動(dòng)；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(duì)于此問題，可在后端加一電平轉(zhuǎn)換芯片，增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力，保證I/O口有足夠的能力來驅(qū)動(dòng)舵機(jī)。? 電流回流和尖峰脈沖

方案一：加電容吸收

在舵機(jī)前端加一電容來吸收尖峰脈沖，但此方法經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)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(jī)不轉(zhuǎn)。

方案二：光電隔離 + 整形

為了防止干擾,舵機(jī)控制信號(hào)和驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)光耦光電隔離, 將信號(hào)隔開，避免舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)控制板的影響。

通過隔離出來的控制信號(hào), 還必須經(jīng)過整形以消除毛刺, 增加信號(hào)的穩(wěn)定性, 提高信號(hào)的輸出電流。整形可采用施密特觸發(fā)器，施密特觸發(fā)器是脈沖波形變換中經(jīng)常使用的一種電路，它是具有滯后特性的數(shù)字傳輸門，且受電源限制，可對(duì)輸入波形進(jìn)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(shí)候應(yīng)該加強(qiáng)阻焊和助焊這兩道工序，能保證焊接時(shí)不出現(xiàn)板子上有雜物而導(dǎo)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(jié)

本文針對(duì)此次比賽中出現(xiàn)的問題，進(jìn)行原因分析，并提出解決辦法，為以后的研究提供一個(gè)參考。針對(duì)出現(xiàn)的問題，具體解決方案需在今后的研究中結(jié)合實(shí)際情況來確定。

第二篇：雙足步行機(jī)器人相關(guān)翻譯

本科畢業(yè)論文

外文文獻(xiàn)及譯文

文獻(xiàn)、資料題目：Walking Control algorithm of

Biped Humanoid Robot

文獻(xiàn)、資料來源：期刊

文獻(xiàn)、資料發(fā)表（出版）日期：1999.6.3 院（部）： 理學(xué)院

專

業(yè)： 光信息科學(xué)與技術(shù) 班

級(jí)： 光信112 姓

名： 王若宇 學(xué)

號(hào)： 2011121135 指導(dǎo)教師： 趙俊卿 翻譯日期： 2015.5.14

山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文外文文獻(xiàn)及翻譯

外文文獻(xiàn)：

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：機(jī)器人總結(jié)報(bào)告

機(jī)器人總結(jié)報(bào)告

各位老師、各位同學(xué)：

大家晚上好！

首先真誠的感謝孫老師和鮑老師給我提供這次很好的機(jī)會(huì)，我很高興也很榮幸的能夠在此與大家共同交流，共同學(xué)習(xí)。下面我就機(jī)器人的整個(gè)制作過程給大家簡單的介紹一下：

下面是提綱：

首先給機(jī)器人做簡單的分類然后再從下面兩個(gè)方面介紹：

一、硬件：

（1）、從大一接手焊接任務(wù)引入，強(qiáng)調(diào)實(shí)踐動(dòng)手能力對(duì)制作機(jī)器人的重要性。

（2）、在家電維修隊(duì)中經(jīng)過系統(tǒng)的學(xué)習(xí)對(duì)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)提供了保障，并由此引入機(jī)器人制作的工作重心是前期的總體規(guī)劃。

二、軟件：

（1）、從機(jī)器人的控制部分單片機(jī)引入，首先對(duì)單片機(jī)做簡單的介紹，為什么學(xué)習(xí)單片機(jī)，以及其用途。

（2）通過單片機(jī)的學(xué)習(xí)總結(jié)下自己的學(xué)習(xí)經(jīng)歷。

（3）最后由單片機(jī)引入程序設(shè)計(jì)，簡單介紹機(jī)器人的軟件實(shí)現(xiàn)方法。

三、做一下概括性的總結(jié)，并對(duì)新生提出建議。

第四篇：信電學(xué)院六足機(jī)器人技術(shù)報(bào)告（最終版）

機(jī)器人大賽

技術(shù)報(bào)告

項(xiàng)目名稱：六足機(jī)器人 隊(duì)伍名稱： 參賽隊(duì)員：韓亮

趙迅恒

曹嘉

翟周林

劉曉

帶隊(duì)教師：

第一章 前 言

機(jī)器人競賽是一項(xiàng)體育與高科技結(jié)合的對(duì)抗項(xiàng)目，涉 及機(jī)械電子、智 能控制、計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能等多種學(xué)科和研究領(lǐng)域，是培養(yǎng)信息、自動(dòng)化科技人才，展示高科技成果，促進(jìn)實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化的新途徑。各類機(jī)器人大賽的舉辦，對(duì)于普及機(jī)器人科學(xué)技術(shù)，促 進(jìn)人工智能與機(jī)器人技術(shù)的研究和應(yīng)用都將產(chǎn)生重要推動(dòng)作用。

江蘇省大學(xué)生機(jī)器人大賽每兩年舉行一次。繼2004 年舉辦以來，經(jīng)過近四年的努力和各方面的大力支持，江蘇省的大學(xué)生機(jī)器人水平已走在全國前列，在中國機(jī)器人大賽、CCTV 杯電視機(jī)器人大賽、亞太機(jī)器人挑戰(zhàn)賽、ROBOTCUP 足球世界杯的國內(nèi)外機(jī)器人大賽中屢創(chuàng)佳績。

我校高度重視在大學(xué)生中大力開展創(chuàng)新實(shí)踐教育，鼓 勵(lì)學(xué)生參與各類科技創(chuàng)新活動(dòng)，其中機(jī)器人制作水平高，特點(diǎn)突出，比賽開展得如火如荼，學(xué)生在參加全國、行業(yè)協(xié)會(huì)等各項(xiàng)機(jī)器人賽事中，取得了不俗成績：2003 年參加“馬斯特杯”中國機(jī)器人大賽的舞蹈機(jī)器人和機(jī)器人游北京項(xiàng)目，獲得二等獎(jiǎng)1 項(xiàng)、三等獎(jiǎng)2 項(xiàng)；在 第四屆全國智能機(jī)器人大賽中獲得 2 項(xiàng)二等獎(jiǎng)；在 “ 動(dòng)感地帶杯”2 004年江蘇省大學(xué)生機(jī)器人大賽中，獲 冠軍1 項(xiàng)，鼓 勵(lì)獎(jiǎng)2 項(xiàng)；在 “ 新科導(dǎo)航杯”2 005年中國機(jī)器人大賽中，我校參賽的5 個(gè)機(jī)器人全部獲獎(jiǎng)，奪得舞蹈組冠軍、類人組季軍，獲得舞蹈組一、二、三等獎(jiǎng)各 1 項(xiàng)，類人組三等獎(jiǎng) 2 項(xiàng)。2005 年 5 月中央電視臺(tái)《異想天開》欄目以我校機(jī)器人大賽為背景，攝制了五集專題節(jié)目。在2007“銀泉杯”中國機(jī)器人大賽中，我校26 支代表隊(duì)在比賽中再獲佳績，共獲得一等獎(jiǎng)5 項(xiàng)、二等獎(jiǎng) 4 項(xiàng)、三等獎(jiǎng) 9 項(xiàng)。月31 日上午，2008’“百年礦大杯”第三屆江蘇省大學(xué)生機(jī)器人大賽在我校隆重開幕。江蘇省教育廳高教處副處長經(jīng)貴寶，江蘇省科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)科普部部長李樹奎，江蘇省科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)學(xué)會(huì)部部長王安寧，中國自動(dòng)化學(xué)會(huì)機(jī)器人競賽工作委員會(huì)主任孫增圻，江蘇省自動(dòng)化學(xué)會(huì)秘書長葉樺，我校校長葛世榮、副校長宋學(xué)鋒，徐州師范大學(xué)副校長韓寶平，本次大賽組委會(huì)、技術(shù)委員會(huì)、仲裁委員會(huì)、裁判委員會(huì)的部分委員等出席了開幕式并在主席臺(tái)就座。各參賽隊(duì)的領(lǐng)隊(duì)老師和學(xué)生參加了開幕式。開幕式由我校信電學(xué)院院長馬小平主持。

開幕式開始之前，全體起立，向四川汶川地震中遇難的同胞默哀1 分鐘。開幕式上，副校長宋學(xué)鋒首先致歡迎辭。他簡單介紹了我校的發(fā)展歷史及取得的突出成就。他指出，多年來，我校對(duì)培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和能力的高素質(zhì)人才始終給予了高度重視，切實(shí)加強(qiáng)創(chuàng)新教育，特別注重機(jī)械電子、智能控制、計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能等相關(guān)學(xué)科的建設(shè)以及教育教學(xué)工作。近幾年來，我校本科生共有1500 余人次獲得省級(jí)以上科技競賽獎(jiǎng)勵(lì)1000 多項(xiàng)，大 學(xué)生累計(jì)獲得專利授權(quán) 110 余項(xiàng)，先后有 11 篇博士論文入選全國百篇優(yōu)秀博士論文。他表示，作為本次大學(xué)生機(jī)器人大賽的承辦高校，我們將努力為參賽隊(duì)員提供良好的比賽、生活條件，學(xué)校各有關(guān)部門和單位要同心協(xié)力，全力支持和配合大賽組委會(huì)、技術(shù)委員會(huì)和仲裁委員會(huì)，全 力以赴做好大賽的組織工作，保 證大賽的順利有序進(jìn)行，努力把本屆大賽辦成有水平、有特色、有影響的一屆大賽。

省教育廳高教處副處長經(jīng)貴寶致辭。他說，本次機(jī)器人大賽是我省人工智能研究和應(yīng)用領(lǐng)域交流的一次盛會(huì)，也是面向全省高校和研究機(jī)構(gòu)規(guī)模最大、水平最高的機(jī)器人賽事。機(jī)器人大賽是一個(gè)非常好的平臺(tái)，省教育廳非常重視大學(xué)生的競賽，將其作為培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新人才的試驗(yàn)田，作為深化教學(xué)改革的突破口，作為加快人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新的助推器。大賽是培養(yǎng)大學(xué)生工程素養(yǎng)、創(chuàng)新實(shí)踐能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神和展示才華的舞臺(tái)；大賽可以激發(fā)學(xué)生探索求知的興趣，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動(dòng)性和創(chuàng)造性；大賽也是老師提升自我的一個(gè)平臺(tái)。他希望把本屆大賽辦成有水平、有特色、有影響的一屆大賽；希望各參賽隊(duì)員沉著迎戰(zhàn)、相互學(xué)習(xí)，遵守規(guī)則、尊重裁判，賽出水平、賽出風(fēng)格；希望廣大裁判員同志和仲裁委員會(huì)恪守“公正、公平、公開”的原則，確保大賽的嚴(yán)肅性。

中國人工智能學(xué)會(huì)副理事長，中國自動(dòng)化學(xué)會(huì)機(jī)器人競賽工作委員會(huì)主任孫增圻致辭。他真誠地希望機(jī)器人競賽不僅僅是一場比賽，而是通過比賽要更好地建立起高校創(chuàng)新與國家發(fā)展的橋梁，進(jìn) 一步提升青少年的創(chuàng)新能力與發(fā)明精神，為國家經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展奉獻(xiàn)力量。他強(qiáng)調(diào)指出，本屆機(jī)器人大賽得到了江蘇省教育廳、省科技協(xié)會(huì)及省自動(dòng)化協(xié)會(huì)及中國礦業(yè)大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的高度重視，經(jīng)過一年多的精心籌備，廣泛宣傳動(dòng)員，參賽學(xué)校、人數(shù)和作品數(shù)量、質(zhì)量等較前兩屆均取得了很大的突破，為大賽的順利舉行奠定了良好的基礎(chǔ)。隨后，參賽選手代表、裁判代表分別代表參賽隊(duì)員和全體裁判員進(jìn)行了宣誓。

在熱烈的掌聲中，我校校長葛世榮宣布：2008“百年礦大”杯第三屆江蘇省大學(xué)生機(jī)器人大賽開始。

此次機(jī)器人大賽由江蘇省教育廳和江蘇省科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)主辦、江蘇省自動(dòng)化學(xué)會(huì)和中國礦業(yè)大學(xué)承辦，為期 2 天。全省共有 50 所高校的 278 支代表隊(duì)報(bào)名參賽，領(lǐng)隊(duì)和教師200 余人，參賽學(xué)生達(dá)到833 人，大賽規(guī)模遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了前兩屆大賽。此次比賽項(xiàng)目主要包括 RoboCup 足球機(jī)器人比賽、FIRA 足球機(jī)器人比賽、舞蹈機(jī)器人比賽、機(jī)器人滅火比賽、機(jī)器人游江蘇比賽、機(jī)器人分揀搬運(yùn)比賽和機(jī)器人自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)比賽。其中 RoboCup 足球機(jī)器人比賽包括 RoboCup仿真機(jī)器人11：1 1 2D 足球比賽、R oboCup 仿真機(jī)器人2：2 3D 足球比賽、R oboCup中型機(jī)器人1：1 足球比賽、RoboCup 中型機(jī)器人2：2 足球比賽、RoboCup 中型機(jī)器人4：4 足球比賽和RoboCup 類人組機(jī)器人2：2 足球比賽等 6 組比賽；F IRA足球機(jī)器人比賽包括小型組和中型組2 類比賽。此外，在此次大賽期間，中國礦業(yè)大學(xué)還將邀請(qǐng)國內(nèi)外知名學(xué)者和專家

為參賽師生舉辦4 場以機(jī)器人技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用為主題的機(jī)器人論壇，邀 請(qǐng)江蘇省各高校自動(dòng)化專業(yè)的院長、科 研機(jī)構(gòu)的負(fù)責(zé)人舉辦以自動(dòng)化學(xué)科的發(fā)展為主題的第二屆江蘇省自動(dòng)化院長（主任）論壇。

第二章 方案論證 六足機(jī)器人整體有控制模塊，腿部組件，關(guān)節(jié)處舵機(jī)卡口組件以及身軀組建構(gòu)成。

經(jīng)過組內(nèi)數(shù)次商討研究，為較好的實(shí)現(xiàn)各模塊的功能，我們分別設(shè)計(jì)了幾種方案并分別進(jìn)行了論證。2.1 舵機(jī)控制器模塊

采用Atmel公司的Atmaga16L單片機(jī)作為主控制器。Atmage16有如下特點(diǎn)：16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash(具有同時(shí)讀寫的能力，即RWW)，512 字節(jié)EEPROM，1K 字節(jié)SRAM，32 個(gè)通用I/O 口線，32 個(gè)通用工作寄存器，用于邊界掃描的JTAG 接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，三個(gè)具有比較模式的靈活的定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器(T/C),片內(nèi)/外中斷，可編程串行USART，有起始條件檢測器的通用串行接口，8路10位具有可選差分輸入級(jí)可編程增益(TQFP 封裝)的ADC，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器，一個(gè)SPI 串行端口，以及六個(gè)可以通過軟件進(jìn)行選擇的省電模式。且mega系列的單片機(jī)可以在線編程、調(diào)試，方便地實(shí)現(xiàn)程序的下載與整機(jī)的調(diào)試產(chǎn)品特性。

? 高性能、低功耗的 8 位AVR? 微處理器 ? 先進(jìn)的RISC 結(jié)構(gòu)

– 131 條指令 – 大多數(shù)指令執(zhí)行時(shí)間為單個(gè)時(shí)鐘周期 – 32個(gè)8 位通用工作寄存器 – 全靜態(tài)工作

– 工作于16 MHz 時(shí)性能高達(dá)16 MIPS – 只需兩個(gè)時(shí)鐘周期的硬件乘法器 ? 非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 – 16K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash 擦寫壽命: 10,000 次

– 具有獨(dú)立鎖定位的可選Boot 代碼區(qū) 通過片上Boot 程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程 真正的同時(shí)讀寫操作 – 512 字節(jié)的EEPROM 擦寫壽命: 100,000 次 – 1K字節(jié)的片內(nèi)SRAM – 可以對(duì)鎖定位進(jìn)行編程以實(shí)現(xiàn)用戶程序的加密 ? JTAG 接口(與IEEE 1149.1 標(biāo)準(zhǔn)兼容)– 符合JTAG 標(biāo)準(zhǔn)的邊界掃描功能 – 支持?jǐn)U展的片內(nèi)調(diào)試功能

– 通過JTAG 接口實(shí)現(xiàn)對(duì)Flash、EEPROM、熔絲位和鎖定位的編程 ? 外設(shè)特點(diǎn)

– 兩個(gè)具有獨(dú)立預(yù)分頻器和比較器功能的8 位定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器 – 一個(gè)具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16 位定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器 – 具有獨(dú)立振蕩器的實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器RTC – 四通道PWM – 8路10 位ADC 8 個(gè)單端通道 TQFP 封裝的7 個(gè)差分通道 個(gè)具有可編程增益（1x, 10x, 或200x）的差分通道 – 面向字節(jié)的兩線接口 – 兩個(gè)可編程的串行USART – 可工作于主機(jī)/ 從機(jī)模式的SPI 串行接口 – 具有獨(dú)立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器 – 片內(nèi)模擬比較器 ? 特殊的處理器特點(diǎn)

– 上電復(fù)位以及可編程的掉電檢測 – 片內(nèi)經(jīng)過標(biāo)定的RC 振蕩器 – 片內(nèi)/ 片外中斷源

– 6種睡眠模式: 空閑模式、ADC 噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式、Standby 模式以及 擴(kuò)展的Standby 模式 ? I/O 和封裝

– 32 個(gè)可編程的I/O 口

– 40引腳PDIP 封裝, 44 引腳TQFP 封裝, 與44 引腳MLF 封裝 ? 工作電壓: – ATmega16L：2.7 5.5V – ATmega16：4.5 5.5V ? 速度等級(jí) – 0 8 MHz ATmega16L – 0 16 MHz ATmega16 ? ATmega16L 在1 MHz, 3V, 25°C 時(shí)的功耗 – 正常模式: 1.1 mA – 空閑模式: 0.35 mA – 掉電模式: < 1 μA

本來考慮過51單片機(jī)，但是由于其開發(fā)工具和單片機(jī)性能都不及AVR，所以就選

用了AVR系列。至于ARM和其他類型的更好的MCU，由于AVR已經(jīng)足夠處理，所以也未考慮。

2.2 腿部組件

六足機(jī)器人的腿部從構(gòu)造上決定了機(jī)器人整體的外觀效果和動(dòng)作靈活度。其選用的材料也決定著機(jī)器人的平衡穩(wěn)定性能。可謂六足機(jī)器人的靈魂所在。我們考慮過一下兩種方案作為機(jī)器人的腿部構(gòu)造設(shè)想。

方案1：采用3mm厚的鋁板，以手工加工的方式制作如下圖所示，有弧度的足部。中間留有卡槽配合卡口置放舵機(jī)。

其CAD三維示意圖如下圖所示：

經(jīng)實(shí)施該方案后，我們發(fā)現(xiàn)，該種方案選取的材料硬度不足，立地點(diǎn)尖銳細(xì)小。會(huì)出現(xiàn)某一只足部發(fā)生彎曲的現(xiàn)象。并且會(huì)產(chǎn)生舵機(jī)劇烈顫抖現(xiàn)象。因此我們放棄了該方案。

方案2：吸收前一版失敗的經(jīng)驗(yàn)后，我們?cè)O(shè)計(jì)了以下腿部方案：采用8mm厚的有機(jī)塑料板。使用玻璃切割機(jī)處理成為以下形狀：

其CAD三維示意圖如下圖所示：

最終我們采取該設(shè)計(jì)方案為最終方案。原因是：材料厚度及硬度足夠，可以有效地避免舵機(jī)顫抖及材料彎曲情況的發(fā)生。多出的一部分幾何設(shè)計(jì)更便于設(shè)想的舞蹈動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)。足部造型更加美觀。

2.3 關(guān)節(jié)舵機(jī)卡口組件

關(guān)節(jié)舵機(jī)卡口的作用是通過連接兩個(gè)舵機(jī)從而連接機(jī)器人的身體和足部，是該六足機(jī)器人中非常重要的一個(gè)部件。卡口的牢固與否決定了機(jī)器人的穩(wěn)定性能，因此對(duì)其設(shè)計(jì)也有很高的要求。對(duì)此，我們?cè)O(shè)計(jì)了以下兩種方案：

方案一：其CAD圖如下所示：

此卡口用2mm厚的鋁板制作而成，連接兩個(gè)420舵機(jī)，但是其中一個(gè)舵機(jī)的扭力不足，完成不了預(yù)先設(shè)計(jì)的動(dòng)作，而且也不能夠很牢固地固定好舵機(jī)，所以我們放棄了該方案。

方案二：其CAD圖如下所示：

根據(jù)改進(jìn)方案，我們用扭力更強(qiáng)的7955舵機(jī)替換了其中一個(gè)420舵機(jī)，所以卡口也在原有的基礎(chǔ)上做了些改進(jìn)，如上所示，其最大的改進(jìn)就是在下面加了一塊T形有機(jī)塑料板，該有機(jī)塑料板的作用有以下兩點(diǎn)：1，支撐并連接上面的兩個(gè)舵機(jī)，使它們更加的穩(wěn)固，不易產(chǎn)生晃動(dòng)；2，起到為7955舵機(jī)添加虛軸的作用。由于7955舵機(jī)沒有虛軸，因此我們根據(jù)420舵機(jī)虛軸的特點(diǎn)，在有機(jī)塑料板上做了以下處理，通過一個(gè)正六棱柱和圓柱的形狀鑿空有機(jī)板的一端，如下CAD圖所示：

在鑿空的六棱柱形狀中放入同等大小的螺帽，螺絲通過下方的圓柱形空洞螺入，從而具有了420舵機(jī)虛軸的特點(diǎn)。加入7955舵機(jī)的整體效果圖如下所示：

2.4 身軀組件

機(jī)器人主體的作用是置放舵機(jī)控制模塊以及穩(wěn)固各足部舵機(jī)。我們討論過以下三種方案：

方案一：圓形身體，圓形的好處是有高度的對(duì)稱性。但缺點(diǎn)是視覺效果不好，卡口設(shè)計(jì)繁瑣。此外，圓形的身體更為沉重，不利于機(jī)器人的靈活度。因此我們放棄了該方案。

方案二：正六邊形的身體，正六邊形身體的也具有圓形的高度對(duì)稱性的特點(diǎn)，并且比較美觀，缺點(diǎn)是沒有足夠的余地來設(shè)計(jì)與舵機(jī)相切合的卡口。方案三：在綜合考慮方案一與方案二后，我們決定采用以下方案，如圖所示：在正六邊形的基礎(chǔ)上給六個(gè)頂點(diǎn)添加突出的構(gòu)造，目的是未來使舵機(jī)有足夠的余地進(jìn)行與卡口連結(jié)。事實(shí)證明，這種方案是極為正確的。

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第五篇：【外文翻譯】雙足機(jī)器人上樓梯的步態(tài)規(guī)劃

雙足機(jī)器人上樓梯的步態(tài)規(guī)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(jī)器人的一種基本動(dòng)作。一個(gè)有效的算法對(duì)雙足步行的穩(wěn)定性是至關(guān)重要的。在本文中，我們以雙足機(jī)器人爬樓梯為例，提出一個(gè)基于重復(fù)變換法（RDK）的算法來規(guī)劃上樓梯動(dòng)作和前向運(yùn)動(dòng)。在本文提出的算法中，為了滿足上樓梯的穩(wěn)定性，機(jī)器人通過上身來調(diào)整質(zhì)心的位置，并且由重復(fù)變換法（RDK）進(jìn)行計(jì)算和修正。重復(fù)變換法的作用是有保證性的，其可行性和有效性已經(jīng)通過雙足機(jī)器人上樓梯仿真實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證；而本文提出的算法也適用于雙足機(jī)器人下樓梯。

【索引詞】雙足機(jī)器人；上樓梯；重復(fù)變換法；重心運(yùn)動(dòng)；

1.介紹

雙足機(jī)器人和人類一樣擁有多自由度的特點(diǎn)，每一個(gè)關(guān)節(jié)可以通過巧妙的組合從而可以完成各種動(dòng)作。而且雙足機(jī)器人對(duì)環(huán)境具有良好的適應(yīng)性，并能進(jìn)入相對(duì)狹窄空間替代人類執(zhí)行各種操作，所以它們具有廣闊的應(yīng)用前景。上下樓梯只是雙足機(jī)器人具有的基本功能。而建立機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，分析其上下樓梯的過程，并研究其步態(tài)規(guī)劃方法，是實(shí)現(xiàn)雙足機(jī)器人穩(wěn)定的步態(tài)非常重要的保證。

一些目前的研究成果已經(jīng)計(jì)算出雙足機(jī)器人的上下樓梯的步態(tài)規(guī)劃。如Yusuke Sugahara以及其他人提出通過調(diào)整腰部關(guān)節(jié)的角度和預(yù)先設(shè)置的零點(diǎn)力矩（ZMP）軌跡來設(shè)計(jì)機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃方法爬樓梯。而Jeon以及其他人通過四項(xiàng)多項(xiàng)式計(jì)算關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡，并優(yōu)化的機(jī)器人上下樓所需的最小能耗，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人上樓梯的步態(tài)規(guī)劃。Eun-Su等人則通過優(yōu)化多項(xiàng)式參數(shù)與動(dòng)態(tài)加密算法和自適應(yīng)遺傳算法，并且結(jié)合低階多項(xiàng)式來計(jì)算各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡，最后研究軸承扭矩和能源消耗和ZMP，直至機(jī)器人能穩(wěn)定上下樓梯從而規(guī)劃機(jī)器人的上樓梯軌跡。Song Xian-xi等學(xué)者利用踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡，并調(diào)整踝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角與利用模糊控制算法使ZMP的位置接近支撐區(qū)域的中心，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人穩(wěn)定上樓梯的步態(tài)規(guī)劃。除此之外，其他一些國際和國內(nèi)學(xué)者也做了相關(guān)研究關(guān)于雙足機(jī)器人的上下樓梯或上下斜坡的步態(tài)規(guī)劃。上面的算法主要是基于關(guān)節(jié)軌跡的預(yù)先計(jì)算，然后通過模糊控制算法或遺傳算法優(yōu)化步態(tài)等，這些算法相當(dāng)復(fù)雜，因?yàn)橛?jì)算量是非常巨大的，而且處理時(shí)間非常長。

本文在分析雙足機(jī)器人動(dòng)作的基礎(chǔ)上，提出一個(gè)基于重復(fù)變換法（RDK）的新算法來規(guī)劃攀爬動(dòng)作和前向運(yùn)動(dòng)。算法的核心主要是通過腰部關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)來調(diào)整重心位置，以滿足重心位置變化的需求，規(guī)劃機(jī)器人能穩(wěn)定地上樓梯且不讓機(jī)器人摔倒的步態(tài)。

2.仿真模型的建立

雙足機(jī)器人的仿真模型如圖1所示。

圖1 雙足機(jī)器人的仿真模型

圖1中的模型有 6個(gè)自由度。分別是每條腿有3個(gè)自由度，右腿包括踝關(guān)節(jié)JR1，膝關(guān)節(jié)JR2，髖關(guān)節(jié)JR3。而左腿包括踝關(guān)節(jié)JL1，膝關(guān)節(jié)JL2和髖關(guān)節(jié)JL3。腰關(guān)節(jié)是兩個(gè)自由度的球形關(guān)節(jié)。J7能夠使腰部關(guān)節(jié)向前和向后旋轉(zhuǎn)，而J8能夠使腰部關(guān)節(jié)左右擺動(dòng)。根據(jù)資料分析，一個(gè)普通人的的質(zhì)量75%都是集中于腰部的，所以我們可以忽略身體下部的質(zhì)量，而在建立模型時(shí)可以令機(jī)器人的腰部位置設(shè)為重心點(diǎn)c建立坐標(biāo)系，并簡化機(jī)器人的上半身。假設(shè)每個(gè)關(guān)節(jié)的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為負(fù)方向，而逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向?yàn)檎较?。接著我們可以忽略?dòng)力學(xué)的影響，只考慮機(jī)器人上樓梯的靜態(tài)步行的過程。

通過靜力學(xué)的公式，我們可以得到重心的投影坐標(biāo)是:

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

在公式中g(shù)是重力加速度，M的質(zhì)量重心，Lw是左腳和右腳之間的橫向距離。在機(jī)器人上樓梯的過程中，首先應(yīng)該保證機(jī)器人不會(huì)摔倒，所以當(dāng)它雙腳支撐全身時(shí)，ZMP應(yīng)該時(shí)刻保持在兩腳之間的區(qū)域，也就是說F = min（FR，F(xiàn)L）> 0。機(jī)器人一只腳支撐時(shí)，ZMP應(yīng)該保持在支撐區(qū)域，也就是說，F(xiàn)L > 0或FR > 0。當(dāng)機(jī)器人一只腳支撐整體時(shí)，支撐腳的中心是最穩(wěn)定的支點(diǎn)，坐標(biāo)設(shè)為B（x0，y0），為了表達(dá)機(jī)器人的穩(wěn)定度，機(jī)器人ZMP和B點(diǎn)之間的距離關(guān)系，公式是:

3.上樓梯的步態(tài)分析

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

圖2 機(jī)器人的重心軌跡，在圖中重心的初始位置是，重心移動(dòng)是

A基于重復(fù)變換法（RDK）算法的重心移動(dòng)

調(diào)整機(jī)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(fù)變換法算法實(shí)現(xiàn)。機(jī)器人上樓梯的過程中，可以通過旋轉(zhuǎn)腰部關(guān)節(jié)的自由度θ7θ8來計(jì)算機(jī)器人的9個(gè)姿態(tài)。由于腰部關(guān)節(jié)有限制的旋轉(zhuǎn)范圍，根據(jù)（1）機(jī)器人的重心位置C投影在地上計(jì)算相應(yīng)的每個(gè)姿勢和根據(jù)（2）分別計(jì)算左腳和右腳的支撐力FL和FR。重復(fù)這種方式，直到機(jī)器人完成其重心的運(yùn)動(dòng)。詳細(xì)算法描述如下:（1）設(shè)置機(jī)器人的腰部關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)范圍（θimin，θimax）和初始角度θi（i = 1、2、3、7、8）。

（2）給定腰部關(guān)節(jié)兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向的旋轉(zhuǎn)角度（-θi，0，+θi）（i = 7、8），并計(jì)算32個(gè)步態(tài)和相應(yīng)的正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。

（3）在計(jì)算出的32個(gè)動(dòng)作中，限定機(jī)器人不會(huì)摔倒的條件下，然后挑出符合要求的動(dòng)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(biāo)任務(wù)不能完成。

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

不斷重復(fù)上述過程并更改腰部關(guān)節(jié)的步態(tài)。根據(jù)優(yōu)化條件規(guī)劃ZMP運(yùn)動(dòng)軌跡，使機(jī)器人本身不摔倒且滿足需求，使其最穩(wěn)定地上樓梯。

B上樓梯的步態(tài)規(guī)劃算法

由于機(jī)器人的重心在兩腳中間，根據(jù)該算法機(jī)器人的總重心轉(zhuǎn)移到支撐腳（右腳），并抬高另一只腳（左腳）時(shí)，機(jī)器人的重心保持在前向（右腳），我們可以得到旋轉(zhuǎn)角θL1和θL2，根據(jù)機(jī)器人每個(gè)關(guān)節(jié)之間的幾何關(guān)系確定腿的姿勢。然后根據(jù)該算法對(duì)重心的運(yùn)動(dòng)，ZMP通過機(jī)器人調(diào)整腰部關(guān)節(jié)θ7和θ8轉(zhuǎn)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(shí)，ZMP應(yīng)該保持固定（左腳下）。詳細(xì)的方法是通過正向運(yùn)動(dòng)學(xué)確定重心的位置C在支撐腳（左腳），然后基于重復(fù)變換法優(yōu)化腰部關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角和總重心的位置，實(shí)現(xiàn)保持ZMP保持不變。機(jī)器人重復(fù)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(jù)上述步驟和機(jī)器人之間的幾何關(guān)系，確定各關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角θL1和θL2。（2）根據(jù)算法對(duì)重心的運(yùn)動(dòng)在一個(gè)部分中，移動(dòng)機(jī)器人的ZMP到左腳。

（3）為了伸直腿和抬起身體，給左膝關(guān)節(jié)的θL1和踝關(guān)節(jié)θL2相應(yīng)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(yùn)動(dòng)學(xué)方程。

（4）基于重復(fù)變換法優(yōu)化腰部關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ7和θ8，總重心的位置和保持ZMP不變。回到3），重復(fù)上述過程，直到機(jī)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(jù)上面的仿真模型和算法，我們模擬機(jī)器人上樓梯的動(dòng)作。讓高度Sh = 150mm和寬度Sw = 275mm，機(jī)器人的質(zhì)量M = 60 kg，腳的寬度W = 70mm。機(jī)器人各關(guān)節(jié)的參數(shù)和初始角的設(shè)置如表1和表2所示。

表1 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖3雙足機(jī)器人的步態(tài)圖

機(jī)器人上樓梯的整個(gè)過程如圖所示。圖4表示ZMP的變化軌跡，虛線的部分是兩個(gè)腳之間的區(qū)域，灰色線是正確的位置。圖6表示支持腳的力隨著時(shí)間的變化。圖7表示各關(guān)節(jié)的角度隨著時(shí)間的變化。

機(jī)器人的ZMP位置從兩腳之間移動(dòng)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(jī)器人可以彎曲左腳并前向運(yùn)動(dòng)。可以通過幾何關(guān)系計(jì)算出左下肢關(guān)節(jié)角度即θL1和θL2。在這個(gè)階段，機(jī)器人的步態(tài)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(shí)間變化的圖。圖7表示腰部關(guān)節(jié)的角度隨時(shí)間的轉(zhuǎn)換和基于重復(fù)變換法的重心的運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人反復(fù)調(diào)整θ7和θ8移動(dòng)身體，使ZMP逐漸轉(zhuǎn)移到左腳。在運(yùn)動(dòng)的過程中，身體上部的運(yùn)動(dòng)如圖（c），圖（d）和圖（e）所示。相關(guān)參數(shù)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(yùn)動(dòng)學(xué)，我們可以逐步確定重心位置和腰部關(guān)節(jié)參數(shù)，基于重復(fù)變換法確定腰部關(guān)節(jié)的構(gòu)成（θ7和θ8），同時(shí)保持機(jī)器人的ZMP。重復(fù)上面的過程，直到腰部和支撐腳協(xié)調(diào)和抬起身體完成上樓梯的動(dòng)作。機(jī)器人的姿態(tài)在這個(gè)過程中顯示為圖（e）-（h），腰部關(guān)節(jié)角和左腳的變化如圖7所示。在這個(gè)過程中腰和左腳變得筆直，機(jī)器人的ZMP本質(zhì)上是保持在點(diǎn)F如圖4所示，然后右腳彎曲向前移動(dòng)一步。機(jī)器人以這種循環(huán)方式完成上樓梯的動(dòng)作。

圖4雙足機(jī)器人的ZMP軌跡

圖7雙足機(jī)器人的關(guān)節(jié)軌跡

討論：本文仍然適用于參數(shù)變化時(shí)，也就是說增加腳步的高度或跨度，機(jī)器人可以調(diào)整其ZMP在支撐腳上的位置。但當(dāng)姿態(tài)的參數(shù)超過機(jī)器人重心的移動(dòng)范圍，機(jī)器人將無法滿足ZMP的要求上樓梯。如果我們不考慮機(jī)器人的各關(guān)節(jié)的扭矩范圍和所有機(jī)器人的參

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

圖8 雙足機(jī)器人的姿態(tài)圖

事實(shí)上在關(guān)節(jié)可承受扭力矩圍內(nèi)，機(jī)器人的各關(guān)節(jié)都可以承受上樓梯所需的力。當(dāng)我們考慮各關(guān)節(jié)的扭矩范圍時(shí)，我們只需要改變算法（4）的一部分，根據(jù)反復(fù)調(diào)整ZMP的重復(fù)變換法在第三節(jié)的其中一個(gè)部分，可以改變扭矩Ti（i = 1、2、3、7、8）各關(guān)節(jié)的姿勢（在第3部分）并確定關(guān)節(jié)之間的最小轉(zhuǎn)矩值所做出相應(yīng)的機(jī)器人姿勢，然后回到（2）。

5.結(jié)論

本文以6自由度機(jī)器人為例提出了一個(gè)重復(fù)變換法來規(guī)劃上樓梯的步態(tài)，并得出以下結(jié)論：機(jī)器人可以通過其腰部關(guān)節(jié)調(diào)整重心的位置，以滿足ZMP穩(wěn)定的要求，基于重復(fù)變換算法（RDK）規(guī)劃上樓梯動(dòng)作和利用機(jī)器人的正運(yùn)動(dòng)學(xué)可以先后規(guī)劃機(jī)器人的穩(wěn)定步態(tài)。算法也適用于機(jī)器人的下樓梯的動(dòng)作。

本文只是初步研究雙足步行機(jī)器人上樓梯的靜態(tài)步態(tài)。在未來的工作中，我們將進(jìn)一步分析動(dòng)態(tài)步態(tài)規(guī)劃來補(bǔ)充本文的算法。

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致謝

本文由廣東工業(yè)大學(xué)研究合作項(xiàng)目（No.2012B091100145）支持。