双足步行机器人的设计与实现研究

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3.0 高德中 2024-11-19 9 4 3.17MB 78 页 15积分

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摘要

在当今社会中机器人技术的发展是明显的，它不仅是把人们从繁重的劳动中

解放出来的希望，而且不断向智能化方向发展。随着虚拟样机技术的应用越来越

广泛，可以在产品设计的初期，设计结构，分析数据和评测产品的优劣，明确参

数和优化物理样机，以此来减少新产品的开发风险、提高产品的性能、使开发周

期减短、等等方面都有着绝对的优势。这使得机器人技术不仅变成国防等高端建

设中不可或缺的部分，而且它在基础工业中也发挥越来越大的作用。与其它机器

人相比，双足机器人具有更高的灵活性，更适合在人类的生活和工作环境中与人

类协同工作，而不需要专门为其对环境进行大规模改造。本文结合虚拟样机技术

对双足机器人进行分析，包括如下研究工作：

首先，详细介绍世界上机器人技术的总体方向和发展的趋势，国内外机器人

发展情况，为我国的机器人发展提供了参考。随着技术提高，应用虚拟样机技术

可以节省很多制造物理样本的财力物力。

其次，介绍了世界上分析机器人的 DH 方法的产生和建立方法，包括刚体位

姿的描述，机器人的位姿分析，DH 坐标的建立规则等。接着引出本文所设计的物

理样机，在物理样机的尺寸和转动关节的基础上建立了 DH 坐标并且求得各个位

姿矩阵。对机器人进行正运动学分析和逆运动学分析。

再者，在所建立的 DH 坐标基础上，在正运动学和逆运动学的基础上，介绍

了双足仿人步行机器人步态规划的基本概念和基本方法，采用静态步行方式，将

机器人的运动分为起步阶段，中步阶段和止步阶段三个阶段分别进行轨迹规划，

求得前进运动，上台阶运动和下台阶运动中各个关节的转动角度。

然后，介绍了虚拟样机建立的方法。首先介绍了ADAMS 软件，然后介绍仿

真模型从 SolidWorks 导入到 ADAMS 中的过程方法，设定仿真基本环境，包括单

位和零件的材料质量等。设定各个约束副，添加驱动，施加载荷，主要是机器人

脚板和地面（台阶）之间的接触力，最后对虚拟样机模型进行检验。

接着，在仿真工作完成后，将仿真中的关节运动与轨迹规划中设定的运动进

行对比，验证轨迹规划中所设定参数的仿真正确性；将仿真中实际的 ZMP 轨迹和

支撑多边形运用 Matlab 软件描绘到一张图上，以验证轨迹规划所设定的参数选取

的正确性；最终实现物理样机的运动。

最后，对机器人的发展做了展望并对自己所做的研究做了总结。

关键词：双足机器人仿人 DH坐标 ADAMS 仿真 ZMP

ABSTRACT

The technology development of robot is obvious in recent years. Not only does it

have a chance to liberate the people from the hard work, but also tend to intelligent

direction. With the application of virtual prototype technology is more and more

extensive, the structure is designed, data is analysed and product quality is evaluated,

parameters are clear and physical prototype is optimized, so as to reduce the develop

-ment of new products risk, improve product performance, cut short development cycle,

and so on. This makes the robot technology not only become an indispensable part of

defense and other high construction, but also plays a more and more important role in

the basis of industry. Compared with the others，the biped robot is more flexible，more

suitable for working together with human in people’s living and working environment，

without the need for the specialized large-scale transformation of the environment. In

this paper, make the analysis on the bipedal humanoid robot. It include the following

aspects:

First,introduce overall direction and development trend of robot technology in the

world. Development of robots at home and abroad provides reference material for our

country's robot development. As technology improve, the application of virtual proto

-type technology can save a lot of resources for manufacturing physical sample.

Second,introduce the analysis method of the DH coordinate system, including the

description of the rigid body pose, analysis of robot pose, the establishment rules of the

DH coordinates system, etc. Then exhibit the design of physical prototype, establish the

DH coordinates on the basis of the physical prototype and obtaine each pose matrix.

The robots are analysed in kinematics and inverse kinematics.

Third, according to the DH coordinates, based on the kinematics and inverse

kinematic introduce the basic concept and basic methods of the humanoid robot walking

gait planning.Use static way to design the movement of the beginning stage, the middle

stage and stop stage . Work out the rotation Angle of each joint for getting forward

movement, upstairs and downstairs movement.

Forth, introduce virtual prototype established method. First of all introduce

ADAMS software, and then introduce the process method how to import simulation

model from SolidWorks to ADAMS, set the simulation basic environment, including the

unit and materials of the parts, etc. Set each constraint, drive, load, mainly contact force

between the robot baseboard and ground (step). In the end, inspect the virtual prototype

model.

Fifth, compare the motions of joint in the simulation with the trajectory planning of

the movement to get the accuracy verification of parameters in the trajectory planning in

the simulation; Describe the ZMP track and support polygon on one chart with matlab

software to to verify the correctness of the parameter selection in trajectory planning;

Finally physical prototype realize the movement.

Last, make a research summary and look forward to the future of the robot

development.

Key words: bipedal robot,humanoid,DH coordinates,ZMP,ADAMS

simulation

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .................................................................................................................... 1

§1.1 引言 ................................................................................................................. 1

§1.2 国内外发展状况 ............................................................................................. 1

§1.2.1 国外发展状况 ....................................................................................... 1

§1.2.2 国内发展状况 ....................................................................................... 5

§1.3 双足步行机器人虚拟仿真的意义 ................................................................. 6

§1.4 研究内容 ......................................................................................................... 7

第二章双足步行机器人的运动学分析 ........................................................................ 8

§2.1. 引言 ................................................................................................................ 8

§2.2 刚体位姿的描述 ............................................................................................. 8

§2.2.1 位置描述 .............................................................................................. 8

§2.2.2 方位的描述 .......................................................................................... 8

§2.2.3 坐标系的描述 ...................................................................................... 9

§2.3 齐次坐标与动系位姿矩阵 ........................................................................... 10

§2.3.1 齐次坐标 ............................................................................................ 10

§2.3.2 动系的位姿表示 .................................................................................11

§2.4 机器人的位姿分析 ........................................................................................11

§2.4.1 坐标系号的分配方法 .........................................................................11

§2.4.2 各坐标系的方位的确定 .................................................................... 12

§2.4.3 连杆坐标系间的变换矩阵 ................................................................ 14

§2.5 双足步行机器人的正运动学 ........................................................................ 15

§2.6 双足步行机器人的逆运动学 ........................................................................ 20

§2.7 本章小结 ....................................................................................................... 23

第三章双足步行机器人的步态规划 .......................................................................... 24

§3.1 引言 ............................................................................................................... 24

§3.2 双足步行的基本概念 ................................................................................... 24

§3.3 ZMP 理论及其推导 ....................................................................................... 26

§3.3.1 三维地面作用力下的 ZMP 分析 ...................................................... 26

§3.3.2 ZMP 的推导 ........................................................................................ 28

§3.3.3 支撑多边形 ........................................................................................ 29

§3.4 前进运动的规划 ........................................................................................... 30

§3.5 上台阶运动的规划 ....................................................................................... 33

§3.6 下台阶运动的规划 ....................................................................................... 37

§3.7 本章小结 ....................................................................................................... 40

第四章虚拟样机的建立 .............................................................................................. 42

§4.1 引言 ............................................................................................................... 42

§4.2 虚拟样机技术和软件简介 ........................................................................... 42

§4.3 双足步行机器人虚拟样机的建立 ............................................................... 44

§4.3.1 导入仿真模型 .................................................................................... 44

§4.3.2 设定工作环境 .................................................................................... 46

§4.3.3 设定约束副 ........................................................................................ 47

§4.3.4 定义机构的运动 ................................................................................ 48

§4.3.5 施加载荷 ............................................................................................ 49

§4.3.6 虚拟样机模型检验 ............................................................................ 50

§4.4 本章小结 ....................................................................................................... 51

第五章双足机器人虚拟仿真后处理 .......................................................................... 52

§5.1 引言 ............................................................................................................... 52

§5.2 实际仿真结果演示 ....................................................................................... 52

§5.3 轨迹规划仿真结果分析 ............................................................................... 56

§5.3.1 前进运动轨迹规划仿真结果分析 .................................................... 56

§5.3.2 上台阶运动轨迹规划仿真结果分析 ................................................ 60

§5.4 ZMP 仿真结果分析 ....................................................................................... 63

§5.5 双足机器人实体运动 ................................................................................... 64

§5.6 本章小结 ....................................................................................................... 67

第六章总结与展望 ...................................................................................................... 68

§6.1 研究总结 ....................................................................................................... 68

§6.2 问题与展望 ................................................................................................... 69

参考文献 ........................................................................................................................ 70

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ............................................ 74

致谢 ............................................................................................................................ 75

第一章绪论

§1.1 引言

20 世纪人类的最伟大发明之一是机器人，从六十年代开始以来，已取得了实

质性的进步和成绩。在传统生产制造领域，工业机器人经过诞生、成长、成熟期

后，成为了制造业中不可或缺的核心自动化装备[1]，现在约有百万台工业机器人活

跃在各个生产现场。

在非传统制造领域，特种机器人由于其独特特征，近年来发展十分迅速，服

务机器人、水下机器人、医疗机器人、娱乐机器人纷纷问世，并且正在向实用性

迈进。机器人系统和技术集机械、精密机械、计算机技术、自动控制技术、传感

器技术、人工智能等技术之大成，是典型的机电一体化技术。国家的综合实力水

平可以由机器人代表。目前，许多先进工业发达国家将机器人技术列为本国的高

新技术发展纲要，足以看出大力发展机器人的重要性。机器人近年来发展呈现两

种趋势：在横向上，应用领域不断由传统制造领域向人类工作生活等社会方向延

伸，种类逐渐增多。另一方面是纵向上，随着智能化及虚拟现实技术等不断的完

善，机器人需要范围不断地扩展，应用扩大，遍布于工业、科技、国防等各部门，

大部分机器人水平将提高到更智能的水平[2]。

仿人双足机器人是当下的机器人研究领域当中的最前沿课题之一，它是将机

械、计算机、材料等多个学科领域有机的结合在一起，体现了自动化和智能化研

究水平，同样是高新科技能力的重要判定根据，当今各发达国家都投入了大量的

技术人力资源和物质资源在仿人双足机器人的领域当中，而现在仿人双足机器人

的技术已经是衡量一个发达国家的自动化与智能化的研究水平的重要标志，是重

点研究开发的技术之一。双足仿人机器人目前技术已经取得很大的进展，其中著

名的双足机器人有 ASIMO、WA BIAN、HRP-2、H7、QRIO、Johnnie、P2 等。本

文通过研究仿人结构的双足仿人机器人，对拟人步态的规划、仿人机构的设计、

行走步态的稳定性及仿真等关键性技术进行探索，为双足仿人机器人行走技术的

研究提供了参考资料。

§1.2 国内外发展状况

§1.2.1 国外发展状况

从二十世纪六十年代始，世界对双足机器人进行研究。至今 50 年的时间里，

双足机器人的发展伴随动力学系统技术，生产制造技术，计算机技术，还有信息

技术的飞速发展，有了非常大的突破。美国通用公司的 Rsmo-sher 最早开始研究双

足机器人，其设计研制了名为“Rig”操纵型双足机器人，这揭开了对双足机器人

双足步行机器人的设计与实现研究

进行探索的序幕。不过，这台机器人只具有髋关节和踝关节。

1968 年到 1969 年之间，南斯拉夫有位非常有名的科学家 M．Vukobratovic，

他提出了 ZMP 稳定判据，这是一个非常有用的研究仿人机器人的理论，而且他还

制作出一台机器人，这是在世界上具有真正意义的第一台双足机器人。

虚模型控制策略是由麻省理工大学 MIT 的GA．Pratt 等一些人在 Spring

Flamingo 和Spring Turkey 双足机器人的控制中提出的[3]。虚模型控制策略从其本

质上讲，就是机器人系统中假想的驱动力矩是由把类似于阻尼器、弹簧振子等一

些元件连在系统中来产生的。而一旦使用虚模型控制策略，则可以很好地避免机

器人运动学中求逆解和动力学中繁琐的计算[4]。而在机械结构的设计上，结合上面

的虚模型控制策略思想，在进行步态规划的时候参照人类行走过程中的被动特性，

把一个步态周期分成四阶段，支撑、脚尖离地、摆动腿运动和支撑腿伸直[5]。使用

新的关节驱动形式，使得其具有较好阻尼特性和弹性条件。这样在完成摆动的过

程中就更加良好的利用机械的势能。

美国俄亥俄大学用神经网络理论来达到仿人双足机器人动态行走的目的，这

是由郑元芳（美籍华人）等人提出来的[6]，他们不但研究神经网络步态综合器，分

为知识库、轨迹综合器、联想单元和自适应单元，而且他们还研究了两类学习的

方法，即动态学习和静态学习，就是为了将其应用在双足机器人的设计实现过程

当中。动态学习是神经网络在双足机器人的运动过程中持续不断的学习，具有持

续性。与动态学习不同的是，静态学习没有持续性，而是在双足机器人的运动过

程中的某一个特定的时刻进行学习。他们在应用当中所使用的神经网络模型则是

由多层神经网络的单元所形成的[7]。这种模型使用的训练网络的方法是强化学习，

共包含了 16 个方向神经元和 4个关节神经元[8]。强化学习的信号不仅可以人工输

入机器人的性能参数，描述环境地域等条件的传感器信号也是可以的。

对于双足机器人的设计研究，起步早发展快的还有日本。日本的加藤一郎教

授从 1968 年就开始进行双足机器人的设计研究。在 1969 年制作成了 WAP-1 平面

的步行机器人。在 1971 年改进制作出 WAP 系列第三版双足机器人，世界上第一

台仿人双足步行机器人从此诞生。在日本，除了科研机构和很多大学喜欢研究设

计机器人外，许多公司也逐渐开始研究双足机器人。许多和机器人不相关的公司

都开始研究双足机器人，他们的研究目的不同于大学和科研机构，他们主要基于

两种原因，一种是看到了机器人领域具有非常吸引人的商机，二是利用大众对机

器人的浓厚兴趣，开发研究机器人，以此来博取大众的注意从而宣传自己的品牌[9]。

本田公司的仿人机器人研究开发计划是从 1986 年就开始实施的，先是研制出

El到E6 系列，其主要目的是研究摆动腿落地位置控制组成的步行稳定控制技术和

第一章绪论

由地面反力控制目标 ZMP 控制，对步行机制实行基本性的探索。从 1993 年到 1997

年先后推出 P系列 1、2、3型双足机器人，是对自主型仿人机器人原型样机的研

究。2000 年又一次推出双足机器人“ASIMO”。和P3 比较，ASIMO 不仅实现轻

量化小型化的要求，且 ASIMO 更适用于人类生活的空间，与人类的步行方式也更

加接近。不久，本田公司又于 2005 年12 月推出了又一款的“ASIMO”，它能够在

室内等现实的环境运动工作等，其运动能力已经很高，已经能够达到 6km 每小时

的奔跑速度以及迂回行走，如图 1.1 所示。和以往相比，新 ASIMO 关节自由度达

到了 34 个，能够和人进行手拉手的动作，与人配合的能力更加优秀[10]。

图1.1 ASIMO 机器人

ASIMO 采用体内局域网的形式，可以实现无线与互联网连接，增加有语音的

识别能力，可以进行听说看的工作。高 1300mm，重 54kg，不仅与人相似，而且

可以实时地识别出人的运动与姿态，从而进行与人的交互[11]。

在ASIMO 中，因为采用新开发的双足步行技术，它能够实时预测出以后将要

进行的动作，即具有预测运动控制功能。据此就可以事先移动通过改变重心来进

行步调的改变，这样就能够更加自由步行，其步行也能连续流畅。因为过去不具

备预测运动的控制系统，所以当机器人进行转弯的时候，就必须先停下来。而新

一代的“ASIMO”使用预测运动的能力事先预测出下面转弯运动中重心的倾斜量

等重心的实时变化，能够使得其由直线行走变为转弯时的动作更加连续流畅，不

用再像 P3 那样先停下来进行原地踏步才能实现身体方位的调转[12]。

在2000 年10 月索尼公司第一次展览了 4个仿人型双足机器人 SDR-3X，这个

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摘要在当今社会中机器人技术的发展是明显的，它不仅是把人们从繁重的劳动中解放出来的希望，而且不断向智能化方向发展。随着虚拟样机技术的应用越来越广泛，可以在产品设计的初期，设计结构，分析数据和评测产品的优劣，明确参数和优化物理样机，以此来减少新产品的开发风险、提高产品的性能、使开发周期减短、等等方面都有着绝对的优势。这使得机器人技术不仅变成国防等高端建设中不可或缺的部分，而且它在基础工业中也发挥越来越大的作用。与其它机器人相比，双足机器人具有更高的灵活性，更适合在人类的生活和工作环境中与人类协同工作，而不需要专门为其对环境进行大规模改造。本文结合虚拟样机技术对双足机器人进行分析，包括如下研究工作：...

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