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双足步行机器人毕业论文
伍?，这一梦想将由双足步行机器人来实现
[8]
。
2005 年 1 月 12 日，由日本产业技术综合研究所的比留川博等人开发出一台取 名?HRP-2?拟人机器人亮相东京（见图
1-2）。该机器人身高 154cm，体重 58kg。
研究人员先请民间艺术家跳舞，用特殊摄像机拍摄后将画面输入电脑，并对手、 脚、头、腰等 32 个部位的动作进行解析，然后把有关解析数据输入给机器人，最 后利用这些数据来控制机器人手的动作和脚步等，使? HRP-2?可以和人一样动作 连贯，翩翩起舞 。
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图 1-1 本田公司 ASIMO 机器人
图 1-2 ?HRP -2 ?拟人机器人
除了日本之外，美国、英国、法国等也对步行机器人做了大量的基础理论研 究和样机研制工作，并取得一定成就。美国
Ohio.大学的美籍华人郑元芳博士是美
国双足步行机器人研究者中一位非常杰出的人物。他基于神经网络研制出两台双 足步行机器人，分别命名为
SD-1 和 SD-2，SD-1 具有 4 个自由度， SD-2 具有 8 个
[8]
自由度， 其中 SD-2 是美国第一台真正类人的双足步行机器人 。他利用 SDR-2 于
1986 年实现了平地上的前进、后退以及左、右侧行； 1987 年，又成功地实现了动 态步行。 1971 年至 1986 年间，英国牛津大学的 Witt 等人制造并完善了一个双足 步行机器人，该机器人在平地上行走良好，步速达 0.23/s。前面所述的研究主要是 关于主动式步行机器人 (靠关节电机驱动 )。加拿大的几 d.McGeer 主要研究被动式 双足步行机器人 ，即在无任何外界输入的情况下， 靠重力和惯性力实现步行运动。 1989 年，他建立了平面型的双足步行机构，两腿为直杆机构，没有膝关节，每条 腿上各有一个小电机来控制腿的伸缩，无任何主动控制和能量供给，放在斜坡上， 可依靠重力实现动态步行。目前，主动和被动式双足步行机器人在研究上很少互 相借鉴。
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1.2.2 国内研究概况
国内双足步行机器人的研制工作起步较晚，我国是从
20 世纪 80 年代开始双
足步行机器人领域的研究和应用的。 1986 年，我国开展了?七五?机器人攻关计 划，1987 年，我国的? 863?高技术计划将机器人方面的研究开发列入其中。目前 我国从事机器人研究与应用开发的单位主要是高校和有关科研院所等。最初我国 进行机器人技术研究的主要目的是跟踪国际先进的机器人技术，随后取得了一定 的成就。自 1985 年以来，相继有几所高校进行了这方面的研究并取得了一定的成 果，其中以哈尔滨工业大学和国防科技大学较为成果显著。在自然科学基金和国 家?863?计划的支持下，哈尔滨工业大学自 1985 年开始研制双足步行机器人
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，
迄今为止己经完成三个型号的研制工作。 1988 年哈工大 HIT-1 型双足步行机器人 问世， HIT-1 型双足步行机器人具有 10 个自由度，重
100kg，高 1.2m，关节由直
流伺服电机驱动，属于静步态行走。 HIT-2 具有 12 个自由度，该机器人髓关节和 腿部结构采用了平行四边形结构。 HIT-3 具有 12 个自由度，跺关节采用两电机交 叉结构，同时实现了两个自由度，腿部结构采用了圆筒形结构。
HIT-2 实现了静步
态行和动步态步行，能够完成前 /后行、侧行、转弯、上下台阶及上斜坡等动作。
清华大学 2002 年 4 月 9 日研制双足机器人 THBIP-I 样机。THBIP-I 有 32 个自 由度，采用独特传动结构，成功实现无缆连续稳定的平地行走、连续上下台论阶 行走，以及端水、 太极拳和点头等动作。 其平地行走速度为 米，跨越台阶高度 75 毫米，跨越速度 20 秒/步。
国防科技大学从
1988~95 年，先后研制成功平面型六自由度双足机器人
KDW-I ，空间运动型 KDW-II 和 KDW-III 。KDW-III 下肢有 12 个自由度；最大步 距为 40 厘米，步速为 4 秒/步；可实现前进 /后退和上 /下台阶的静 /动态步行和转弯 运动
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4.2 米/分，步距为 0.35
。2000 年 11 月 29 日，又研制出我国第一台类人型双足步行机器人?先行
者?，高 1.4 米，重 20 千克，可实现前进 /后退、左 /右侧行、左 /右转弯和手臂前后 摆动等各种基本步态，行走频率每秒两步，能平地静态步行和动态步行。从只能 平地静态步行，到能快速自如地动态步行；从只能在己知环境下步行，到可在小 偏差、不确定环境下行走，实现了多项关键技术突破。 的仿人机器人在北京理工大学通过国家?
2003 年 1 月取名为 BRH-1
863? 项目组的验收。这个机器人身高
1.58m，体重 76kg，具有 32 个自由度，每小时能够行走 1km，步幅 0.33m。验收 专家认为该机器人在系统集成、步态规划和控制系统等方面实现了重大的突破。 仿人机器人课题组负责人、北京理工大学教授李科杰认为：目前?
BHR-1 ?仿人机
器人己经能够根据自身力觉、平衡觉等感知机器人自身的平衡状态和地面高度的 变化，实现在未知地面上的稳定行走和太极拳表演，使中国成为继日本之后，第 二个研制出无外接电缆行走，集感知、控制、驱动、电源和机构于一体的高水平
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仿人机器人国家。
1.3 双足步行机器人的步行特点及研究意义
机器人是现代科学技术发展的必然产物，因为人们总是设法让机器来代替人 的繁重工作，从而发明了各种各样的机器
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。机器的发展和其它事物一样，遵循
着由低级到高级的发展规律，机器发展的最高形式必然是机器人。而机器人发展 的最高目标是制造出像人一样可以行走和作业的机器人，也就是拟人机器人。因 为它具有良好的环境适应性，并且这种优秀品质在高低不平的路面上以及具有障 碍物的空间里更加突出，所以与之相关的问题己经成为研究热点。拟人机器人的 研制工作开始于
20 世纪 60 年代，短短的几十年时间内，其研制工作进展迅速。
步行机器人的研制工作是其中一项重要内容。目前，机器人的移动方式主要包括 轮式、履带式、爬行式、蠕动式以及步行等方式。对轮式和履带式移动机器人的 研究主要集中在自主运动控制上，如避障路径规划等。这两种机器人过分依赖于 周围环境，应用范围受限。爬行和蠕动式机器人主要用于管道作业，具有良好的 静动态稳定性，但速度较低
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。常见的步行机器人有双足、四足和六足等情况。
自然界事实、仿生学以及力学分析表明 : 在具有许多优点的步行机器人中，双足步 行机器人因其体积相对较小，对非结构性环境具有较好的适应性，避障能力强， 移动盲区很小等优良的移动品质，格外引人注目。
首先，对于支撑路面，双足步行机器人的要求很低，理论上只需要分散的、 孤立的支撑点，就可以通过机器人自行选择最佳的支撑点，获得最佳的移动性能。 而轮式移动机器人通常要求连续的、硬质的支撑路面，对于恶劣的支撑路面，它 只能被动的适应。
其次，在存在障碍物的情况下，双足步行机器人能够跨越与自身腿长相当的 障碍物，甚至跳越障碍，而轮式移动机器人仅能滚越尺寸小于轮子半径的障碍物。 机器人力学计算表明，足式步行机器人的能耗通常低于轮式和履带式。步行是人 类的一种基本活动能力，双足步行技术的发展会促进动力型假肢的研制，将有可 能解决截瘫病人和小儿麻痹症患者的行走问题，为康复医学做出贡献。对机器人 双足动态行走机理的深入研究也使我们更深刻地理解人类活动的内在本质，有助 于生物医学工程和体育运动科学的发展。而双足步行机器人与传统的轮式机器人 相比，最具有挑战性的问题之一就在于，它的单、双足交替支撑的步行方式使得 双足步行机器人难以保持较好的稳定性。从而，使得人们在机器人稳定性和步态 规划方面的研究更加深入。
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1.4 本文研究内容及主要工作
为了促进机器人技术在我国的发展，全国各地尤其是部分高校举办了各种类 型的机器人大赛。中国机器人大赛是由中国自动化学会机器人竞赛工作委员会和 科技部高技术研究发展中心主办的一个全国性的赛事。其中最为引人瞩目的舞蹈 机器人项目就是为了促进双足步行机器人的发展而设立的。由于步行机器人的实 现目前还存在很多技术难题，前几届由中国科技大学主办的舞蹈机器人大赛基本 上是以轮式机器人为主，还没有出现步行机器人参赛，由此可见，双足步行机器 人的发展还有一段很长的路要走。研制双足步行机器人的一项重要内容就是步态 规划。所谓的步态，是指在步行过程中，步行本体的身体各部位在时序和空间上 的一种协调关系，步态规划就是给出机器人各关节位置与时间的关系，是双足步 行机器人研制中的一项关键技术，也是难点之一。步态规划的好坏将直接影响到 双足步行机器人的行走稳定性、美观性以及各关节所需驱动力矩的大小等多个方 面，已经成为双足步行机器人领域的研究热点。
本文的主要任务就是在大量研读资料后，认真的研究人类行走过程，并通过 的适当的调整，完成交叉足竞步机器人行走程序的设计，完成设计后将设计好的 程序下载都到实验样机中，验证设计程序的可行性和合理性，通过反复的验证和 改进使得机器人能顺利的完成比赛任务。
1.5 试验样机的介绍
本文采用的样机是 SHR-TLA 机器人，该机器人的关键技术主要包括 3部分： 其一是数控系统，也指电子部分，其二是伺服舵机，其三是机械结构件。
1、实验样机的控制器系统采用北京森汉科技生产的控制板 (见图 1-3), 该控制 板采用 STC12C5412AD 单片机 ,设计合理，扩展了 STC12C5412AD 系列单片机的 所有外接端口 ,具有很好的操作性 .。
2、样机共有六个 SH14-M-C舵机（见图 1-4），它是一款数字型的舵机， 成本低，， 采用PWM控制，不用随时接收指令，减少 CPU 的疲劳程度；重量轻、反应速度、 每个舵机扭矩为 14kg.cm，全部采用金属齿轮传动，旋转角度可达到 185 度，可以 保证机器人动作灵敏、行动有力，它还有一个最突出的特点，是有?电子自锁? 功能。
3、该款样机全身的机械结构均采用金属结构 （见图 1-5），有较强的机械强度， 样机的身高 280mm，肩宽 165mm，胸厚 140mm，质量 0.9kg。
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