双足行走机器人相关研究
摘要：双足步行机器人具有仿人的外形和步行方式、广泛的社会应用前景和多学科的融合等特点，是机器人研究中的一个热门领域。针对双足机器人简单步行的设计要求，提出了一组步态公式；基于双足步行机器人在平面上静态行走的特点，并结合仿生学的原理设计制作了机器人的机械结构。在力学分析时，将步行机器人简化为非闭链回转关节相联的多杆系统，根据双足机器人静态行走的特点，对机器人的力学分析作了简化；在控制上采用了以MCS-51单片机为核心的主从分布式控制；运用KeilC设计了以C语言为主体内嵌入汇编语言的编程结构。
关键词：双足步行机器人,平衡稳定性,Pro/ENGINEER虚拟装配,C51
第一章 绪论
1.1 引言
机器人是一种典型的机电一体化产品，仿人型机器人是机器人研究领域的热点。研究仿人型机器人需要结合机械、电子、信息论、人工智能、生物学以及计算机等诸多学科知识，同时其自身的发展也促进了这些学科的发展。双足步行机器人是仿人型机器人的一种。
1959年，世界上诞生了第一台工业机器人，开创了机器人发展的新纪元。随着科学技术的发展，仿人型机器人的研究与应用迅猛发展。世界著名机器人专家、日本早稻田大学的加藤一郎教授说过：“机器人应当具有的最大特征之一是步行功能”。其中双足行走是步行方式中自动化程度最高、最为复杂的动态系统。伟大的发明家爱迪生也曾说过这样一句话：“上帝创造人类，两条腿是最美妙的杰作”。双足步行系统具有非常丰富的动力学特性，对步行的环境要求很低，既能在平地上行走，也能在非结构性的复杂地面上行走，对环境有很好的适应性。步行功能的具备为扩大机器人的应用领域开辟了无限广阔的前景。
研究双足步行机器人的原因和目的，主要有以下几个方面：希望研制出双足步行机构，使它们能在许多结构和非结构环境中行走，以代替人进行作业或延伸和扩大人类的活动领域；希望更多得了解和掌握人类得步行特性，并利用这些特性为人类服务，例如：人造假肢。双足步行系统具有丰富的动力学特性，在这方面的研究可以拓宽力学及机器人的研究方向；双足步行机器人可以作为一种智能机器人在人工智能中发挥重要的作用。
科幻小说和电影作品中，人们将像人一样行走、思考、行为的机器人作为机器人研究的最高境界。科学工作者也一直将实现类人行为的机器人作为工作的最高目标去追求。步行机器人特别是双足步行机器人的研究是整个类人机器人研究的前奏，是实现类人机器人的必不可少的一个环节。在具有许多优点的步行机器人中，由于双足步行机器人体积较小，所以他们对环境有最好的适应性。这种机器人除结构较简单外，在静、动态稳定步行方面，都是最困难的，但这种困难并不是不能克服。实用的双足步行机器人由两条腿和平台（腰部）组成。腿的作用是为平台提供移动能力，而平台的作用则是提供一个基础，以便安装机械手、CCD摄像机、机载计算机控制系统和电池等。显然，这种带机械手的双足步行机器人外形上更像人，能非常灵活地从事较多的工作。但是，对于这种双足步行机器人来说，平台的稳定性对于有效地控制机械手末端操作器的位置和姿态是至关重要的，而两条腿的步态又对平台的稳定性起决定作用。因此，如何规划好腿的步态，协调地控制两条腿的运动以保持平台及整个双足步行机器人的稳定就成为一个主要问题。
双足步行机器人可以是很复杂的系统，当然也可以是构造简单的系统。在这方面，日本的玩具机器人是很好的例子。例如，日本SONY公司的双足步行机器人SDR-3X，身长只有五十厘米高，但是能实现比较逼真的类人步行，也可以比较协调地跳舞，甚至踢足球(见图1-1)。日本Tsukuda-original公司地“机器人朋友PINO”也是一种能抬腿步行地机器人玩具。在这些机器人的启发下以及所能搜集到的有限资料的基础上，本文尝试性地制作了一种类似积木“搭建”而成的双足步行机器人，并以之为平台进行了相关的试验、研究，试验用的双足步行机器人机械结构绝大部分采用了模块的设计思想，关节之间的连接采用相对简易的形式，电机采用高力矩伺服舵机，控制采用单片机，可以实现平面上的静态行走。
1.2 机器人的定义和发展
机器人的历史源远流长。我国西周时期一名叫偃师的能工巧匠就制造了一个能歌善舞的木人，这是有据可考的第一个“机器人”。在1800年前的汉朝，张衡造出了举世闻名的地动仪和计里鼓车。三国时期的诸葛亮发明了木牛流马。在国外，公元前2世纪亚历山大时期，古希腊人造出了“自动机”——以水、空气、蒸气机为动力源的会动的雕像。[2]
1.2.1 机器人的定义
虽然机器人的历史如此悠久，但直到现在仍无一个统一的机器人定义。其中有两个主要原因：一，机器人学正在飞速地发展；二，也是根本原因，机器人涉及到了“人”的概念，成为一个难以回答的哲学问题。目前，国际上，关于机器人的定义主要有：
美国机器人协会（RIA）定义：一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，通过可编程序动作来执行种种任务的，并且具有编程能力的多功能机械手。
日本工业机器人协会（JIRA）的定义：一种装备记忆装置和末端执行器（end effector）的，能够转动并通过自动完成各种移动来代替人类劳动的通用机器。一些日本专家认为：机器人是一种具有移动性、个体性、智能性、通用性、半机械半人性、自动性、奴隶性等7个特征的柔性机器。
国际标准化组织（ISO）定义：机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能够借助于可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行种种任务。
我国机器人的定义：机器人是一种自动化的机器，所不同的是它具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力、协同能力等，是一种具有高度灵活性的自动化机器。
随着机器人的进化和机器人智能的发展，这些定义都有修改的必要，甚至需要对机器人重新定义。[2]
1.2.2 机器人的发展
机器人按应用环境分为工业机器人和特种机器人，按功能分为操作型机器人、程控机器人、示教再现型机器人、数控型机器人、适应控制型机器人、学习型机器人、智能机器人等。
现代机器人的研究始于20世纪中期，其技术背景是计算机和自动化的发展及原子能的开发利用。1959年在美国诞生了第一台工业机器人——圆坐标。从此机器人迅速进入到社会生活的方方面面，在制造业更是大显身手。第一台工业机器人问世后，从二十世纪60年代至70年代初期，机器人技术的发展较为缓慢，许多研究单位和公司所作的努力均未获得成功。
进入二十世纪70年代以后，人工智能学界开始对机器人产生浓厚的兴趣。随着自动控制理论、电子计算机和航天技术的迅速发展，到了70年代中期，机器人技术进入了一个新的发展阶段。这期间，指导机器人学的一直是传统的自控理论和传统的人工智能理论。
二十世纪90年代，以Rodney．A．Brooks为代表的行为主义者，引入了一类基于行为的智能机器人控制体系结构——并行分布式体系结构SA(Subsumption Architecture)。通过机器人与环境的交互，建立起环境模型。这是一种自下而上的体系结构。随着人工智能的理论发展，机器人研究有了新的发展。
1.3 双足步行机器人的历史、现状和发展趋势
1.3.1 双足步行机器人的历史
最早系统地研究人类和动物运动原理的是Muybfidge,他发明了电影用的独特摄像机，即一组电动式触发照相机，并在1877年成功地拍摄了许多四足动物步行和奔跑的连续照片。后来，这种采用摄像机的方法又被Demeny用来研究人类的步行运动。从二十世纪30年代至50年代，俄罗斯的Bemstein从生物动力学的角度对人类和动物的步行机理进行了深入的研究，并就步行运动作了非常形象的描述。
真正全面、系统地开展双足步行机器人的研究是始于二十世纪60年代。迄今，不仅形成了双足步行机器人一整套较为完善的理论体系，而且在一些国家，如日本、美国和俄罗斯等都已研制成功了能静态或动态步行的双足步行机器人样机。
1.3.2 双足步行机器人的理论研究
在60年代和70年代，对步行机器人控制理论的研究产生了三种非常重要的方法，即有限状态控制、模型参考控制和算法控制。这三种控制方法对各种类型的步行机器人都是适用的。有限状态控制是南斯拉夫的Tomvic在1961年提出来的，模型参考控制是由美国的Famsworh在1975年提出来的，而算法控制则是由南斯拉夫米哈依罗﹒鲍宾研究所著名的机器人专家Vukobratovic博士在1969—1972年间提出来的。这三种控制方法之间有一定的内在联系，有限状态控制实质上是一种采样化的模型参考控制，而算法控制则是一种居中的情况。
在双足步行机器人的发展史上，Vukobratovic博士是一个非常突出的人物。他提出了用欧拉角描述双足步行系统的通用数学模型，指出了由于步行系统的动态性能和控制性能的特殊性，一般控制理论不能满意地解决人工实现步行的问题，并相应地提出了算法控制的概念：研究了类人型双足步行系统在单脚和双脚支撑期机构的特点，并建立了从运动副组合到关节力矩计算等各项运算的KINPAIR算法，分析了类人型双足步行系统的姿态稳定性，并提出了相应的姿态控制算法；对类人型双足步行系统进行了能量分析和频率分析。此外，他还与合作者一起为截瘫病人和小儿麻痹症患者设计了一系列半动力型和动力型辅助行走装置。特别重要的是，他和Stepanenko博士一起在1972年提出了“零力矩点ZMP”的概念。ZMP概念的提出对双足步行机器人控制产生了非常重要的影响，为有效地控制双足步行机器人的运动开辟丁一条崭新的途径。
在步态研究方面，俄罗斯的Bessonov和Unmov定义了“最优步态”，Kugushev和Jaroshevskij定义了自由步态。这两种步态不仅适应于双足而且也适用于多足步行机器人。其中， 自由步态是相对于规则步态而言。如果地面非常粗糙不平，那么步行机器人在行走时，下一步脚应放在什么地方，就不能根据固定的步序来考虑，而是应该像登山运动员那样走一步看一步，通过某一优化准则确定，这就是所谓的自由步态。
在双足步行机器人的稳定性研究方面，美国的Hemanfi等人曾提出将双足步行系统的稳定性和控制的简化模型看作是一个倒立振子(倒摆)，从而可以将双足步行的前进运动解释为振子直立移动的问题。此外，从减小控制的复杂性考虑，Hemami等人还曾就双足步行机器人的“降阶模型”问题进行了研究。
在步行模式这方面的研究中，日本加藤一郎教授及其合作者1980年提出了“准步态行走”的概念，这是一种介于静态步行和动态步行之间的步行方式。它既具有静态步行的特点又具有动态步行的特点，其步速要比静态步行快，而实现起来又不像动态步行那样困难。
最早采用最优理论来研究类人型双足步行系统的是美国的Chow和Jacobson。他们在1971年发表的论文中，以具有约束条件的力学模型和性能最优准则作为双足步行优化问题的核心，以一种简化模型作为研究对象。但最后，他们仅是以局部耗能最少为基础得出了一个优化结果。Vukobratovic最早从能量观点分析了实现各关节动作所需的各关节部分扭矩，但仅限于导出各关节及整个步行系统的功率随时间的变化关系，没有涉及能耗最优这个问题，但是他得出了一个有用的结论：步行姿态越平滑，类人型双足步行系统所消耗的功率就越少。[9]
而从仿生学的角度来研究一直是问题突破的一个重要出发点。研究者观察到：动物在不同的速度下能够以不同步态步行，在速度的加快和减慢过程中能够从一种步态过渡到另一种步态。看起来部分原因是为了在所给定的速度、环境和负载的情况下，尽可能减少能量的消耗。然而，动物的这种内在的控制机理却远远没有被人们所了解，许多学者正在对这一问题进行潜心的研究。
一般的研究过程是先建立步行运动能量的数学模型，然后根据此模型估计出在不同速度下的能量消耗，以期从中发现步行运动中的速度、步态选择及能量消耗之间的关系。这些模型中，用的最多的是.
