双足舞蹈机器人稳定性研究
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摘要
随着机器人越来越向更智能化的方向发展，双足机器人的研究成为机器人研究领域的重要课题。双足舞蹈机器人属于娱乐机器人的范畴，它融合了机器人学、仿生学、动力学及控制理论等多种学科。双足舞蹈机器人无论在机械结构方面，还是控制策略方面，都有很宽广的研究空间。在查阅大量文献的基础上，本文对双足舞蹈机器人的稳定性问题进行了深入的研究。
本文从双足步行机器人的稳定性出发，在经典稳定性理论的基础上，进一步讨论了双足机器人质量分布与稳定裕度之间的关系，及舞蹈机器人的稳定条件，分析了ZMP稳定性理论，并将ZMP稳定性理论应用到双足舞蹈机器人的稳定性研究中。
引入双足机器人研究中常用的倒立摆模型和桌子-小车模型，对双足机器人进行近似化分析，并对比了这两种模型中ZMP点与质心的关系。本文建立了双足机器人的运动学模型，继而建立了机器人连杆结构简化模型，在杆件坐标系下，对双足机器人进行了正逆运动学分析。
在理论分析的基础上，本文设计了实验来验证双足舞蹈机器人的稳定性，实验包括步行实验、侧步实验和舞蹈实验。步行实验中，机器人能按照设定的步态稳定的向前行走，但是步态很缓慢，而且步子很小。侧步实验中，机器人能完成三次循环，循环次数增多时，机器人会出现倾斜和晃动，甚至可能摔倒。舞蹈实验中，机器人能稳定的完成设定的各种舞蹈动作。
双足舞蹈机器人的研究为双足机器人的进一步研究提供了良好的平台和可借鉴的经验。
As the development of robot becomes more and more intelligent, the research ofthe biped robot has become an important issue in the field of robot research. Thebiped dance robot belongs to the entertainment robot. It combines many kinds ofdisciplines, including robotics, dynamics, control theory and so on. The biped dancerobot both in mechanical structure and control strategy has a very broad space forresearch. Based on references, in this paper, the stability problem of biped dancerobot is researched.
In this paper, from the stability of biped walking robot, based on the classicalstability theory, the relationship of the weight distribution and the stability margin isdiscussed, and the ZMP stability theory is analyzed. The ZMP stability theory is usedto the research on the biped dance robot.
The inverted pendulum model and table-car model are used for the approximateanalysis of biped robot, and the relationship of the ZMP point and the center of massin the two models is compared. The kinematics model of biped robot is established.And then the connecting rod structure simplified model is established. On the rodcoordinate system, the forward and inverse kinematics of biped robot is analyzed.
Based on theoretical analysis, some experiments are used to verify the stabilityof the biped dance robot, including the walking experiment, the side step experimentand the dance experiment. In the walking experiment, the robot can move steadily inaccordance with the set of gait, but slow and small steps. In the side step experiment,the robot can complete three cycles. When the cycle number increases, the robot maytilt and swing, even possibly dump. In the dance experiment, the robot can dancesteadily in accordance with the set of gait.
The research of the biped dance robot provides a good platform and the usefulexperience for the further research of the biped robot.
本文从双足步行机器人的稳定性出发，在经典稳定性理论的基础上，进一步讨论了双足机器人质量分布与稳定裕度之间的关系，及舞蹈机器人的稳定条件，分析了ZMP稳定性理论，并将ZMP稳定性理论应用到双足舞蹈机器人的稳定性研究中。
引入双足机器人研究中常用的倒立摆模型和桌子-小车模型，对双足机器人进行近似化分析，并对比了这两种模型中ZMP点与质心的关系。本文建立了双足机器人的运动学模型，继而建立了机器人连杆结构简化模型，在杆件坐标系下，对双足机器人进行了正逆运动学分析。
在理论分析的基础上，本文设计了实验来验证双足舞蹈机器人的稳定性，实验包括步行实验、侧步实验和舞蹈实验。步行实验中，机器人能按照设定的步态稳定的向前行走，但是步态很缓慢，而且步子很小。侧步实验中，机器人能完成三次循环，循环次数增多时，机器人会出现倾斜和晃动，甚至可能摔倒。舞蹈实验中，机器人能稳定的完成设定的各种舞蹈动作。
双足舞蹈机器人的研究为双足机器人的进一步研究提供了良好的平台和可借鉴的经验。
As the development of robot becomes more and more intelligent, the research ofthe biped robot has become an important issue in the field of robot research. Thebiped dance robot belongs to the entertainment robot. It combines many kinds ofdisciplines, including robotics, dynamics, control theory and so on. The biped dancerobot both in mechanical structure and control strategy has a very broad space forresearch. Based on references, in this paper, the stability problem of biped dancerobot is researched.
In this paper, from the stability of biped walking robot, based on the classicalstability theory, the relationship of the weight distribution and the stability margin isdiscussed, and the ZMP stability theory is analyzed. The ZMP stability theory is usedto the research on the biped dance robot.
The inverted pendulum model and table-car model are used for the approximateanalysis of biped robot, and the relationship of the ZMP point and the center of massin the two models is compared. The kinematics model of biped robot is established.And then the connecting rod structure simplified model is established. On the rodcoordinate system, the forward and inverse kinematics of biped robot is analyzed.
Based on theoretical analysis, some experiments are used to verify the stabilityof the biped dance robot, including the walking experiment, the side step experimentand the dance experiment. In the walking experiment, the robot can move steadily inaccordance with the set of gait, but slow and small steps. In the side step experiment,the robot can complete three cycles. When the cycle number increases, the robot maytilt and swing, even possibly dump. In the dance experiment, the robot can dancesteadily in accordance with the set of gait.
The research of the biped dance robot provides a good platform and the usefulexperience for the further research of the biped robot.
引文
[1]吴振彪，王正家主编．工业机器人[M]．武汉：华中科技大学出版社，2006，1-2．
[2]张毅，罗元，郑太雄等编著．移动机器人技术及其应用[M]．北京：电子工业出版社，2007，2-5．
[3]陈学东著．多足步行机器人运动控制与规划[M]．武汉：华中科技大学出版社，2006，12-17．
[4]付成龙，陈恳．双足机器人稳定性与控制策略研究进展[J]．高技术通讯,2006(3)：319-324．
[5]解仑，王志良，李俊华等．双足步行机器人制作技术[M]．北京：机械工业出版社，2008，1-23．
[6]蔡自兴编著．机器人学（第二版）[M]．北京：清华大学出版社，2009，4-5．
[7]郭洪红主编．工业机器人运用技术[M]．北京：科学出版社，2008，1-5．
[8]吴振彪主编．工业机器人[M]．武汉：华中理工大学出版社，1997，2-6．
[9]徐元昌主编．工业机器人[M]．北京：中国轻工业出版社，1999，1-15．
[10] Kato I, Tsuiki H. Hydraulically power biped walking machine with a high carringcapacity[C].The4th International Symposium on External Control of HumanExtremities,1972:410-421.
[11] Lim H, Ishii A, Takanishi A. Basic emotional walking using a biped humanoidrobot[C].Proceeding of the IEEE International Conference on Systems,1999:954-959.
[12] Chestmutt J, Lau M, Cheung G. Foot step planning for the Honda ASIMOHumanoid[C].IEEE International Conference on Robotics and Automation,2005:629-634.
[13] Ken’Ichiro N, Yoshihiro K, Shin’Ya S et al. Integrated motion control forwalking, jumping and running on a small bipedal entertainment robot[C].IEEEInternational Conference on Robotics and Automation,2004:3189-3194.
[14] Zheng YF, Shen J．Gait synthesis for the SD-2biped robot to climb slopingsurface [J]．IEEE transactions on robotics and automation，2004(6):86-96.
[15]宋宪玺．双足机器人的建模与稳定性分析[D]：[中国科学技术大学硕士学位论文]．合肥：中国科学技术大学，2010：2-3．
[16] Park W, Kim JY, Lee J. Online free walking trajectory generation for bipedhumanoid robot KHR-3(HUBO)[C].Proceeding of IEEE InternationalConference on transactions on robotics and automation,2006:1231-1236.
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[18] Espiau B, Sardain P.The anthropomorphic biped robot Bip2000[C].Proceeding ofIEEE international conference on robotics and automation,1999:141-146.
[19] Vermeulen J,Lefeber D,Verrelest B et al.Trajectory planning for the walkingbiped “LUCY”[C].The7th international conference on climbing and walkingrobots and the support technologies for mobile machines,2004:1-10.
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[24]刘莉，汪劲松，陈恳等．THBIP-1拟人机器人研究进展[J]．机器人，2002（3）：262-267．
[25]高普云．非线性动力学：分叉、混沌与孤立子[M]．长沙：国防科技大学出版社，2005，1-9．
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[27]曹曦．两足步行倚机器人步行稳定性及关节伺服控制研究[D]：[上海交通大学博士学位论文]．上海：上海交通大学，2006：56-67．
[28]邓欣．双足机器人步行稳定性研究[D]：[哈尔滨工程大学硕士学位论文]．哈尔滨：哈尔滨工程大学，2007：59-72．
[29]王淑艳．仿人型跑步机器人的稳定性条件及步态规划[D]：[西安电子科技大学硕士学位论文]．西安：西安电子科技大学，2006：29-39．
[30]彭胜军，税海涛，马宏绪．仿人跑步机器人稳定性与控制策略研究进展[J]．控制工程，2011（1）：142-146．
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[35]（日）梶田秀司．管贻生译．仿人机器人[M]．北京：清华大学出版社，2008，61-157．
[36]解仑，王志良，李俊华等．双足步行机器人制作技术[M]．北京：机械工业出版社，2008，159-167．
[37]张慧卿，赵群飞，马培荪等．两足步行倚机器人步行参数对稳定性的影响分析[J]．机械科学与技术，2007（2）：202-205．
[38]曹曦．两足步行倚机器人步行稳定性及关节伺服控制研究[D]：[上海交通大学博士学位论文]．上海：上海交通大学，2006，56-60．
[39]沈继红，丁二华．一种类人型机器人的步行稳定性研究[J]．哈尔滨工程大学学报，2004（8）：536-539．
[40]宋立博，吕恬生，张家梁等．溜冰机器人运动学分析[J]．上海交通大学学报，2002（9）：1365-1369．
[41]夏旭峰，葛文杰．仿生机器人运动稳定性的研究进展[J]．机床与液压，2007，35（2）：229-234．
[42] Nagasaki T, Kajita S, Kaneko K et al. A running experiment of humanoid biped
[C]. Proceeding of the IEEE/RSJ International Conference on IntelligentRobotics and Systems,2004:136-141.
[43] Kanehiro F, Kaneko K, Fujiwara K et al. The first robot that has the same size asa human and that can lie down and get up[C]. Proceeding of IEEE InternationalConference on transactions on robotics and automation,2003:1633-1639.
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