双足机器人步态控制研究方法综述

计算机研究与发展

ISSN 100021239/CN 1121777/TP

Journal of Computer Research and Development 42(5):728～733,2005

　收稿日期:2003-12-10;修回日期:2004-11-17

　基金项目:国家“八六三”高技术研究发展计划基金项目(2003AA420010203);国家“九七三”重点基础研究发展规划基金项目(G 2002cb312205);

国家自然科学基金项目(60174018,60305008,90205008)

双足机器人步态控制研究方法综述

胡凌云 孙增圻

(清华大学计算机科学与技术系智能技术与系统国家重点实验室　北京　100084)(huly02@mails 1tsinghua 1edu 1cn )

Survey on G ait Control Strategies for Biped Robot

Hu Lingyun and Sun Zengqi

(S tate Key L aboratory of Intelligent Technology and S ystems ,Depart ment of Com puter Science and Technology ,Tsinghua U ni 2versity ,Beijing 100084)

Abstract As humanoid robots shift from research lab to human living environment ,biped robots play a more important role in recent research 1Peoples are attracted by biped robots for the difficulties in gait con 2trol since their dynamic equations are high 2order highly 2coupled and nonlinear 1This paper presented the ba 2sic concepts in biped gait and major research methods in the filed of biped gait optimization and control 1Characters of three major models including inverted pendulum ,passive gait model and mass 2spring model are thoroughly discussed 1Advantages and disadvantages of all these three models are exhibited by compari 2son 1Followed with it ,the two kinds of usually used constraints ,stability criterion and energy constraint are introduced with abundant examples 1For stability criterion ,zero moment point (ZMP )criterion as the most useful constraints in biped gait generation research is emphasized 1Finally three intelligent control methods (neuron network ,fuzzy logic and genetic algorithm )with their combination methods (fuzzy neu 2ron network ,genetic neuron network and so on )were introduced at the end of this paper 1K ey w ords biped robot ;model ;constraint ;intelligent control

摘　要　概括地介绍了双足机器人步态控制领域内的主要研究思路1详细阐述了基于双足动力学特征

的3种建模方法,包括倒立摆模型、被动步态模型、质量弹簧模型的特点1另外讨论了两种常用的约束条件(稳定判据与能量约束)和3种智能控制方法(神经元理论、模糊逻辑与遗传算法)在双足机器人步态控制中的研究情况1

关键词　双足机器人;模型;约束;智能控制中图法分类号　TP18

1　引 言

双足机器人是一门由仿生学、机械设计和加工、计算机控制理论和人工智能等多种学科形成的交叉学科1与轮式和多足机器人相比,双足机器人更加

适应于复杂的地形并且具有更加灵活的运动方向和

速度变化范围,因此得到了广大研究学者的关注1但是双足机器人更加精巧的机械结构对机器人的稳定控制也提出了更高的要求1

文献[1]在1995年总结了6条有腿机器人动态控制的难点,包括非线性化的状态空间、重力场的作

用、未知环境的影响、复杂的多输入多输出控制、随时间而变化的动态特性和连续与离散相结合的控制方法1

而双足机器人作为腿数比较少的一种多腿机器人,有分析和控制自身运动的难点1首先双足机器人是一个多自由度的复杂机械结构,其动力学方程具有非线性、高阶和强耦合的特点,现有的数学模型和解析算法不足以得到完整和精确的步态解1另外除可控的有驱动自由度以外,双足系统脚板与地面之间存在无驱动的自由度[2]1这个自由度的控制对机器人的姿态稳定具有重要的意义1最后双足机器人不同特性的步态周期切换也是自然步态生成中的一个难点1双足机器人的步态由静态的双脚支撑期和动态的单脚支撑期组成1在步行过程中,双足机器人从稳定的双脚支撑过渡到不稳定的单脚支撑,相应的控制结构从闭环切换到开环1另外从机器人的跑步运动我们可以看到,机器人在腾空状态依然可以保持动态平衡,也就是说机器人的步行控制不能平行的移植到机器人的跑步控制当中1这为多模型系统的稳定控制和平滑控制制造了更多的困难1这里提到的动静态步行是评价步态的一个基本参数1从重心位置出发,静态步行定义为重心的投影处于支撑腿组成的多边形中;动态步行则对重心的投影没有位置要求1另一种定义则是从占空比出发1其中占空比定义为双脚支撑期在整个步态周期中所占比例[3]1当占空比达到一定标准时,认为这种步态属于静态步行,具体标准值和实际机器人物理参数有关1通常认为静态步行β的下限值是01251另外为了提高机器人步行速度和能量利用效率,一般设计β≤0121实验证明,当双脚支撑期只占一个步态周期的20%以下时,可以获得比较满意的步速和能量利用效率1

2　研究方法

迄今为止,对双足机器人的基本研究思路可以分为基于仿生学原理和基于动态控制原理两种类型1这两种不同思路的研究方法在双足机器人的步态设计和规划中都有广泛应用1

211　仿生学原理

基于仿生学的双足步态研究主要通过测量和分析人类的步行运动,研究双足步行的基本原理,将得到的一些基本步态特征运用到双足步行机器人控制当中1早在1901年文献[4]通过观察人类和40多种动物的运动过程,研究了包括马等8种动物的运动步法,得到了它们的步态模式1他的研究揭示了动物的简单步法模型,开辟了从仿生学角度研究双足步态的先河1随后文献[5]将行为模仿的思想运用到机器人V T的控制方法当中1通过模仿学习表达非线性动力学差分方程,形成控制策略1采用的局部权重回归算法保证了学习的收敛性1这种研究的思路也被本田公司运用到阿西莫机器人的步态规划当中,通过离线研究人类步态运动的特性,形成简单的步态模式,然后经过在线调整误差控制机器人最终步态1

另一个仿生学的重要贡献是在大多数动物脑组织中发现控制运动节奏的中央模式发生单元(cen2 tral pattern generator)1这促使一部分研究学者[6]尝试将这一结构引用到双足步态中11999年文献[7]用中央模式发生器控制机器人手臂运动完成简单的杂耍动作,这位学者还从人类步行机构得到启示,设计了弹性关节解决了双足步行关节冲击的问题1他们的成功吸引了越来越多的学者开始这一方向的研究1

212　动态控制原理

基于仿生学原理算法的可行性完全依赖于步态数据1而机器人的具体步态和实际物理参数相关,要得到大量适用于已知机器人的步行数据并不是一件容易的事情1并且各个不同机器人之间的数据不具有共享性,因此算法不具有适用性1这使得大量学者转而开始机器人动态控制的研究1这种研究思路从各个关节力矩的控制方面考虑双足机器人的步态控制,通过研究刚性连杆结构的动力学特征对各个关节施加驱动力矩带动机器人步行运动1在这种研究思路下,众多的研究群体又提出了基于模型和非模型两种步态规划和控制策略1

21211　基于模型的控制

基于模型的双足控制借鉴已知的物理模型特性对双足机器人模型进行大胆简化,建立了倒立摆模型、被动步态模型、质量弹簧模型和Acrabat模型等实用的控制模型1

倒立摆模型是Hemami等人[8]于20世纪70年代后期提出的一种双足机器人控制模型1最初的模型在二维空间借鉴一阶倒立摆,将倒立摆的杆和机器人的腿进行对应,将双足机器人踝关节的力矩驱动看做是倒立摆的基底关节驱动,从而把双足机器

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胡凌云等:双足机器人步态控制研究方法综述

人的步行过程和倒立摆的直立摆动过程对应起来1 1984年文献[9]首次以函数的形式表达机器人的步态,并通过单步的反馈控制拟合倒立摆模型biper的动力学控制参数11987年文献[10]设计了具有倒立摆特性的双足机器人,用状态反馈控制双足机“MeltranII”的质心沿约束线运动,使得其水平动力学方程近似为线性倒立摆模型1在随后的应用中,倒立摆模型逐步发展为3维情况下多级倒立摆,并逐步加入对踝关节和脚板的考虑,模型也越来越接近实际机器人的双足模型1但是鉴于倒立摆的特性,该模型只适用于腿部质量和惯量都非常小的情况1而实际机器人一般不能达到这个要求,因此该模型一般用于生成双足的参考步态轨迹1在此基础上通过结合其他控制算法对轨迹进行稳定性和能量消耗等方面的修正1

加拿大的Mc G eer[11]是最早开始被动式双足机器人研究的学者之一,早期采用被动步态理念设计的双足机器人双腿为直杆结构,没有膝关节1每条腿上一个小电机用来控制腿部的伸缩1在没有任何主动控制和能量供给的情况下,可完全通过重力作用实现斜坡上的动态步行1此后文献[12]在G eer的被动式机器人基础上增加了膝关节和相应的控制系统,并开始3维空间的被动式步态研究1他们的研究表明,在机器人下肢质量分布没有达到理想状态的情况下,需要附加控制系统完成神经肌肉的功能来保证机器人的稳定性,由此可见,下肢质量和长度的分布对机器人步态有非常明显的影响1一些机器人的理想质量分布在1984年[13]从更加有利于动力学方程线性化和稳定性控制的角度进行了明晰的阐述1

质量弹簧模型是M IT的Pratt[14]提出的一种非常新颖的双足机器人结构模型1M IT有腿实验室最初的机器人设计采用的是液压式动力机构,通过压缩空气或者机械弹簧产生腿部行走需要的弹力1这种结构能够快速产生比较高的能量密度和力,但需要良好的密封装置和较大的阻尼控制1考虑到这些缺陷,他们转而开发了质量弹簧模型1这种新设计的机构由弹簧和阻尼单元组成,信噪比小,零飘小,并且解决了常用的电机-连杆模型中不可连续变速的问题1而且将力的控制转换成了位置的控制,消除了高扭矩力下冲击力对齿轮和电机的不良作用1在这个弹性关节结构上,Pratt等人设计的虚拟模型控制(virtual model control)的策略用于将高层的任务级指令解析成底层的可执行控制命令,各部件需要的力矩由对应的虚拟单元产生1这一控制策略被运用到机器人Spring Turkey和Spring Flamingo上,由于采用了虚拟现实蹬一些技术,机器人的步态自然、稳定,这在其他机器人身上是难以做到的1

除了基于模型的控制以外,另一个重要的研究方向是基于非模型的双足步态控制策略1

21212　基于非模型的控制

基于非模型的控制策略从机器人步行运动的约束入手,一般从机器人的稳定性和能量两个方面对双足步行运动加以控制1

(1)稳定性约束

为实现稳定的双足步态,众多的研究学者提出了适用于不同模型的稳定判据,如Co P(中心压力判据)、ZMP(零力矩点判据)和FRI(脚板转动指示法)等[15]1其中,Vukobratovic[16]提出的ZMP稳定判据是应用最广泛的一种1

人类动态行走过程方面的研究表明,人类动态的行走平衡不是因为具有比较大的脚底支撑面,而是因为身体各部分复杂的协调作用1因为在考虑动态平衡时,地面的反作用力最终可以等效成一对力N和力矩M对脚底的作用1这个支撑点就是零力矩点(ZMP点)1这里M依赖ZMP的选择,如果能够使得ZMP取在双脚支撑范围以内,就可以使M 变为01换句话说,机器人的动态平衡完全取决于ZMP点的位置,而与重心位置无关1

ZMP稳定判据为人们研究动态稳定提供了可行的法则1通常的研究预先离线设定理想ZMP轨迹,然后通过调整关节扭矩力或者动量补偿使得实际ZMP轨迹和理想ZMP轨迹吻合1日本早稻田大学的WL212RIII是最早使用6维力传感器获得双足ZMP轨迹的机器人1但是由于结构和重量的问题,传感器安装在小腿,需要通过数学转换消除踝关节的影响才能获得实际ZMP1日本本田公司的P 系列机器人也都是采用6维力Π力矩传感器构建ZMP测量系统的1文献[17]通过学习上身的轨迹修正实际ZMP轨迹的方法1文献[18]根据预定踝关节轨迹调整髋关节的两个参数获得具有最大ZMP 稳定余度的ZMP轨迹1文献[19]通过预测机器人行为和ZMP的变化防止翻滚现象1他们的实验结果充分证明了ZMP稳定判据的可靠性1

(2)能量约束

除了稳定性以外,机器人的能量消耗也被不少研究学者作为机器人的一种约束对双足步态进行控

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制研究1早在1989年,文献[20]就研究了能量与关节角度和肌肉模型的关系;随后,文献[21]描述了理想双足机的一类特殊轨迹“势能守衡轨道”11987年,文献[22]对双足机器人在单脚支撑期和双脚支撑之间过渡期的碰撞过程进行了详细的建模,建立了碰撞冲击力与碰撞前后关节角度变化的关系函数,通过线性的关节角速度控制和非线性的位置控制实现了机器人SD22平稳的着地过程12001年,文献[23]研究了被动步态的能量消耗和稳定性,提出了虚拟被动动态步行的概念1在水平面上通过对机器人施加虚拟重力作用,在没有其他扭矩力作用情况下使其完成步行1由于虚拟重力场非常接近实际行走需要的最小作用,机器人的步态呈现非常自然的状态1但是这种方法将虚拟重力作用作为惟一的控制输入,没有涉及其他如稳定的因素,随后Ya2 makita改进了算法,在双足约束中加入对ZMP位置的约束形成了新的控制策略1

以上介绍的各个研究方法的分类并非完全独立的,鉴于各个算法都存在一定的优势和缺陷,目前实际机器人采用的步态控制算法一般都结合了两种或者两种以上的研究思路1例如,文献[24]将倒立摆模型和ZMP稳定判据结合起来提出采用重力补偿的倒立摆模型计算机器人步行所需扭矩力1随后依据倒立摆模型的启示,他又设计出对站立腿进行扭矩力计算(快变子系统)而对摆动腿实施阻尼控制(慢变子系统)的混和控制方法,并将其中的慢变子系统简化成一阶倒立摆模型1另外文献[25]提出了通过多种稳定约束修正起始参考轨迹的方法,这个算法由于过于复杂,不适于快速的动态步行1

3　智能控制算法

以上提到的研究思路为实际机器人的步态规划搭建了合理的研究模型和理论背景,在此之上,正确的引入智能化的控制算法无疑将改进算法的适用性和鲁棒性1鉴于传统智能控制算法如连接主义、模糊逻辑、遗传算法具有强大的自学习、自适应和容错能力,它们都被逐步引入到各个模型的控制中1神经网由于具有大量平行计算和非线性映射的能力,被广泛应用到双足步行的控制及动静态平衡和不同地形环境的适应中11988年文献[26]通过倒立摆模型得到完整步态的动力学模型来优化Hop2 field网完成控制器的设计11992年文献[27]将机器人SD22的每个关节用一个关节神经元加以表达,通

过学习,神经网完成脚底力与对应关节角需要调整角度之间的关系1同年文献[28]在一个三连杆的简单机器人上面实现了分层神经网控制器1对应于3个杆,3个神经网分别用于控制身体姿态、脚的着地和在脚在空中的姿态1文献[29]的作者是运用神经网对机器人步态进行控制最成功的学者之一1最初他采用监督学习训练3个CMAC神经网的自适应学习,分别控制机器人前后平衡,左右侧摆和位姿的连续变化1为了实现变速的快速步行,在新一代的UN H上Miller增加了加速度传感器和两个固定状态的陀螺仪、在结构上增加了步态发生器,动力学模块和两个CMAC神经网1这5个CMAC网中一个负责纠正左右倾斜,一个负责纠正前后髋关节,两个负责调整机器人速度以符合前设的轨迹要求,最后一个负责改变踝关节左右滚动1由于采用了前设轨迹、反馈控制和在线TD(temporal difference)学习,机器人速度可以达到0112mΠs1另外一些用神经网控制步态轨迹的例子包括在线性倒立摆模型上用时间反向传播神经网生成关节轨迹[30]1

除了神经网以外,由于模糊逻辑在知识表达方面的优势也被不少学者运用到双足步态的生成和控制上面1文献[31]利用模糊变增益控制机器人双脚支撑期;文献[32]利用机器人运动参数选择模糊控制增益;文献[33]在再励学习中引入模糊反馈,对“快跌倒”,“比较稳定”,“很慢”等状态进行表达;文献[34]将模糊控制器引入机器人位置和力的控制中,研究了恶劣地形下机器人步态的生成1

另一个重要的智能控制方法是遗传算法1文献[35]和文献[36]都以最小能量消耗和ZMP稳定判据作为约束,通过遗传算法自动生成双足步态轨迹1文献[37]研究了通过遗传算法体调整双足步态生成中PD控制的局部增益1由于遗传算法一般需要比较长的进化过程,对于双足机器人这样一个对时间要求比较高的系统来说,如果不解决进化速度问题,只适用于离线规划中1

对比这3种智能控制算法可以看到,由于神经网适用性广,功能强大而获得比较多的应用,在高阶动力学和逆动力学函数拟合、模型函数和误差学习以及轨迹参数在线规划方面都有成功的应用1而对于Ⅰ型模糊逻辑如果没有合理设计隶属度函数,往往无法正确地表达人类步行规律,因此需要结合神经网对模糊逻辑的具体隶属度函数的参数进行学习和调整,这使得一些研究人员把目光转向Ⅱ型模糊逻辑和模糊神经网[38]1相对前两者智能算法,遗传

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胡凌云等:双足机器人步态控制研究方法综述

算法在双足机器人步态控制方面的应用比较少,这和遗传算法本身的速度和资源消耗有很大关系,如果不对遗传算法做适应性改进,是很难应用到双足系统的实时控制当中1不过把遗传算法作为寻找能量和稳定性最优解仍然是一个不错的离线步态规划的方法1

另外根据实际机器人步态规划的需要,各个智能控制算法的结合体如模糊神经网、神经元模糊逻辑、神经元遗传算法等也相继出现在双足步态的控制当中1

4　总 结

本文概括地介绍了双足步态控制的3种模型、2种约束和3种智能控制算法1除了代表性的研究模型以外,各约束的具体应用内容和智能控制算法的特点也在本文有详细阐述1值得指出的是,除了列举的国外的研究情况以外,国内对于双足机器人的研究也取得了令人鼓舞的成就1其中包括北京理工大学开发的BHR21,国防科技大学开发的“先行者”,清华大学开发的THB IP21等1这都激励着更多的同行研究人员投入到双足机器人的研究中来,为国内的双足系统研究做出更大的贡献1

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search interests include stable gait planning and intelligent learning for biped robot ,stability criterion extraction and generation 1

胡凌云,1979年生,博士,主要研究方向为双足机器人稳定步态规划与智能学习、稳定判据的提取与生成1

Sun Z engqi ,born in 19431He is currently a senior IEEE member and a professor in Ts 2inghua University 1His main research inter 2ests are computer control theory and applica 2tion ,network control ,intelligent control and robot 1

孙增圻,1943年生,教授,博士生导师,主要研究方向为计算机控制理论及其应用、网络控制、智能控制、机器人学1

R esearch B ackground

The control of bipedal walking robots has been a research topic for about 3decades 1Various kinds of intelligent methods like neural network ,fuzzy logic and evolution algorithm have been introduced into this research area with different kinds of robot model such as inverted pendulum ,passive gait model and so on 1In this paper ,survey of current research in this area is briefly introduced 1Based on it ,our lab has designed a biped robot LUNA for the humanoid game in RoboCup competition 1This small robot has totally 12degree freedom and can carry out straight walking ,turning ,kicking and other skills required for robot soccer game 1A stable gait generation algorithm based on T 2S type fuzzy learning net method is proposed on the biped plant 1More research work related to it is being under way in our lab 1This work is jointly supported by the National K ey Project for Basic Research of China (grant No 1G 2003cb312205)and the National Science Foundation of China (grant No 160174018,90205008,60305008)1

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37胡凌云等:双足机器人步态控制研究方法综述

【外文翻译】双足机器人上楼梯的步态规划

双足机器人上楼梯的步态规划 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@https://www.wendangku.net/doc/1a15515774.html, Yoshitsugu Kamiya Department of Mechanical Systems Engineering Kanazawa University Kanazawa, Japan kamiya@t.kanazawa-u.ac.jp 【摘要】上楼梯是双足机器人的一种基本动作。一个有效的算法对双足步行的稳定性是至关重要的。在本文中，我们以双足机器人爬楼梯为例，提出一个基于重复变换法（RDK）的算法来规划上楼梯动作和前向运动。在本文提出的算法中，为了满足上楼梯的稳定性，机器人通过上身来调整质心的位置，并且由重复变换法（RDK）进行计算和修正。重复变换法的作用是有保证性的，其可行性和有效性已经通过双足机器人上楼梯仿真实验的验证；而本文提出的算法也适用于双足机器人下楼梯。 【索引词】双足机器人；上楼梯；重复变换法；重心运动； 1.介绍 双足机器人和人类一样拥有多自由度的特点，每一个关节可以通过巧妙的组合从而可以完成各种动作。而且双足机器人对环境具有良好的适应性，并能进入相对狭窄空间替代人类执行各种操作，所以它们具有广阔的应用前景。上下楼梯只是双足机器人具有的基本功能。而建立机器人的运动学模型，分析其上下楼梯的过程，并研究其步态规划方法，是实现双足机器人稳定的步态非常重要的保证。 一些目前的研究成果已经计算出双足机器人的上下楼梯的步态规划。如Yusuke Sugahara以及其他人提出通过调整腰部关节的角度和预先设置的零点力矩（ZMP）轨迹来设计机器人的步态规划方法爬楼梯。而Jeon以及其他人通过四项多项式计算关节的运动轨迹，并优化的机器人上下楼所需的最小能耗，实现机器人上楼梯的步态规划。Eun-Su等人则通过优化多项式参数与动态加密算法和自适应遗传算法，并且结合低阶多项式来计算各关节的运动轨迹，最后研究轴承扭矩和能源消耗和ZMP，直至机器人能稳定上下楼梯从而规划机器人的上楼梯轨迹。Song Xian-xi等学者利用踝关节的运动轨迹，并调整踝关节的旋转角与利用模糊控制算法使ZMP的位置接近支撑区域的中心，实现机器人稳定上楼梯的步态规划。除此之外，其他一些国际和国内学者也做了相关研究关于双足机器人的上下楼梯或上下斜坡的步态规划。上面的算法主要是基于关节轨迹的预先计算，然后通过模糊控制算法或遗传算法优化步态等，这些算法相当复杂，因为计算量是非常巨大的，而且处理时间非常长。

血管机器人研究现状与关键技术问题分析

Mechanical Engineering and Technology 机械工程与技术, 2018, 7(6), 462-472 Published Online December 2018 in Hans. https://www.wendangku.net/doc/1a15515774.html,/journal/met https://https://www.wendangku.net/doc/1a15515774.html,/10.12677/met.2018.76057 Research Status and Key Technology Analysis of Vascular Robots Zhijian Zeng1, Yabo Deng1, Yongcong Huang1, Juan Xiong2, Zhongwei Hu1,3 1College of Mechanical and Electrical Engineering, Huaqiao University, Xiamen Fujian 2Huaqiao University Hospital, Xiamen Fujian 3Institute of Manufacturing Engineering, Huaqiao University, Xiamen Fujian Received: Nov. 16th, 2018; accepted: Dec. 4th, 2018; published: Dec. 11th, 2018 Abstract In recent years, vascular robot technology has developed rapidly and gradually used in medical fields such as disease diagnosis, information collection, vascular dredge, drug delivery, etc. Ac-cording to different driving modes of vascular robots, the structure and driving modes of mi-cro-nano-scale and millimeter-scale vascular robots are analyzed in this paper. The principle and research status of different driving modes of vascular robots are summarized, including peristaltic driving, bionic swimming, bionic flagella driving, spiral driving and so on. The characteristics of various structures of current vascular robots are discussed, and the key technologies and devel-opment prospects of vascular robots are analyzed. Keywords Blood Vessel Robot, Driving Mode, Nano-Robot, MEMS Robot 血管机器人研究现状与关键技术问题分析 曾志坚1，邓亚博1，黄永聪1，熊娟2，胡中伟1,3 1华侨大学机电及自动化学院，福建厦门 2华侨大学校医院，福建厦门 3华侨大学制造工程研究院，福建厦门 收稿日期：2018年11月16日；录用日期：2018年12月4日；发布日期：2018年12月11日

机器人研究现状及发展趋势

机器人发展历史、现状、应用、及发展 趋势 院系：信息工程学院 专业：电子信息工程 姓名：王炳乾

机器人发展历史、现状、应用、及发展趋势 摘要：随着计算机技术不断向智能化方向发展,机器人应用领域的不断扩展和深化,机器人已成为一种高新技术产业,为工业自动化发挥了巨大作用,将对未来生产和社会发展起越来越重要的作用。文章介绍了机器人的国内国外的发展历史、状况、应用、并对机器人的发展趋势作了预测。 关键词：机器人;发展；现状；应用；发展趋势。 1．机器人的发展史 1662年，日本的竹田近江利用钟表技术发明了自动机器玩偶并公开表演。 1738年，法国技师杰克·戴·瓦克逊发明了机器鸭，它会嘎嘎叫、进食和游泳。 1773年，瑞士钟表匠杰克·道罗斯发明了能书写、演奏的玩偶，其体内全是齿轮和发条。它们手执画笔、颜料、墨水瓶，在欧洲很受青睐。 保存至今的、最早的机器人是瑞士的努萨蒂尔历史博物馆里少女形象的玩偶，有200年历史。她可以用风琴演奏。 1893年，在机械实物制造方面，发明家摩尔制造了“蒸汽人”，它靠蒸汽驱动行走。 20世纪以后，机器人的研究与开发情况更好，实用机器人问世。 1927年，美国西屋公司工程师温兹利制造了第一个机器人“电报箱”。它是电动机器人，装有无线电发报机。 1959年第一台可以编程、画坐标的工业机器人在美国诞生。 现代机器人 有关现代机器人的研究始于20世纪中期，计算机以及自动化技术的发展、原子能的开发利用是前提条件。1946年，第一台数字电子计算机问世。随后，计算机大批量生产的需要推动了自动化技术的发展。1952年，数控机床诞生，随后相关研究不断深入；同时，各国原子能实验室需要代替人类处理放射性物质的机械。

双馈发电机工作原理

第七章双馈风力发电机工作原理 我们通常所讲的双馈异步发电机实质上是一种绕线式转子电机，由于其定、转子都能向电网馈电，故简称双馈电机。双馈电机虽然属于异步机的范畴，但是由于其具有独立的励磁绕组，可以象同步电机一样施加励磁，调节功率因数，所以又称为交流励磁电机，也有称为异步化同步电机。 同步电机由于是直流励磁，其可调量只有一个电流的幅值，所以同步电机一般只能对无功功率进行调节。交流励磁电机的可调量有三个：一是可调节的励磁电流幅值；二是可改变励磁频率；三是可改变相位。这说明交流励磁电机比同步电机多了两个可调量。 通过改变励磁频率，可改变发电机的转速，达到调速的目的。这样，在负荷突变时，可通过快速控制励磁频率来改变电机转速，充分利用转子的动能，释放或吸收负荷，对电网扰动远比常规电机小。 改变转子励磁的相位时，由转子电流产生的转子磁场在气隙空间的位臵上有一个位移，这就改变了发电机电势与电网电压相量的相对位移，也就改变了电机的功率角。这说明电机的功率角也可以进行调节。所以交流励磁不仅可调节无功功率，还可以调节有功功率。 交流励磁电机之所以有这么多优点，是因为它采用的是可变的交流励磁电流。但是，实现可变交流励磁电流的控制是比较困难的，本章的主要内容讲述一种基于定子磁链定向的矢量控制策略，该控制策略可以实现机组的变速恒频发电而且可以实现有功无功的独立解耦控制，当前的主流双馈风力发电机组均是采用此种控制策略。 一、双馈电机的基本工作原理 设双馈电机的定转子绕组均为对称绕组，电机的极对数为p，根据旋转磁场理论，当定子对称三相绕组施以对称三相电压，有对称三相电流流过时，会在电机的 n称为同步转速，它与电网频率气隙中形成一个旋转的磁场，这个旋转磁场的转速 1

生物机器人综述

科技写作 学院（系）：医疗器械与食品学院 年级专业：生物医学工程 学生姓名：朱安阳 学号： 152631974 指导教师：袁敏

摘要 20世纪60年代以来，随着仿生技术、控制技术和制造技术进一步发展，现代仿生学和机器人科学相结合，在机器人的结构仿生、材料仿生、功能仿生、控制仿生以及群体仿生等多个方面取得了大量可喜成果和积极进展。然而，伴随着人类医疗诊断、探索太空、建设航天站、开发海洋、军事作战与反恐侦察等任务和需求的增加，人们对机器人的性能也提出了更高的要求，于是生物机器人应运而生。 生物机器人就是完完全全和我们人类一样，用有生命的材料构成的而不是用金属材料构成的机器人。它们是利用自然界中的动物作为运动本体的机器人，通过把微电极植入与动物运动相关的脑核团或者方向感受区，并施加人工模拟的神经电信号，从而达到控制动物运动，利用动物特长代替人类完成人所不能和人所不敢的特殊任务。 与传统的仿生机器人相比，生物机器人在能源供给、运动灵活性、隐蔽性、机动性和适应性方面具有更明显的优势，可以广泛应用在海洋开发、探索太空、反恐侦查、危险环境搜救以及狭小空间检测等各方面。近年来对生物运动规律和动物机器人的研究受到更多的重视。本文主要对对国内外生物机器人的研制工作做了综述，并介绍其应用前景及对其未来发展进行了展望。 关键词：生物机器人；运动诱导；神经控制；研究现状；发展方向

1.课题的研究现状 自20世纪90年代开始，生物机器人的研究历史仅有短短的10年，然而这短短十年又是生物机器人研究成果丰硕的十年，各国科研人员都相继开展了动物机器人的研究工作，尤其是美国，日本等科技发达国家，它们的研究成果代表着这一领域的最高水平，国在这一领域的研究尚在起步阶段，但也已有了不俗的进展。 1.1 国外的研究现状 在国外，美国、日本以及欧盟较早地开始了纳米生物机器人的研究。纳米生物机器人的组件可以是单个的原子或分子，但利用自然界存在的、具有一定结构和功能的原子团或分子的集合分子功能器件组装纳米机器人，更加高效和现实可行，即按照分子仿生学原理，利用大量存在的天然分子功能器件设计、组装纳米生物机器人。美国 2000年开始了国家纳米技术计划，国家卫生研究院(NIH)和国家癌症研究所(NIC)于2002年开展了DNA分子马达的研究。NASA高级概念研究院(NIAC)和Rutgers大学在2002年提出了纳米生物机器人研究50年发展规划；2002年日本Osaka大学启动了生命科学前沿研究计划，其中包括 ATP马达的研究；欧盟2002年正式推出了研究纳米技术的第6框架计划，其中纳米生物技术的研究重点为生物分子或复合物的处理、操纵和探测。 图 1-1 昆虫机器人

工业机器人发展现状与趋势

工业机器人发展现状与趋势 工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。自从1962年美国研制出世界上第一台工业机器人以来，机器人技术及其产品发展很快，已成为柔性制造系统(FMS)、自动化工厂(FA)、计算机集成制造系统(CIMS)的自动化工具。 广泛采用工业机器人，不仅可提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。和计算机、网络技术一样，工业机器人的广泛应用正在日益改变着人类的生产和生活方式。 一、工业机器人技术现状及国内外发展的趋势 工业机器人是最典型的机电一体化数字化装备，技术附加值很高，应用范围很广，作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会发展起着越来越重要的作用。国外专家预测，机器人产业是继汽车、计算机之后出现的一种新的大型高技术产业。据联合国欧洲经济委员会(UNECE)和国际机器人联合会(IFR)的统计，世界机器人市场前景看好，从20世纪下半叶起，世界机器人产业一直保持着稳步增长的良好势头。进入20世纪90年代，机器人产品发展速度加快，年增长率平均在10％左右。2004年增长率达到创记录的20％。其中，亚洲机器人增长幅度最为突出，高达43%，如图1所示。

各区域用户工业机器人定购指数（以1996年作为100） 国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势： 1．工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可*性、便于操作和维修），而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10．3万美元降至97年的6．5万美元。 2．机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问市。 3．工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可*性、易操作性和可维修性。 4．机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。

双足机器人制作及其步态运行

双足机器人制作及其步态运行 一、实验目的 1 . 掌握实验室设备使用方法 2 . 学会AutoCAD知识并运用以及学习arduino单片机的基本开发 3 . 了解双足机器人平衡控制方法。 二、原理说明 1．Arduino使用说明 Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台。包含硬件（各种型号的Arduino板）和软件（Arduino IDE)。它构建于开放原始 码simple I/O介面版，并且具有使用类似Java、C语言的 Processing/Wiring开发环境。主要包含两个主要的部分：硬件部分是可 以用来做电路连接的Arduino电路板；另外一个则是Arduino IDE，你的 计算机中的程序开发环境。你只要在IDE中编写双足步态程序代码，将 程序上传到Arduino电路板后，程序便会告诉Arduino电路板要做怎样 的步态运行。 2 . 双足步态算法 双足机器人平衡控制方法其中的“静态步行”（static walking），这种方法是在机器人步行的整个过程中，重心（COG，Center of Gravity）在机器人底部水平面的投影一直处在不规则的支撑区域（support region）内，这种平衡控制方法的好处是整个机器人行走的过程中，保证机器人 稳定行动，不会摔倒。但是这个平衡控制方法缺点是行动速度非常缓慢 （因为整个过程中重心的投影始终位于支撑区域）。另一种使用的平衡 控制方法是“动态步行”（dynamic walking），在这个控制方法中机器 人的步行速度得到了极大的飞跃，显而易见，在得到快速的步行速度同 时，机器人很难做到立即停止。从而使得机器人在状态转换的过程中显 现不稳定的状态，为了避免速度带来的影响。零力矩点（ZMP）被引入 到这个控制策略中，在单脚支撑相中，引入ZMP=COG。引入ZMP的好 处在于，如果ZMP严格的存在于机器人的支撑区域中，机器人绝不摔倒。

机器人发展现状及未来趋势

机器人发展现状及未来趋势

一、机器人现状及国内外发展趋势 国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势： 1．工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便 于操作和维修），而单机价格不断下降，平均单机价格从91年 的10．3万美元降至97年的6．5万美元。 2．机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服 电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块 用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品 问市。 3．工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且 采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维 修性。 4．机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等 传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传 感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配 置技术在产品化系统中已有成熟应用。 5．虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于 过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中 的感觉来操纵机器人。

6．当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。 7．机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一探索开拓其实际应用的领域。我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如：可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距；在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可

双馈电机调速

双馈电机调速 科学技术的迅猛发展，人类社会已进入到一个飞速发展的时期，能源、材料、信息的发展在其中起到了举足轻重的作用。纵观人类历史文明的每次进步与更迭都与能源与材料的开发应用密切相关。中国是世界最大的发展中国家,同时也是世界第二大能源消费国, 正确认识中国能源消费状况与能源消费结构,实现能源、经济和社会之间的协调发展,是中国所面临和必须解决的重要课题。上世纪70年代,石油危机给工业国家的经济带来了沉重的打击,这大大促进了全球范围内对可再生能源的开发及节能技术的研究。尤其是近年来,随着石油价格的节节攀升,世界上许多国家一方面把可再生能源作为常规矿物能源的一种补充、替代能源，将可再生能源作为其能源发展战略的重要组成部分，另一方面积极开发和推广低功耗、高效率的节能技术。作为世界上第二大能源消费国，我国一直把节能减排当成一个重要的战略来选择，并在十一五规划中提出了具体的目标和要求。电能是能量的一种形式。与其它形式的能源相比，电能具有明显的优越性，它适于大量生产、集中管理、远距离传输和自动控制。故电能在工农业及人类生活中获得广泛的应用。作为与电能生产、输送和应用有关的能量转换装置——电机，在电力工业、工矿企业、农业、交通运输业、国防、科学文化及日常生活等方面都是十分重要的设备。目前，风机、水泵等机械设备的耗电量几占整个工业耗电量的一半，众所周知，采用变频调速技术后，风机和泵类负载可节约大量电能，平均30%左右。因此开发高效率的交流调速系统，经济地利用好这一部分电能，对应对当前能源紧张和实践国家节能要求都有着很好的现实意义。 交流调速系统的应用与成熟是与电力电子技术，微电子技术以及控制技术的发展密切相关的。20世纪上半页，鉴于直流拖动系统优越的调速性能，高性能可调速拖动都采用直流电动机，而当时约占电力拖动容量80%以上的不变速拖动都采用交流电动机，这种分工在一定的时间内已成为一种公认的格局。那时，交流调速系统的多种方案虽然已经问世，并已获得应用，但其性能却始终不能与直流调速系统相匹敌。但直流调系统也并不是那样的完美，直流电机由于具有电刷和换向器等机械结构，存在着固有的―换向这一理论和技术上的实际困难，限制了其应用范围，特别是在大功率和高电压条件下的应用；另外，直流电机维护困难，易产生火花也使得提高电机转速和极限容量受到了限制。20世纪60～70年代，随着电力电子技术的发展，使得采用电力电子变换器的交流调速系统得以实现，特别是大规模集成电路和计算机控制的出现，高性能交流调速系统应运而生，交直流拖动按调速性能分工的格局终于被打破了。交流电动机较之直流电动机结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便、惯量小、效率高的优势得到了充分的发挥，其在国民工业生产和生活的各个方面得到了广泛的应用。随着交流电动机的广泛应用，以电力电子器件、微电子器件技术和控制技术等为基础的变频调速技术，有了突破性的进展，生产出满足变频调速要求的变频器，从此标志着交流调速进入了一个崭新的时代。在变频器出现后的近三十年里，其被广泛的应用在纺织、冶金、印刷、化工、工矿、石油、医药、造纸卷烟等行业，从工业环境，到家居电器到处都能看到它的身影。以应用广泛的交-直-交变频器为例，未来变频技术的发展主要有以下几个趋势： 1、开关损耗降低：低压小容量变频器普遍采用的功率开/关器件是功率MOSFET、IGBT（绝缘栅双极型晶体管）和IPM（智能功率模块）。中压大容量变频器采用的功率开关器件有：GTO（门极可关断晶闸管）、IGCT（集成门极换流晶

纳米材料综述要点

纳米材料综述 一、基本定义 1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着 纳米科学技术的正式诞生。 1、纳米 纳米是一种长度单位，1纳米=1×10-9米，即1米的十亿分之一，单位符 号为 nm。 2、纳米技术 纳米技术是在单个原子、分子层次上对物质的种类、数量和结构形态进行 精确的观测、识别和控制的技术，是在纳米尺度范围内研究物质的特性和 相互作用，并利用这些特性制造具有特定功能产品的多学科交叉的高新技 术。其最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子、分子，制造出 具有特定功能的产品。 纳米技术的发展大致可以划分为3个阶段： 第一阶段(1990年即在召开“Nano 1”以前主要是在实验室探索各种纳米粉体的制备手段，合成纳米块体(包括薄膜，研究评估表征的方法，探索纳米材料的特殊性能。研究对象一般局限于纳米晶或纳米相材料。 第二阶段 (1990年～1994年人们关注的热点是设计纳米复合材料： ?纳米微粒与纳米微粒复合(0-0复合， ?纳米微粒与常规块体复合(0-3复合， ?纳米复合薄膜(0-2复合。 第三阶段(从1994年至今纳米组装体系研究。它的基本内涵是以纳米颗粒 以及纳米丝、管等为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系的研究。 3、纳米材料 材料基本构成单元的尺寸在纳米范围即1~100纳米或者由他们形成的材料就称为纳米 材料。纳米材料和宏观材料迥然不同，它具有奇特的光学、电学、磁学、热学和力学等方面的性质。

图1 纳米颗粒材料SEM图 二、纳米材料的基本性质 由于纳米材料是由相当于分子尺寸甚至是原子尺寸的微小单元组成，也正因为这样，纳米材料具有了一些区别于相同化学元素形成的其他物质材料特殊的物理或是化学特性例如：其力学特性、电学特性、磁学特性、热学特性等，这些特性在当前飞速发展的各个科技领域内得到了应用。科学家们和工程技术人员利用纳米材料的特殊性质解决了很多技术难题，可以说纳米材料特性促进了科技进步和发展。 1、力学性质 高韧、高硬、高强是结构材料开发应用的经典主题。具有纳米结构的材料强度与粒径成反比。纳米材料的位错密度很低，位错滑移和增殖符合Frank-Reed模型，其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大，增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大，所以纳米材料中位错滑移和增殖不会发生，这就是纳米晶强化效应。金属陶瓷作为刀具材料已有50多年历史，由于金属陶瓷的混合烧结和晶粒粗大的原因其力学强度一直难以有大的提高。应用纳米技术制成超细或纳米晶粒材料时，其韧性、强度、硬度大幅提高，使其在难以加工材料刀具等领域占据了主导地位。使用纳米技术制成的陶瓷、纤维广泛地应用于航空、航天、航海、石油钻探等恶劣环境下使用。 2、热学性质 纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值，这是由于界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用变弱的结果。因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面有其广泛的应用前景。例如Cr-Cr2O3颗粒膜对太阳光有强烈的吸收作用，从而有效地将太阳光能转换为热能。 3、电学性质 由于晶界面上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料，甚至发生尺寸诱导金属——绝缘体转变（SIMIT）。利用纳米粒子的隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特点，有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体器件。2001年用碳纳米管制成的纳米晶体管，表现出很好的晶体三极管放大特性。并根据低温下碳纳米管的三极管放大特性，成

机器人发展历史及未来发展趋势

机器人的发展历史及未来发展趋势 【摘要】随着科技的发展，机器人在越来越多的领域发挥着越来越重要的作用。机器人也已不是仅仅在科幻小说和科幻电影里出现，在很多领域里我们都可以看到机器人 的身影。我们相信，随着科学技术的不断发展，在不远的将来，机器人会变得更加普遍。同时，它们所具有的功能也会越来越多。 接下来，本文将具体介绍机器人的发展历史，同时也会根据科技的最新发展分析 机器人未来的发展趋势。 【关键词】机器人发展历史发展趋势 一、机器人的定义 机器人是在怎样的情况下产生的？ 机器人形象和机器人一词，最早出现在科幻和文学作品中。1920年，一名捷克作家发表了一部名为《罗萨姆的万能机器人》的剧本，剧中叙述了一个叫罗萨姆的公司 把机器人作为人类生产的工业品推向市场，让它充当劳动力代替人类劳动的故事。作 者根据小说中Robota（捷克文，原意为“劳役、苦工”）和Robotnik(波兰文，原意为“工人”），创造出“机器人”这个词。 那机器人的定义到底是什么呢？ 在科技界，科学家会给每一个科技术语一个明确的定义，机器人问世已有几十年，但对机器人的定义仍然仁者见仁，智者见智，没有一个统一的意见。原因之一是机器 人还在发展，新的机型，新的功能不断涌现。根本原因主要是因为机器人涉及到了人 的概念，成为一个难以回答的哲学问题。就像机器人一词最早诞生于科幻小说之中一样，人们对机器人充满了幻想。也许正是由于机器人定义的模糊，才给了人们充分的 想像和创造空间。 在1967年日本召开的第一届机器人学术会议上，人们提出了两个有代表性的定义。一是森政弘与合田周平提出的：“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”。从这一定义出发，森政弘又提出了用自动性、智能性、个体性、半机械半人性、作业性、通用性、信息性、柔性、有限性、移动性等10个特性来表示机器人的形象；另一个是加藤一郎提出的具有如下3个条件的机器称为机器人： 1．具有脑、手、脚等三要素的个体； 2．具有非接触传感器（用眼、耳接受远方信息）和接触传感器；

一种双足步行机器人的步态规划方法

?16? 一种双足步行机器人的步态规划方法 □胡洪志马宏绪 国防科技大学机电工程与自动化学院 [摘要]本文介绍了一种双足步行机器人的步态规划方法,以前向运动为例,详细介绍了先分阶段规划然后合成的方法,并 讨论了行走过程中的冲击振动问题及减振措施,实验及仿真结果验证了这一规划方法的有效性。[关键字]双足步行机器人步态规划减振 [Abstract]In this p a p er ,w e p ut forw ard a m ethod for hum anoid robot g ait p lannin g .W e take forw ard m otion for exam p le ,illustrate the p hase p lannin g and com p ound m ethod in detail.T his p a p er also discusses the im p act v ibration p roblem and how to g et rid of it.T he ex 2p erim ent and simulation result verified the validation of the m ethod. [K e y w ords]bi p ed robot ;g ait p lannin g ;v ibration decrease [作者简介]胡洪志:男,1978年3月生,国防科技大学机电工程与自动化学院研究生,研究方向:智能机器人系统。 马宏绪:男,1966年8月生,国防科技大学机电工程与自动化学院教授,硕士生导师,研究方向:智能机器人系统。 1引言 双足步行机器人的研究是由仿生学、机械工程学和控制理论等多种学科相互融合而形成的一门综合学科,是机器人研究的一个重要分支。双足步行机器人的研究可以促进多个学科的研究,并为相关学科的研究提供一个平台,具有很大的理论价值。在实际应用中,双足步行机器人可用于有放射性、危险及其它对人体有害的环境中取代人类劳动,把人从高强度、长时间及单调乏味的工作中解脱出来,具有广阔的市场前景。步行机器人最大的特征是步行,步态是在步行运动过程中,步行体的身体各部位在时序和空间上的一种协调关系,步态规划是双足步行机器人研究中的一个关键技术。要实现和提高机器人的行走性能,必须研究实用 而有效的步态规划方法,实现机器人的稳定步行。 2双足步行机器人模型 本文的研究对象是一台具有12关节自由度的双足步行机构,每条腿各有6个自由度,即:踝关节有前向和侧向两个自由度;膝关节一个前向自由度,髋关节具有三个 自由度,包括前向、侧向及转弯自由度。由仿真分析及实验研究可知,在步行运动中,双足步行机器人前向各关节的运动与侧向各关节运动之间的耦合很小,可以忽略这一耦合的影响,对机器人前向和侧向的运动分开建模。本文主要讨论前向运动的步态规划问题。 前向运动模型如下图一: 定义:双腿关节,先左腿,后右腿,左腿由下至上,右腿由上至下,依次标注为1,2,3,...,10,11,12,各关节对应的转角依次为θ1,θ2,θ3,…,θ10,θ11,θ12,其中θ1,θ5,θ8,θ12,分别为双腿侧向关节对应的转角;θ2,θ3,θ4,θ11,θ10,θ9为双腿前向关节对应的转角;θ6, θ7转弯关节在前向运动中始终保持为零。 图一

机器人运动算法

1、简介 机器人的应用越来越广泛,几乎渗透到所有领域。移动机器人是机器人学中的一个重要分支。早在60年代,就已经开始了关于移动机器人的研究。关于移动机器人的研究涉及许多方面,首先,要考虑移动方式,可以是轮式的、履带式、腿式的,对于水下机器人,则是推进器。其次,必须考虑驱动器的控制,以使机器人达到期望的行为。第三,必须考虑导航或路径规划,对于后者,有更多的方面要考虑,如传感融合,特征提取,避碰及环境映射。因此,移动机器人是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统。 腿式机器人的腿部具有多个自由度,使运动的灵活性大大增强.它可以通过调节腿的长度保持身体水平,也可以通过调节腿的伸展程度调整重心的位置,因此不易翻倒,稳定性更高. 腿式机器人也存在一些不足之处.比如,为使腿部协调而稳定运动,从机械结构设计到控制系统算法都比较复杂;相比自然界的节肢动物,仿生腿式机器人的机动性还有很大差距. 腿的数目影响机器人的稳定性、能量效率、冗余度、关节控制的质量以及机器人可能产生的步态种类. 2、研究方法 保持稳定是机器人完成既定任务和目标的基本要求.腿式机器人稳定性的概念: 支持多边形(supportpolygon) 支持多边形的概念由Hildebrand首先提出,用它可以方便地描述一个步态循环周期中各个步态的情况.支持多边形指连接机器人腿部触地各点所形成的多边形在水平方向的投影.如果机器人的重心落在支持多边形内部,则认为机器人稳定. 算人物脚步放置位置及达到目标位置的走法是行走技术的重要环节。 2.1 控制算法 （1)姿态控制算法 这种算法的基本思想是:已知机器人的腿对身体共同作用产生的力和力矩向量,求每条腿上的力.用数学语言表达如下(假设机器人有四条腿): 其中和z已知,要求，解出这几个力，通过控制每条腿上的力向量,就可以使机器人达到预定的姿态,实现了机器人姿态的可控性,以适应不同地形. （2）运动控制算法 这个暂时不知道 (3)步态规划算法 这种算法的基本思想是:已知机器人的腿部末端在坐标系中的位置,求腿部各个关节的关节角.当关节角确定后,就可以构造机器人的步态模式.可用算法有ZMP算法、离线规划算法。 步态规划就是基于当前系统状态设计一种算法，得到期望的控制序列。步态规划在控制

机器人发展现状及趋势分析

机器人发展现状及趋势分析 一、机器人创新发展概述 机器人是集机械、电子、控制、传感、人工智能等多学科先进技术于一体的自动化装备。自1956年机器人产业诞生后，经过近60年发展，机器人已经被广泛应用在装备制造、新材料、生物医药、智慧新能源等高新产业。机器人与人工智能技术、先进制造技术和移动互联网技术的融合发展，推动了人类社会生活方式的变革。 当前，我国机器人市场进入高速增长期，工业机器人连续五年成为全球第一大应用市场，服务机器人需求潜力巨大，核心零部件国产化进程不断加快，创新型企业大量涌现，部分技术已可形成规模化产品，并在某些领域具有明显优势。下面一起随着云里物里科技来看下。 （一）机器人创新发展进程 图1机器人创新发展进程 第一阶段，发展萌芽期。1954年，第一台可编程的机器人在美国诞生。1958年，美国发明家恩格尔伯格建立了Unimation公司，并于1959年研制出了世界上第一台工业机器人。这一阶段，随着机构理论和伺服理论的发展，机器人进入了实用阶段。 第二阶段，产业孕育期。1962年，美国AMF公司生产出第一台圆柱坐标型机器人。1969年，日本研发出第一台以双臂走路的机器人。同时日本、德国等国家面临劳动力短缺等问题，因而投入巨资研发机器人，技术迅速发展，成为机器人强国。这一阶段，随着计算机技术、现代控制技术、传感技术、人工智能技术的发展，机器人也得到了迅速的发展。这一时期的机器人属于“示教再现”（Teach-in/Playback）型机器人，只具有记忆、存储能力，按相应程序重复作业，对周围环境基本没有感知与反馈控制能力。

第三阶段，快速发展期。1984年，美国推出医疗服务机器人Help Mate，可在医院里为病人送饭、送药、送邮件。1999年，日本索尼公司推出大型机器人爱宝（AIBO）。这一阶段，随着传感技术，包括视觉传感器、非视觉传感器（力觉、触觉、接近觉等）以及信息处理技术的发展，出现了有感觉的机器人。焊接、喷涂、搬运等机器人被广泛应用于工业行业。2002年，丹麦iRobot公司推出了吸尘器机器人，是目前世界上销量最大的家用机器人。2006年起，机器人模块化、平台统一化的趋势越来越明显。近五年来，全球工业机器人销量年均增速超过17%，与此同时，服务机器人发展迅速，应用范围日趋广泛，以手术机器人为代表的医疗康复机器人形成了较大产业规模，空间机器人、仿生机器人和反恐防暴机器人等特种作业机器人实现了应用。 第四阶段，智能应用期。这一阶段，随着感知、计算、控制等技术的迭代升级和图像识别、自然语音处理、深度认知学习等人工智能技术在机器人领域的深入应用，机器人领域的服务化趋势日益明显，逐渐渗透到社会生产生活的每一个角落。 （二）机器人产业规模加速增长 根据IDC预测，在全球机器人区域分布中，亚太市场处于绝对领先地位，预计其2020年支出将达1330亿美元，全球占比达71%；欧洲、中东和非洲为第二大区域；美洲是第三大市场。 图22020年全球机器人市场占比 近年来，中国各地发展机器人积极性较高，行业应用得到快速推广，市场规模增速明显。2017年，我国机器人市场规模达到62.8亿美元，2020年，预计超过100亿美元。

无刷双馈电机控制原理

无刷双馈电机控制原理 一、设备名称 1250KW无刷双馈电机低压变频控制系统 二、设备用途 本设备用于电机厂1250kw无刷双馈电机低压绕组测变频控制 三、现场技术条件及技术参数 1、环境条件 ·工作环境温度:0--40摄氏度 ·存储环境温度:-25-- 55摄氏度 ·相对湿度:<95%(无凝露) ·环境等级/ 有害化学物质:Class 3K3,符合标准 EN 60721-3-3 ·有机体 / 生物体影响因素:Class 3B1,符合标准 EN 60721-3-3 ·污染等级:2 (EN 61800-5-1) 2、电源 ·660 — 690 V 3 AC, ±10 % (-15 % < 1 min) ·不平衡度±5 % 3、无刷双馈同步电动机技术参数 3、1电机型号:TWS630-8 3、2额定功率:1250KW 3、3额定转速:743r/min 3、4满载效率:95、1％ 3、5工频绕组额定电压:6kV 3、6工频绕组额定频率:50Hz 3、7工频绕组额定电流; 100A

3、8工频绕组功率因数:0、84 3、9变频绕组额定电压:690V 3、10变频绕组额定频率: 25Hz 3、11变频绕组额定电流; 528A 3、12变频绕组功率因数: 0、8 4.变频调速装置技术参数 4、1额定功率:450 kW 4、2额定输入电压: 690V 4、3额定输入电流:598 A 4、4额定输入频率:50 Hz 4、5额定输出电压:690 V 4、6额定输出电流:560 A 4、7额定输出频率:25 Hz 5、变频器供电变压器技术参数 5、1产品型号及名称_ZTSFG(H)-800-6__ 5、2额定容量___ _800______kVA 5、3高、低压额定电压___6___ / _0、69__ kV 5、4高压分接范围_____±2×2、5__ _% 5、5短路阻抗________6________% 5、6相数________3________ 5、7绕组数________3________ 5、8频率________50_______Hz 5、9使用条件 5、9、1海拔________1000_____m 5、9、2环境温度________-10～40__℃

《计算机科学》面向外骨骼机器人人机交互的步态数据获取系统及识别模型_高增桂

第４１卷　第１０期２０１４年１０月计算机科学 Ｃｏｍｐ ｕｔｅｒ　ＳｃｉｅｎｃｅＶｏｌ．４１Ｎｏ．１０ Ｏｃｔ　 ２０１４到稿日期：２０１３－０７－０１　返修日期：２０１３－０９－０６ 本文受国家自然科学基金项目：基于云模型的音乐情感表示与识别算法研究（６１３０３１３７），基于基因表达式编程的动漫情感化配乐技术研究（６１０７００７５），基于嵌套随机集的产品意象认知模型研究（６１００３１４７），生物启发设计中产品创意造型生成机制及其演化模型研究（５１３０５０７７），广东省产学研项目基于人体行为模型的智能助行机器人研究与开发（００４１１４２０１２４６７１０３８）资助。高增桂（１９８６－），男，博士生，主要研究方向为人机接口、应用人机工程；孙守迁（１９６３－），男，博士，教授，主要研究方向为计算机辅助设计、人机共生装备；张克俊（１９７８－），男，博士，助理研究员，主要研究方向为进化计算、机器学习，Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｈａｎｎｙ＠ｚｊｕ．ｅｄｕ．ｃｎ（通信作者）；佘铎淳（１９８７－），男，硕士，主要研究方向为人机交互；杨钟亮（１９ ８２－），男，博士，讲师，主要研究方向为体感交互、生物启发设计等。面向外骨骼机器人人机交互的步态数据 获取系统及识别模型 高增桂１　孙守迁１　张克俊１　佘铎淳１　杨钟亮２ （浙江大学计算机科学与技术学院　杭州３１００２７）１　（ 东华大学机械工程学院　上海２０１６２０）２ 　 摘　要　外骨骼机器人人机交互是当前的研究热点，通常需要获取人体相关运动信息作为控制信号源。为了采集人体步态数据，研究了生理信号与关节运动之间的关联机制，设计了一种步态数据获取系统，其利用鞋内薄膜压力传感器和关节角度传感器组成测试设备，成功采集了１５组健康男子在３ｋｍ／ｈ、４ｋｍ／ｈ和５ｋｍ／ｈ　３种速率下自然行走的步态数据。提出采用基因表达式编程建立膝关节运动识别模型， 并使用所采集的步态数据进行训练和验证。结果显示，利用此模型可有效进行关节运动的识别和预测，验证了本系统作为外骨骼人机接口的可行性。关键词　人机交互，人机接口，步态分析，基因表达式编程，外骨骼 中图法分类号　ＴＰ２３ 文献标识码　Ａ ＤＯＩ　１０．１１８９６／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２－１３７Ｘ．２０１４．１０．００９　 Ｇａｉｔ　Ｄａｔａ　Ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　Ｊｏｉｎｔ　Ｍｏｖｅｍｅｎｔ　Ｒｅｃｏｇ ｎｉｔｉｏｎ　Ｍｏｄｅｌ　ｆｏｒ　Ｈｕｍａｎ－ｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ　ＩｎｔｅｒａｃｔｉｏｎＧＡＯ　Ｚｅｎｇ－ｇｕｉ　１　ＳＵＮ　Ｓｈｏｕ－ｑｉａｎ１　ＺＨＡＮＧ　Ｋｅ－ｊｕｎ１　ＳＨＥ　Ｄｕｏ－ｃｈｕｎ１　ＹＡＮＧ　Ｚｈｏｎｇ－ｌｉａｎｇ ２ （Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ　 Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ　３１００２７，Ｃｈｉｎａ）１（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｄｏｎｇｈｕａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇ ｈａｉ　２０１６２０，Ｃｈｉｎａ）２　 Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｈｕｍａｎ－ｍａｃｈｉｎｅ　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ　ｐｌａｙｓ　ａ　ｇｒｅａｔ　ｒｏｌｅ　ｉｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎｓ，ａｎｄ　ｕｓｕａｌｌｙ　ｉｔ　ｉｓ　ｒｅｑｕｉｒｅｄ　ｔｏ　ｏｂｔａｉｎｔｈｅ　ｒｅｌｅｖａｎｔ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｂｏｕｔ　ｂｏｄｙ　ｍｏｔｉｏｎ　ａｓ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｉｇｎａｌ　ｓｏｕｒｃｅｓ．Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｃｏｌｌｅｃｔ　ｈｕｍａｎ　ｇａｉｔ　ｄａｔａ　ａｎｄ　ｆｉｎｄ　ｔｈｅ　ａｓ－ｓｏｃｉａｔｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌ　ｓｉｇｎａｌｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｊｏｉｎｔ　ｍｏｖｅｍｅｎｔ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｗｅ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ａ　Ｇａｉｔ　Ｄａｔａ　Ａｃｑ ｕｉｓｉｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ（ＧＤＳ）ｗｈｉｃｈ　ｃｏｎｓｉｓｔｓ　ｏｆ　ｅｉｇｈｔ　ｔｈｉｎ－ｆｉｌｍ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｓｅｎｓｏｒｓ　ａｎｄ　ａ　ｊｏｉｎｔ　ａｎｇｌｅ　ｓｅｎｓｏｒ．Ａｆｔｅｒ　ｇａｉｔ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ，ｗｅ　ｏｂ－ｔａｉｎｅｄ　１５ｇｒｏｕｐｓ　ｏｆ　ｇａｉｔ　ｄａｔａ　ｏｆ　ｈｅａｌｔｈ　ｍａｌｅ　ｏｂｊｅｃｔｓ　ｗｉｔｈ　ｎａｔｕｒａｌ　ｗａｌｋｉｎｇ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｒｅｅ　ｒａｔｅｓ　ｉｎ　３ｋｍ／ｈ，４ｋｍ／ｈ　ａｎｄ　５ｋｍ／ｈ．Ｗｅ　ａｌｓｏ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔ　ｏｆ　ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｋｎｅｅ　ｊｏｉｎｔ　ｍｏｔｉｏｎ　ｕｓｉｎｇ　ＧＥＰ．Ｔｈｅ　ｇａｉｔ　ｄａｔａ　ｗａｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏｔｒａｉｎ　ａｎｄ　ｖａｌｉｄａｔｅ　ｔｈｅ　ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌ　ｃａｎ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｉｄｅｎｔｉｆｙ　ａｎｄ　ｐｒｅｄｉｃｔ　ｋｎｅｅ　ｊｏｉｎｔｍｏｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ＧＤＳ　ｉｓ　ｆｅａｓｉｂｌｅ　ａｓ　ａ　ｈｕｍａｎ－ｍａｃｈｉｎｅ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｉｎ　 ｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　Ｈｕｍａｎ－ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ，Ｈｕｍａｎ－ｍａｃｈｉｎｅ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ，Ｇａｉｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ，ＧＥＰ，Ｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ　 １　引言 外骨骼机器人是一种以人为主、 机械为辅的穿戴式人机一体化［１］ 装备，它巧妙地结合人的智能和机器的力量来完成 仅靠人体自身无法单独完成的任务，不仅扩展了人体感官，也增强了人体机能。由于外骨骼机器人与人体运动相平行，因此其控制要点是与使用者之间的运动适配性。为了获得和谐自然的人机交互，通常将使用者置于控制环路以形成闭环的 反馈控制回路［ ２］ 。人机接口是实现人与外骨骼通信的方式，它通过采集人体生理信息，获得人体运动意图，帮助外骨骼制 定有效的控制策略［ ３］ 。对下肢外骨骼而言，人机接口的功能是分析和预测人体步态数据。步态是人类步行的综合特征，包括中枢命令、身体 平衡和协调控制，涉及肢体肌肉和关节的协同运动。其中，骨骼是运动的杠杆，关节用于运动的联系，神经系统用于控制， 肌肉收缩作为动力，从而实现下肢的行走运动［ ４］ 。典型步态是连续的周期运动，包含许多复杂的生理信息，步态分析旨在检测和分析这一过程中的运动轨迹、接触力信息、肌电信号等 生理参数变化规律并应用于医学、生物工程等领域［ ５］ 。随着计算机科学的发展，步态分析和识别研究取得了长足进步，常用的方法是基于视觉的步态分析及利用生理信号测量的分析等。基于视觉的步态分析主要用于临床诊断以及身份识别，而对外骨骼机器人的控制通常采用生理信号测量方法。脑机接口（Ｂｒａｉｎ－Ｍ ａｃｈｉｎｅ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ，ＢＭＩ）是当前智能控制领域的研究热点［６］ ，其局限在于难以反映人的无意识行 为。利用表面肌电信号（ｓＥＭＧ） 分析技术提取反映运动意愿· ２４·