1 导言
机器人是一门归纳性很强的学科，有着极端广泛的研讨和运用领域。机器人技能是归纳计算机技能、信息交融技能、机构学、传感技能、仿生科学以及人工智能等多学科而构成的高新技能，它不只涉及到线性、非线性、依据多种传感器信息操控以及实时操控技能，而且还包含杂乱机电体系的建模、数字仿真技能及混合体系的操控研讨等方面的技能。
仿人形机器人是机器人技能中的一个重要研讨课题，而双足机器人是仿人形机器人研讨的序幕。步行技能是人与大多数动物所具有的移动办法，是一种高度自动化的运动，双足步行体系具有非常杂乱的动力学特性，具有很强的环境适应性。相对轮式、履带式机器人，它具有无与伦比的优越性，可进入狭隘的作业空间，也可跨过妨碍、上下台阶、斜坡及在不平坦的地上上作业，以及护理白叟、恢复医学和一般家庭的家政服务。另一方面，因为双足机器人具有多关节、多驱动器和多传感器的特色，而且一般都具有冗余的自由度，这些特色对其操控问题带来很大难度，为各种操控和优化办法供给抱负的实验渠道，使其成为一个令人瞩目的研讨方向，因而对双足步行机器人行走规划机器操控的研讨不只具有很高的学术价值，而且具有必定的现实意义。
以小型双足机器人的规划为要点，介绍一款小型双足机器人的规划，包含自由度装备，动力源核资料挑选，并针对所规划的机器人进行静态步行规划。
2 小型双足机器人本体规划
作为一种双足机器人研讨渠道，要求所规划的机器人可以满意研讨者对双足机器人的基本要求，即机器人具有安稳行走的才干，为研讨双足机器人的行走办法步态规划供给渠道。图1为所规划的双足机器人的平面图。机器人共有18个自由度，头部的前方和左右两边都装有超声波传感器，用来检测妨碍物，头顶装有声敏传感器，用来检测声响。
2．1 机器人自由度装备
郑元芳博士从仿生学的视点研讨仿人机器人腿部自由度装备。得出关节扭矩最小条件下的两足步行结构自由度装备计划。他以为髋部和踝部各设置2个自由度，可改动行走方向，踝关节处再添加一个反转自由度，使得脚板在不规则的外表落地；膝关节设置 1个自由度，便利上下台阶。则每条腿要设置7个自由度。
依据郑元芳理论，可规划出所规划的类人机器人的运动进程和行走进程：重心左移(假定先迈右腿，左脚支撑)、右腿抬起、右腿放下、重心移到两腿间、重心右移、左腿抬起、左腿放下、重心移到两腿间，共分8个阶段。这儿规划的机器人具有避障功用，因而髋关节的侧向旋转自由度必不可少。所规划的机器人不考虑在不规则地上上行走问题，所以可以不设置踝关节的侧向旋转自由度。这样规划出的机器人尽管不能站在不规则的地上上，但可以在平地上完结一切的行走进程，完成前行、撤退、转弯等动作。
这样规划出的机器人腿部共有12个自由度，每条腿各6个，即踝关节前向和改动2个自由度，膝关节前向1个自由度，髋关节有前向、侧向旋转和转向3个自由度。自由度的设置如图2所示。
2．2 机器人驱动元件的挑选
在驱动元件的挑选上，前期研讨者曾企图仿照人的肌肉运动办法用气动人工肌肉作为双足步行机的驱动元件，这种气动人工肌肉经过橡胶管充气胀大引起的缩短来替代人体肌纤维的缩短运动，但因为技能水平的约束，人工肌肉在体积和力学特性等方面都与真实肌肉有较大距离，实际作用并不好。现在，大部分机器人选用伺服电机作为驱动元件。伺服电机具有速度快、扭矩大的特色，并装备双向接口，可以监测当时电机方位，因而得到广泛运用，并获得杰出作用。
微型伺服电机内部包含一个小型直流马达、一组变速齿轮、一个反应可调电位器及一块电子操控板，是一种可定位的直流电机，当接收到一个方位指令时，就会运动到指定的方位。微型伺服电机马达具有高力矩、高性能、操控简略、安装灵敏、价格低一级长处。从各方面要素考虑，本规划选用微型伺服电机作为驱动元件。该规划选用Robotis公司出产的AX-12+伺服电机，电机之间经过串口通讯，由主操控器打包传输通讯数据。
3 双足机器人步态规划
现在双足机器人的步态规划一般选用两种办法：一种是运用数学手法经过树立机器人的数学模型进行规划，另一种办法是仿照人的行走进程及人的生理结构。该规划选用后者。人类步行运动是以一条腿替换地作为支撑，向前摇摆另一条腿，并伴以躯干和手臂的运动而完成的。其进程和机理非常杂乱。研讨标明：双足机器人在平稳步行的条件下，可以完成上身躯和下肢的运动解耦，并易于对下身躯的各个关节角进行视点规划，因而可运用解耦操控别离操控上身躯和下身躯的运动，而且对下身躯的各个关节角实施规划。因而。剖析和仿照人类的步行运动时，应要点捉住下肢的首要动作特色和办法。
3．1 人体步态周期研讨
人体在行走的进程中，其重心不断地周期性移动和改动，在任何时刻至少有一只脚与地上触摸，而其中一段是两只脚一起着地。单支撑和双支撑替换进行，但只要单支撑和双支撑在行走周期中所占份额合理，才干坚持身体平衡。以一个周期为研讨目标，份额分配如图3所示。
3．2 依据周期份额运用通用软件规划步态
由图3可知，在一个完好的步态周期里包含2个双支撑和2个单支撑时刻，设置双支撑占周期的20％，单支撑占周期的80％。关于单腿来说，整个周期里只要一个摇摆周期，占周期的40％，支撑周期由一个单支撑和两个双支撑组成。占周期的60％。两条腿的髋关节视点有必要满意式(1)，才干坚持行走时身体平衡。
式中，r为髋关节的相关系数，n为自由度，xi和yi别离是人类和机器人在第i次运动的髋关节视点，x和y别离是人类和机器人在一个周期内髋关节运动视点的平均值。依据式(1)运用现在通用的机器人行为修改软件进行步态规划，规划成果如图4所示。
依据图4所示的步态规划与仿真图对所规划的机器人进行行走实验。实验成果标明，机器人在行走之前要有立正的预备姿态，使其重心与身体地点平面与地上笔直，经过调整膝关节视点完成机器人的安稳行走，证明了该算法可行。
4 定论
规划了一款结构紧凑、外形漂亮的小型双足机器人本体，机器人共18个自由度，每条腿6个，每条臂3个，可用作科学研讨渠道，也可用于机器人竞赛。运用行为修改软件步态规划所规划的机器人，所规划的步态形式具有轨道可达性和运动可控性，反映一种接连安稳的天然行走形式。仿人形式的步态规划办法从仿照人的视点很好反映拟人体生物机械的高效步行机理。选用含糊操控和专家操控理论，以步态安稳状况为输入，非时刻参考量轨道的批改量为输出，涮节机器人的瞬时步行速度和双脚着地的周期份额，在线实时批改步态，机器人可在不改动空间运动途径的情况下完成动态安稳步行。
