摘 要

最近几十年来,随着机器人技术的发展进步以及控制理论的逐渐成熟，仿人机器人因其具有良好的自由度、动作灵活、稳定，而受到大众关注。仿人机器人的双足稳定性行走是仿人机器人研究的重要领域，机器人稳定性行走是仿人机器人替代人类工作的前提。人类自己的双足行走可以对仿人机器人恰到重要的参考价值，因此仿人机器人虽然研发的历史不久，但是进展十分迅速。

仿人机器人步行必须优先保证机器人步态的稳定，因此仿人机器人行走时的稳定与平衡，需要得到保障。本文就仿人机器人稳定性行走，通过Nao机器人自带的各种传感器，获取机器人当前的姿态信息以及周围的环境，在Nao机器人仿真平台上，设计相关的防跌倒、自平衡算法并编程，最后连接Nao机器人，使得Nao机器人在地板上完成了本次实验的行走流程图，实现了控制机器人稳定的步行。

本次毕业设计在Choregraphe软件上的虚拟机器人上模拟开发，也通过该软件连接到现实的Nao机器人，在地面上运行该步行程序。最终实验结果表明了：ZMP 判据可以对于Nao机器人能否稳定行走给出一个判定条件，ZMP点的稳定，能够有效保证Nao机器人在行走时候的稳定。

关键词：ZMP； 稳定步行 ；Nao机器人

Abstract

In recent decades, with the development of robotic technology and the gradual maturity of control theory, humanoid robots have attracted public attention because of their good freedom, flexibility and stability. The biped stable walking of humanoid robots is an important research field of humanoid robots. Robot stable walking is the premise of humanoid robots to replace human work. Human's own bipedal walking can be an important reference value for humanoid robots, so although humanoid robots have a short history of research and development, they have made rapid progress.

Humanoid robot walking must give priority to ensuring the stability of the robot gait, so the stability and balance of humanoid robot walking need to be guaranteed. In this paper, on the stable walking of humanoid robot, the current attitude information and the surrounding environment of the robot are obtained through various sensors of Nao robot. On the simulation platform of Nao robot, relevant anti-fall and self-balancing algorithms are designed and programmed. Finally, the Nao robot is connected to complete the walking flow chart of the experiment on the floor, and the control is realized. Robots walk steadily.

This graduation project is simulated and developed on the virtual robot based on Choregraphe software. It also connects to the real Nao robot through the software and runs the walking program on the ground. The final experimental results show that the ZMP criterion can provide a criterion for the stability of the Nao robot. The stability of the ZMP points can effectively guarantee the stability of the Nao robot when it is walking.

Key Words: ZMP; Steady Walking; Nao Robot

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2国内外相关技术及研究现状 2

1.3论文主要研究内容 4

第2章 系统方案设计 5

2.1Nao机器人简介 5

2.2实验平台分析 5

2.2.1指令盒端口 6

2.2.2指令盒类型 7

2.2.3实验面板 8

2.3方案设计 8

2.4本章小结 9

第3章 稳定步行系统设计 10

3.1平衡控制稳定判据 10

3.2支撑脚和游脚的选取 12

3.3全方向落脚规划 12

3.4本章小结 19

第4章软件设计实现 20

4.1仿真与实物 20

4.2数据分析 23

4.3本章小结 24

第5章总结与展望 25

5.1 总结 25

5.2 展望 25

参考文献 26

致 谢 27

第1章 绪论

自从上世纪中叶开始，机器人研发成功，机器人受到各国的广泛重视，仿人机器人作为其中之一，其研究以及各个领域的应用成为了大家关注的重点，仿人机器人的双足行走是研究的重要课题之一，仿人机器人的亟待解决的的问题之一便是如何实现稳定的步行，这是仿人机器人替代人类完成各种复杂任务的前提条件。人类自己的双足行走是仿人机器人模仿的目标，这为仿人机器人行走提供了良好的思路，因此仿人机器人虽然研发的历史不久，但是进展十分迅速。本文就仿人机器人稳定性行走，通过Nao机器人自带的各种传感器，获取机器人当前的姿态信息以及周围的环境，采用ZMP 判据，从而对于Nao机器人能否稳定行走给出一个判定条件，从而实现了控制机器人稳定的步行。

1.1研究背景及意义

仿人机器人是外形与功能与人类相似的一类机器人[1]。仿人机器人在外观和运动形式上采取模仿人类的方式，具有四肢、躯干、头部等，区分双手与双腿，各有不同的功能。与其他机器人相比，仿人机器人具有多种运动形式，具有较强的灵活性。相较于传统工业机器人，仿人机器人现在多出现于大众的视线乃至生活中，而后者主要运用于工厂中。仿人机器人替代人类完成各种复杂的任务，随着人口老龄化严重，劳动力的减少以及人工成本的增加，人力资源成本越往后越高，所以仿人机器人的市场需求将会进一步的扩大。另一方面，仿人机器人还可以针对留守在家的老人起到照顾的作用，只是现在技术还不成熟，没有得到推广，日本在这方面的服务机器人研发投入了大量人力物力，同时日本的服务机器人技术在国际上也是首屈一指。

相对于其他的机器人，比如轮式和履带机器人，具有仿人性质的双足的机器人对于各种复杂情况的适应能力明显更强，这是由于采用仿人的机械结构[2]。仿人机器人的形象对于大众来说比较讨喜，由于仿人机器人突出“仿人”二字，表明了其拥有与人类相似的运动方式和运动能力，因此可以替代人类去完成一些任务．正因为如此，仿人机器人在科研、服务、教育、医疗、娱乐等多个领域中得到了广泛的应用。同时，研究机器人的行走机理，对那些失去下肢或者需要进行康复训练的运动能力失常的人有着重要的帮助，例如因此研发出的假肢和现在十分火热的人体外骨骼，帮助他们重新获得行走能力[3]。仿人机器人具有拟人的外观，对于人来说比其他的机器人有着更好的亲和力。人类不仅仅需要机器人能够替代他们工作，也希望机器人能够替代别人与他们交流。正因为仿人机器人看起来与人们自身相似，容易催生大众的好奇心、好感和亲和力，毕竟还是有部分人对其机器人处于观望甚至反对的态度，而仿人机器人有望改变大众对于机器人的看法。综上所述，仿人机器人作为世界上的各个国家和地区相互竞争的高新技术，具有广阔的市场前景以及科研价值。

1.2国内外相关技术及研究现状

十九世纪五十年代，世界上第一台机器人于美国问世，往后的二十年来以来，商业工业机器人一经问世，便出口到世界各国，从而掀起了机器人狂潮。其不同于人工劳动力，不仅可以提高生产线的产量与质量，还可以将人类从枯燥一成不变的工作模式下解放出来，提高了生产力。而仿人机器人的研究开始于二十世纪七十年代左右，不同于其他的工业机器人，仿人机器人没有一个典型的行业的统一标准，不同研究者在仿人机器人上的侧重点有着很大差异。不过其中关键一点，大多数的仿人机器人都追求着于任内相似的步行方式，所以，考虑仿人机器人也需要了解哪些仅仅具有仿人机器人腿部行走结构的双足机器人，本文主要研究仿人机器人行走，因此双足机器人行走对与本文也有一定借鉴意义。