2小型仿人机器人样机本体结构介绍
2.1引言
仿人机器人与其他形式的机器人相区别的地方在于能够像人一样运用双足自如的行走，其在结构设计吋主要以人体结构为蓝本，对机器人各个部分的尺寸大小、质量分配及其自由度选取等进行设计。本次论文所涉及的样机本体BJHR-II是基于样机的改进，对其进行了必要调整。
2.2小型仿人机器人样机整体结构
小型仿人机器人BJHR-I样机可以实现在平整地面上进行连续行走，能够全身协调自然运动；而本次研究是要结合第二类拉格朗L1方程及其碰撞理论对BJHR-II样机下肢结构进行碰撞动力学建模。使得机器人行走理论更加完善，以便对补偿策略提供可靠的数据支持。此外，确保对机器人结构进行合理改动，并适当加入传感器等小型元件，使之成为一个后续机器人研究幵发平台。下图2-1为BJHR-I样机及BJHR-II样机实物图。
此次研究沿用了 BJHR-I样机下肢的基本结构，自由度的数量设置以及位置分配就如同模拟人类的骨骼和肌肉组织；因此，具体自由度分配如图2-2所示：
鉴于本次所研究的重点是下肢腿部机构，因此着重强调下肢自由度的分配：髋关节有2个自由度：分别为Pitch方向和Roll方向，膝关节有1个Pitch方向的自由度，踝关节有2个自由度：分别是Pitch方向和Roll方向。
按照B_IHR-n样机样机运用Solidworks工程软件进行建模，最终得到样机模型如图2-3所示；当仿人机器人双腿直立时，脚底板至头顶的高度约为375nim，双臂伸直展幵时为497mm，身体总重约2.2kg;其中，下肢长度（从脚底至髋关节处）约为206 mm，脚踝高度约为31rnm;具体结构参数可参考图2-3。
2小型仿人机器人样机本体..............................13
2.1引言..............................13
2.2小型仿人机器人样机..............................13
2.3仿人机器人步态规划..............................15
2.4仿人机器人传感器..............................16
2.4.1关节角度检测..............................16
2.4.2足底反力检测..............................17
3小型仿人机器人行走碰撞..............................21
3.1引言..............................21
3.2行走碰撞动力学..............................21
3.3动力学模型仿真..............................35
3.4本章小结..............................43
4小型仿人机器人行走碰撞..............................45
4.1引言..............................45
4.2BP神经网络及粒子群..............................45
5结论与展望
5.1全文总结
仿人机器人是当今最具代表性的先进智能机器人，实现稳定行走是其最关键的研究技术之一。本论文主要沿用了 BJHR-I小型仿人机器人样机结构，并在此基础上做了部分调整，在确保样机的基本行走功能之外，加入了一些传感器装置用来进行深入研究。具体来讲，本论文在以下几个方面做了重点研究：
1.改进了小型仿人机器人样机本体。首先，以BJHR-I样机为基础，进行样机的减重等工作；在确保其具有足够强度的基础上适当简化结构；然后，根据研究需要添加了角度位置传感器以及应变式压力传感器，用以实时测量关节角度变化以及摆动脚所受地面反力。
2.建立起基于拉格朗U的碰撞动力学方程。以第二类拉格朗U方程为基础，推导出隐式及显式方程；在此过程中，建立基于机器人下肢结构的D-H坐标系，并列出方向余弦矩阵和其次坐标变换矩阵；目的在于更加直观清晰的反映出机器人下肢各个关节的位姿信息，将其代入显示形式的碰撞动力学方程，计算出理论碰撞力大小。
3.设计了碰撞补偿控制策略。根据落地碰撞动力学方程，以及控制机器人摆动脚运动误差来减小碰撞冲击力，提高行走稳定性的思路，提出了摆动脚落地碰撞补偿策略。该策略根据摆动脚运动误差（距地面高度差和碰撞力误差），补偿摆动腿的膝、髋踝关节前摆自由度的运动角度，再根据控制规则，确定最终需要补偿的关节角度值，完成对关节的运动补偿。其中，补偿控制器的输A和控制规则中的变量都需要传感器所采集的数据；并且在证明补偿控制策略的效性时也要用到传感器采集的碰撞力数据。
4.通过样机实验验证补偿控制策略的有效性。通过研究补偿前后关节角度曲线可以看出：在保证补偿前后摆动脚落地时间一致的前提下，补偿在迈步阶段的关节前摆角度值；减小摆动腿运动误差，同时减小摆动脚落地时的碰撞冲击力，改善了样机行走的稳定性。
参考文献
[2]Xusheng Lei, Tiaiimaio Wang and Dianshen Chen. The Design and Control of a Low CostHumanoid Robot[A].Proceedings of the 2007 IEEE International Conference on Roboticsand Biomimetics[C] .2007.763-768.
[3]Behzad Dariush, Michael Gienger, Bing Jian, Christian Goerick, Kikuo Fujimura.WholeBody Humanoid Control from Human Motion Descriptors[A].2008 IEEE InternationalConference on Robotics and Automation[C].2008.2677-2684.
[4]Yukiko Hoshino, Tsuyoshi Takagi.Behavior description and control using behavior modulefor personal robot[A] .Proceedings of the 2004 IEEE international Conference on Robotsand Automation[C] .2004.4165-4171.
[14]Yoshiaki Sakagami Ryujin Watanabe Chiaki Aoyama. The intelligent ASIMO: Systemoverview and integration^A].Proceedings of the 2002 lEEE/RSJ Intl. Conference onIntelligent Robots and Systems[C].2002.2478-2483,
[15]Ken'ichiio NAGASAKA,/shdxbylunwen/ Yoshihiiro KUROK{,Shin'ya SUZUKI.Integrated MotionControl for Walkingjumping and Running on a Small Bipedal EntertainmentRohot[A] .Prodings of Ime 2004 IEEE International Conference on Robotics andAutomation[C].2004.3189-3194.
[16]Gen Endo, Jun Nakanishi,Jun Morimoto,Gordon Cheng.Experimental Studies of a NeuralOscillator for Biped Locomotion with QRIO[A].Proceedings of the 2005 IEEEInternational Conference on Robotics and Automation [C].2005.596-602.
