双足机器人相关概念

1. 关节驱动器

双足机器人的关节驱动通常采用大扭力数字舵机，这是因为数字舵机控制精度更高，且在机器人行走时，机器人双腿交替作为支撑腿，此时所用的重量都需要支撑腿承受，如果机器人舵机的扭力不足，则会出现机器人行走时由于动力不足导致机器人剧烈抖动，发生倾倒甚至损坏舵机。

舵机是一种位置（角度）伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。
舵机主要有控制电路、驱动马达、减速器（齿轮）与位置检测元件所构成。

通常舵机分为数字舵机以及模拟舵机。

数字舵机和模拟舵机的区别：
1、控制电路上：数字舵机的控制电路比模拟舵机多了微处理器和晶振，微处理器和晶振对提高舵机的性能有着决定性的影响。

2、处理接收机的输入信号的方式：数字舵机只需发送1次PWM信号就能保持在规定的某个位置zd，而模拟舵机是需要多次发送PWM信号才能够保持在规定的位置上，实现对舵机的控制，按照规定的要求进行的速度进行转动。

3、控制舵机马达初始电流的方式：数字舵机减少无反应区(对小量信号无反应的控制区域)，增加分辨率以及产生更大的固定力量。

以数字舵机LD-20MG为例：

2. 传感器
双足机器人所使用的传感器，主要有红外测距传感器、九轴传感器以及压力传感器。
红外测距传感器：是用红外线为介质的测量系统

电阻式薄膜压力传感器FSR400：电阻式薄膜压力传感器 FSR400 贴装在机器人足部底板的四个角上。双足共 8 个压力传感器，主处理通过器各个压力传感器返回的数据可以获知机器人脚部的着地状态，进而微调机器人踝关节的舵机令机器人足部与地面贴合，保持姿态稳定。

九轴传感器MPU9250：是姿态解算过程中最重要的传感器，直接用来获取机器人运动过程中的加速度、角速度数据。九轴传感器放置选取的好坏，会对姿态解算的精确程度产生影响。使机器人前倾、后倾到极限状态，并根据机器人结构的对称性可以获取机器人直立状态下
的重心位置。MPU9250 是“三合一”的传感器，加速度计与陀螺仪的三维坐标系重合，安装时，令 X 轴正方向为机器人前进方向，Z 轴竖直向上。

3.双足机器人建模
为了便于对机器人的研究，在运动学建模时，将机器人各部分结构简化，视为形状规则、质量均匀的连杆模型，连杆之间由关节连接，关节间不考虑摩擦力。通常可以将机器人腿部简化为 4 个连杆，脚掌和踝关节简化成 1 个倒 T 形杆面，髋关节与大腿之间连接简化成 1 个正 T 形杆面。据此构建机器人的七连杆模型，如下图。

在主视图中，各圆柱体代表相应方向上的自由度，立方体表示机器人脚板。侧视图中标出了机器人运动时，各连杆与竖直方向的夹角。连杆 L1、L2、L3 构成机器人右腿，连杆 L1、L2、L3 构成机器人右腿。连杆 L4 始终保持与地面平行状态。一般，将机器人绕 X 轴旋转所形成的夹角称为翻滚角；绕 Y 轴方向旋转所成的角称为俯仰角；绕 Z 轴旋转所成的角称为航向角。

4、 正、逆运动学求解
双足机器人的运动学是指在不考虑引起动力的力和力矩的情况下，把机器人的位置信息表示为时间的函数，将双足机器人的样机模型转化为参数模型，之后再分析求解。运动学模型包括正、逆运动学模型两部分。

（1）正运动学求解
正运动学求解是根据机器人的连杆参数以及关节的运动情况求解其位姿信息的过程。

2） 逆运动学求解
逆运动学求解是已知机器人各点姿态坐标求解达到此姿态所需的各关节旋转角度的过程。

5、稳定性分析
机器人能否在各种干扰下不摔倒，最先需要考虑的就是自身稳定性问题。目前判断机器人稳定性的方法主要有 3 种：ZMP（零力矩点）稳定性判据、质心角动量判据和庞加莱回归映射判据。

目前，ZMP（零力矩点）稳定性判据使用较为广泛， ZMP 是指在机器人行走时，脚板受到地面的作用力 F，作用点为 P，该作用点上合力竖直向上，翻转力矩为零。支撑多边形是由机器人脚板与地面支撑区域形成的多边形，红线围成的区域即为支撑多边形。

ZMP 稳定性判据：当机器人行走时，单脚接触地面，如果 ZMP 一直在支撑多边形内部，水平翻转力矩为零，双足机器人就能够保持稳定。通常还会留有一定稳定裕度，即运动过程中ZMP 会与支撑多边形边界保持一定距离。