【毕业学位论文】仿人足球机器人运动规划方法研究

目录 I 目 录 1 绪论 . 1 言 . 1 人机器人的国内外研究概况及发展趋势 . 2 外仿人机器人研究发展概况 . 2 内仿人机器人研究发展概况 . 4 人足球机器人研究现状 . 6 人机器人运动规划研究现状 . 7 人足球机器人的特点及研究意义 . 8 文研究内容、创新点 . 9 文研究内容 . 9 文研究的创新点 . 9 2 仿人足球机器人数学模型建立 . 11 言 . 11 型仿人足球机器人样机的分析 . 11 由度的配置 . 11 人足球机器人运动学建模及仿真平台的建立 . 13 次坐标表示法 . 13 人足球机器人运动学建模 . 15 人足球机器人逆运动学求解方法 . 16 动学仿真平台 . 19 于 程的动力学建模 . 19 章小结 . 21 3 仿人足球机器人动作单元规划研究 . 22 言 . 22 人机器人稳定性分析 . 22 人足球机器人动作单元规划方法的研究 . 25 人足球机器人运动规划策略 . 25 本动作分类和定义 . 26 态参数定义 . 27 态的约束条件 . 27 人足球机器人基本动作单元的步态规划 . 28 目录 向周期行走步态规划 . 28 下蹲、起步、停步动作规划 . 34 弯步态规划 . 36 球步态规划 . 39 人足球机器人复杂动作初步研究 . 41 前摔倒保护策略 . 41 后摔倒保护策略 . 42 立后恢复站立策略 . 44 章小结 . 45 4 仿人足球机器人路径规划方法研究 . 46 言 . 46 子遗传算法 . 46 子计算的基础知识 . 46 子遗传原理 . 48 于量子遗传算法的仿人足球机器人路径规划方法 . 51 径点量子比特编码 . 51 径适应度评价 . 52 径量子门更新 . 54 于 路径规划算法流程 . 54 章小结 . 55 5 路径规划仿真 . 56 言 . 56 真环境 . 56 子遗传算法路径规划仿真 . 56 章小结 . 58 6 总结与展望 . 59 文工作总结 . 59 究展望 . 60 致 谢 . 61 参考文献 . 62 附录 . 66 1绪论 1 1 绪论 言 仿人机器人技术是集机械、电子、计算机、传感器、智能控制等多学科于一体，是多种高科技成果的集中体现。仿人机器人的研究，具有重要的学术价值、应用前景和广泛的社会效益。著名机器人学专家加藤一郎教授将仿人机器人描述为：由能工作的手，能行动的脚和有意识的头脑组成的一个个体，同时具有非接触传感器，接触传感器，固有感及平衡感等感觉器官和能力。而在电影机械公敌中，导演甚至赋予仿人机器人以感情色彩，这或许是人类对机器人未来发展的美好愿望。从功能实现的角度考虑，人们一般定义的仿人机器人具有以下三个特征1： (1) 能在人类所处的现实环境中工作 当机器人能像人一样活动时，就不需要为机器人而改变人的环境，如通过狭窄的走道、电梯等对于非人形机器人来讲必须清除障碍，这增加了许多额外的开销。 (2) 能使用人类所使用的工具 人类设计了很多适合于自己的工具，如司机的座椅便于驾驶，起子或剪刀适合于手指操作，这些工具可被仿人机器人直接使用而不需要做任何修改，相比为非人形机器人重新设计制作各种各样的工具要经济很多。 (3) 具有人的形状 当机器人看起来与人自身的形状一样时，会使人觉得更加亲近。具有人的外形更容易使机器人成为人类的伙伴，并为人类带来乐趣，这是娱乐机器人最重要的因素。 仿人机器人具备的这些特征，使其在军事、制造业、娱乐业、科学探测、康复医学、服务业等多个方面，都具有重大的应用潜力。仿人机器人可以在复杂恶劣的环境中代替人类作业，进行科学探测和样品采集、分析等工作：也可根据具体军事任务和目标，构成外骨骼机器人和机器人战士，为军用机器人研究提供技术储备；在康复医学中，可作为辅助行走装置，帮助病人恢复健康；在家政服务中，可替代人们完成各种家务，把人们从琐碎的家务中解脱出来。目前，许多仿人机器人系统和技术已成功应用于娱乐业、康复医学等方面2。 仿人足球机器人是仿人机器人技术研究的分支，与一般的仿人机器人相比较，仿人足球机器人具有体积小质量轻，运动灵活等特点，非常适合相关理论算法的实验验证。另外由于仿人足球机器人的竞技娱乐性，使得其更容易走进人类的生活。因此仿人足球机器人已经成为仿人机器人技术研究的热点之一。 1绪论 2 人机器人的国内外研究概况及发展趋势 机器人的发展总体来说是从多足发展到双足，再由双足发展到仿人的。仿人机器人的研制开始于上世纪 60 年代末，只有四十多年的历史3。然而，仿人机器人的研究工作进展迅速，国内外许多学者正从事于这一领域的研究，如今已成为机器人技术领域的主要研究方向之一。 外仿人机器人研究发展概况 正是因为仿人机器人技术研究的重要意义，世界各个发达国家都不惜投入巨资进行机器人的开发研究。日、美、英等发达国家很早就投入了这项研究，在研制仿人形机器人方面已经取得了突破性的进展。 1968 年 ,美国的研究员 发出操纵性的双足机器人“ ，从此拉开了双足机器人研发的序幕4。 同时期早稻田大学的加藤一郎教授最早在日本展开了双足机器人的研制工作，随后不久便研发出了基于平面步行的机器人 建立双腿模型时每条腿有髋、膝、踝三个关节，利用人造橡胶肌肉为关节，总共六个自由度，通过对人造橡胶肌肉注气、排气所产生的肌肉收缩来控制机器人的关节转动使得机器人产生迈步运动，然而气体的伸缩弹性限度很大，所以通过此方式肌肉收缩让运动机器人行走状态机器人的重心不能长时间保持稳定5。 1972 年，加藤一郎在机器人 研究基础上，用与 样的驱动方法开发出了新型双足机器人 机器人 比， 肢结构设置多了 5个自由度，自由度的增加也使得新一代的机器人可以在相对更复杂的环境下完成更多动作，经过改进的机器人 以在平地、斜坡和阶梯上三个不同的环境下完成简单的行走运动。 1973 年，加藤实验室开发出了同样具有 11 个自由度的双足步行机器人 前面两个机器人不同的是 动采用的是液态增压。机器人 用上肢躯干左右摆动时的双足机器人重心左右移动来保持步行运动时步态的稳定，下肢作三维运动，能够完成步长为 15步耗时 45s 的静态步行。此机器人体重 130高 够载荷 30一年，加藤实验室研究人员在机器人 基础上，又加入了机械手及人工视觉、听觉技术，研究开发出自主式机器人 年，第一台全人形机器人自日本 現，人形机器人对人类而言，不再是遥不可及的幻想。 1980 年，加藤实验室又开发出双足机器人 s 该机器人的步态规划研究中预先设计了步行运动的程序控制方法，并在分析完步行运动后，通过重1绪论 3 复性的实验来设计机器人的步态轨迹，完成了步长为 45一步耗时 9s 的准动态步行。从机器人学资料中我们知道一般将单脚支撑期称为静态步行，将双脚交替支撑期称为动态步行，那么我们也可以将这种步行设计方案称为准动态步行方案。 1984 年，加藤在上述机器人研究基础上，基于力矩控制理论并利用踝关节力矩控制开发出动态步行时更稳定的双足机器人 现了步长 40步耗时 后加藤等人又开发出了 ）机器人， )利用上肢躯干的运动来补偿下肢的任意 运动，在躯干的平衡作用下 达到与机器人系统运动的平衡，实现了步长 30步耗时 在水平地面的动态步行。 日本本田公司在机器人研究领域的技术也是非常先进的，虽然他开始机器人研究的时间并没有加藤实验室和欧美其他国家那么早。 1986 年本田公司研究开发出了第一个机器人 机器人是简单的双足机器人，能进行简单的行走运动，当时 行走一步几乎就要耗时 5 秒，这种步行运动只能算作机器人的静态步行运动。 随后本田研究团队不断探索研究下一共推出了 7 代 E 系列的机器人。 1991 年， E 系列的最后一个成员 成了他的使命。 1993 年，本田公司推出了 P 系列的第一位成员 人性化机器人，该机器人是双足步行机器人基础性的研究工作的成果。 1996 年，本田公司再次推出 P 系列的第二位成员 机器人相比， 加的拟人化，运用了 池供电，还创新的加入了无线遥控技术，使得 机器人的行走速度有了很大提高， 但能够完成 3km/h 的动态步行运动 ，还可以实现更多复杂环境的复杂运动，例如上下楼梯和推运物体的行为等等。 1997 年，本田公司又将 P 系列第 3 个成员 机器人研制成功， 体上和 对而言 身高略矮些，身体重量也比 些6。 2000 年，在本田公司之前 P 系列的基础上成功研制开发出了新型拟人化的步行机器人“ ， 体重 54130身高，智能化和拟人化的结果使得 着和人一样的四肢和头脑，它的行走速度可以达到 小时，直线奔跑速度可以达到每小时 6曲线的奔跑都可以达到 5开发中利用了 高能量电池为其供电， 3 小时就能完成充电。除了一般的行走运动、跑步运动之外， 具备了能使它完成更多拟人化的运动的很多的高科技技术。例如： 够通过在行走过程当 中能够根据需要提前改变自身的重心来使得转向机构平滑稳定，从而使它的步伐更为稳定；能够平稳地上下走楼梯；跳舞等等。另外为了使机器人更加的智能化拟人化，研究人员在 上配置了很多传感器，通过传感器采集图像或者声音信息，它就可以识别人类的脸和声音，可以通过实时地记录行走时固定的位置特征来精确的找到自己的方位，避免了行走距离较1绪论 4 长时产生的位置错误等，甚至我们还可以通过语音命令来控制 运动。图 动展示： 图 人机器人 动展示 2003 年，索尼公司研制出世界上首个会跑的机器人“ 将仿人机器人的研究推上了一个新的阶段。 2008 年，韩国技术研究院研制出会跳舞的机器人“ “ 上下肢可以自由移动，用腿行走时可以自动稳定自身，通过一套先进的动作捕捉系统可以模仿人类的不同动作，移动时也可以自动应对干扰和障碍。 2009 年，日本 司设计制造。机器人“小波”图中 波”机器人正在踢足球。 图 波”机器人正在踢足球 内仿人机器人研究发展概况 我国在仿人形机器人方面起步比较晚，各界的研究者在吸取国外机器人研究经验，参照国外现有技术的前提下进行研究并取得了许多不错的成绩。 1988 年 2 月， 长沙国防科技大学成功的研究开发出了具有 6 个关节可以实现平面运1绪论 5 动的双足步行机器人7。 1989 年哈尔滨工业大学研制出一台可以静态行走的双足机器人。 1989 年，北京航空航天大学也开始致力于机械手的研究与开发，虽然最早开发出来的 1 型灵巧手的功能比较简单，只能完成相对简单的运动，但在当时这一研究成果填补了国内机器人研究领域的空白。之后的几年里，北航对灵巧手的技术不断地进行研发和改进，如今，最新型的灵巧手已经可以完成相对复杂的动态运动，对不同材质、不同形状的物体都可以成功抓持或者操作，已经可以做到在抓取鸡蛋时，既不会使鸡蛋掉下，也不会捏碎鸡蛋。灵巧手的技术更新可以应用在航空航天、医疗护理等方面，也是仿人机器人更加拟人化的一个基础，将它配置在仿人机器人手臂上作为末端执行器可以使仿人机器人完成更复杂的动态运动，扩大仿人机器人的作业范围。 1990 年， 国防科技大学又成功研究开发出了具有 10 个关节和 12 个关节的空间运动型的机器人系统，该机器人可以在水平地面上完成一些人类的基本行走功能，如前进、后退、左右侧行、左右转弯、上下台阶、上下斜坡和跨越障碍等。最后，基于 12 个关节的空间运动型机器人系统的 基础之上国防科大又实现了 该机器人系统每秒钟两步的前进和左右动态行走功能。 2002 年，国防科技大学创新的研制成功我国第一台仿人型机器人 “先行者”，实现了我国机器人技术领域的重大突破。“先行者”的外观和人类似，并且具有一定的语言功能，可以实现动态步行8。 2002 年，北京理工大学也承接 863 科研计划的仿人机器人重点项目，研制出了新的仿人机器人 2003 年，清华大学开始自主研制的仿人机器人 功研制完成并通过了验收，实现了仿人机器人完整样机的无缆自主行走。该机器人可以实现一般步态的前进、后退、上下台阶，甚至连敬礼、握手和打太极拳这一类拟人化的复杂动作也可以实现，实现了我过载仿人机器人研究领域的突破性的进展9。 2006 年，来我国也推出了自己的仿人机器人，例如“交警机器人”、 “美女机器人”等仿人机器人产品，他们是由中国科学院自动化研究所历经多年的研究成果。“交警机器人” 是一台仿人型的智能化机器人， 机器人的身高和外型都是按照真人警察来设计的，该机器人可以代替真人警察指挥交通和解答一些相关的道路交通问题等功能。仿人智能机器人“美女机器人”有着类似美女一样的外形，该机器人在语音识别和语音控制功能方面已经具备了国际水平，她能识别人类的语音信息，总共 17 个自由度，手臂设置了10 个自由度， 头部设置了 3 个自由度， 腰部设置了 2 个自由度， 腿部设置了 2 个自由度。 2008 年末，台湾科技大学也成功研发出仿真人脸的双足人形器人 2011 年初， 武汉纺织大学也开始对仿人足球机器人进行了研究， 并取得了一些进步。 从上面国内仿人机器人研究概况可以看出我国的机器人技术在不断的进步，不断有突破性的研究成果，然而，用于仿人足球机器领域目前在国内还有待进一步发展。 1绪论 6 人足球机器人研究现状 1996 年， 际联合会成立，并在日本举行了表演赛，以后每年举办一届。器人足球世界杯的最终目标是 2050 年组建了一支由仿人机器人组成的机器人足球队战胜当年人类世界杯冠军10。 2002 年的 赛中启动了类人组的比赛，比赛要求仿人足球机器人反应迅速，能进行较为激烈的对抗，因此参赛队伍要综合考虑其仿人机器人的运动能力、平衡以及团体协作能力和智能决策能力。 目前仿人足球机器人的比赛主要由中型组和小型组组成。 2008 年， 在苏州 国的 获得中型组比赛冠军。如图 1.3(a)- (c)所示为 103 5 1229 105 7中 结构最为复杂，总共有 23 个自由度，腿部 6 个自由度， 臂 4 个自由度， 躯干 3 个自由度 由 35 个 机驱动。 图 1 .3(d)所示为小型组 的成员 60 共 20 个自由度，腿部 6 个自由度，臂 3 个自由度，躯干 2 个自由度，主控制器是索尼的 型 ， 其处理器为 核处理器， 132储。 传感器模块主要包括：摄像头、双轴加速度计和两个陀螺仪。 图 国 的成员 其他国外参赛队伍中， 日本的 比赛中也取得了较好的成绩， 如图 1.4(a)所示为 型组成员，其共有 18 个自由度，腿部 6 个自由度，臂 3 个自由度，全部由 机驱动， 的核心处理器，主频为 600128 比较，其处理能力较差。传感器主要由摄像头和加速度计组成11。 国内近几年参加 赛成绩比较突出的有清华的火神队和浙江大学的，如图 1. 4(b)-(c)所示。清华大学火神队成员 582 4 绪论 7 总共 23 个自由度，每条腿 6 个自由度，臂 4 个自由度，头部 2 个自由度，由 X 种电机驱动，主控制器为 感器由视觉传感器和倾角加速度计组成。浙江大学的 60 共 22 个自由度，其中每条腿 6个自由度，臂 3 个自由度，躯干 2 个自由度，头部 2 个自由度，传感器由摄像头、陀螺仪和加速度计组成。 际机器人足球联合会是另一个比较有影响力的机器人足球赛事组织，该组织 1996 年举办了第一届机器人足球比赛。 2009 年 8 月哈尔滨工业大学的“飞人”仿人机器人在第十四届 界杯机器人大赛中， 以 1 分 07 秒的成绩突破了仿人机器人短跑比赛世界纪录， 原世界纪录为 5 分钟左右。 种国际赛事的的举办，极大的推动和促进了机器人技术的发展和交流。 图 内外具有代表性的仿人足球机器人 人机器人运动规划研究现状 仿人机器人运动规划主要包括步态规划、路径规划和任务作业规划12。由于受整体研究水平所限，任务作业规划目前并不是仿人机器人技术研究的主要问题。路径规划其实质就是规划仿人机器人在环境中的离散足迹序列，仿人机器人路劲规划方法可分为两类：基于博弈论思想的离线路径规划和基于传感器信息融合的在线滚动路径规划方法。 出了基于博弈论思想的离线路径规划方法，该算法的核心思想是通过启发搜索方式规划出从初始位置到目标位置的离散足迹系列。目前这个规划方法在 机器人上得到了成功应用。但是这种方法计算复杂度高，实时性较差，只适合于存在静态障碍物的环境。为了使得仿人机器人能够跨越障碍物或在障碍物上行走， 规划方法基础上，提出了一种改进的足迹规划方法。 这种方法是根据确定的一个支撑足位置， 通过环境地图计算出有限的落地足迹，1绪论 8 这种方法提高了规划效率，减少了规划时间。基于传感器信息融合的在线滚动路径规划方法是一种实时的规划方法，主要用于目标移动或可能存在移动障碍物的环境。这种方法主要应用传感器返回给控制系统的信息，实时更新当前位置到目标位置的离散足迹序列，从而达到适应环境变化的 目的。基于传感器信息融合 的在线滚动路径规划方法在得到应用，取得了较好的效果。 步态规划是运动规划底层任务，其实质就是 规划机器人各关节的运动轨迹。几何约束法是一种应用非常广泛的步态规划方法。几何约束法的思想是首先给出仿人机器人关键点的移动曲线，再通过约束方程求解机器人在行走过程中各关节的运动轨迹。但由于规划过程中，关键点的运动曲线多依靠实验经验得到，因此在实现机器人行走快速性方面有局限。神经网络步态规划法是将神经网络系统应用于仿人机器人步态规划，这种方法可以避免对仿人机器人复 杂的物理模型进行精确描述 ，但是由于其计算复杂度较高，而且各种步态都要进行训练，具有较好泛化性的训练样本获取困难，这种方法主要应用于离线步态规划。遗传算法是模拟生物在自然环境中的遗传和进化过程形成的一种自适应全局优化概率搜索算法，目前这种方法主要用来机器人运动步态的优化。另外还有一些步态规划方法如模糊逻辑规划法、自然步态规划法等13。本文将采用量子遗传算法对仿人机器人进行运动规划。 人足球机器人的特点及研究意义 仿人足球机器人的最大特征就是双足行走。相对于传统的轮式、履带式机器人：仿人足球机器人使用双腿行走，具有较强的越障能力，它的活动范围很大，移动盲区很小，步行能耗很小。此外，双足机器人与其他足式机器人相比，具有体积小、重量轻、动作灵活等特点，并且具有类似于人类步行的特点，因此对环境有最好的适应性14。 仿人足球机器人的研究涵盖了嵌入式计算机技术、机器视觉、传感器技术、电机伺服控制、人工智能、非线性系统动力学、非线性系统振动分析和机械机构学等相关学科，是一个典型的智能机器人系统。仿人足球机器人比赛集研究价值和娱乐价值于一体，短短几年时间的发展，已经成为各个国家争相参与的高技术对抗活动，引起社会的广泛关注。 研究开发仿人足球机器人是研究人形机器人的一种简便而有效的方法，也是跟踪国际最前沿的双足机器人理论和技术的理想切入点，同时也推动了嵌入式计算机系统和机器视觉的相关理论应用的发展。仿人足球机器人涉及到的众多研究课题都是当前研究与应用中遇到的关键问题，因此 可以很容易的把仿人足球机 器人的一些研究成果进行转化，引入到其他实际的应用中。所以，研发仿人机器人参与足球比赛，已成为人工智能与智能机器人研究领域中一个十分令人注目的热点。 1绪论 9 文研究内容、创新点 文研究内容 本文主要以仿人机器人足球比赛为背景，围绕仿人足球机器人运动规划展开研究。研究主要内容包括：机器人本体结构分析、运动学和动力学建模、稳定性判定、机器人基本动作的步态规划和复杂动作的控制策略、机器人路径规划方法等问题。具体的章节安排如下： 第二章 首先对仿人足球机器人样本自由度配置的分析，然后对仿人足球机器人进行数学模型并进行分析研究。分析了现有仿人足球机器人实验平台本体结构的特点。在此基础上，对机器人的运动学和动力学模型进行了研究。发现传统的 标表示法不适合描述本文的机器人模型，因此采用齐次坐标表示法建立机器人系统的运动学模型，并给出机器人逆运动学求解的方法。最后基于 数建立了机器人动力学模型。 第三章 对仿人足球机器人基本动作步态规划和复杂动作进行研究。首先分析研究了基于 稳定性判据。然后针对仿人足球机器人的特点，给出其运动规划的策略，以此为基础，对机器人运动过程中的主要动作进行了分类和定义。然后对几种典型的基本步态的运动过程进行了规划，同时分析了其他基本动作单元步态规划的主要问题。最后针对仿人足球机器人典型的摔倒过程，研究了机器人自我保护的摔倒策略和快速恢复站立策略。 第四章 对仿人足球机器人路径规划方法进行了研究。首先对量子力学的基础知识作了归纳，介绍了量子力学的一些基本概念。重点介绍量子计算中的态叠加原理。其次介绍了量子遗传算法， 其中染色体由量子位的叠加态来表示， N 位染色体就能代表2样就大大提高了量子遗传算法的效率。量子遗传操作的更新是通过旋转量子门来得到的，其中 的大小及方向是整个更新操作的关键。最后给出了量子遗传算法路径规划流程。 第五章 采用 算法在不同情况下进行了仿真并分析。实验结果表明，本文所提出的算法是切实可行的。 第六章 总结和展望，首先对文章的总体概括，其次是文章存在着不足之处，以待改进。 文研究的创新点 仿人足球机器人比赛作为人工智能与机器 人学科试验研究的载体和小型高科技对抗的平台，已受到国内外学者的普遍关注。 1绪论 10 仿人足球机器人研究具有非常重要的研究意义。如果机器人能像人一样踢足球，那么机器人便可以在任何危险、恶劣甚至人无法到达的场合代替人来工作。仿人足球机器人的研究是 21 世纪国际科技竞争的必争之地。 本文的研究意义在于，通过对仿人足球机器人运动单元和路径规划进行研究。提出了新的路径规划的算法，基于量子遗传算法仿人足球机器人的路径规划，并进行路径规划的仿真。 2 仿人足球机器人数学模型建立 11 2 仿人足球机器人数学模型建立 言 人体运动时， 身体各关节运动是全身行走运动的基础， 决定了人体行走时的稳定性，而我们仿人机器人的运动研究以尽量达到与人类运动时相同为目标，因此仿人机器人的身体自由度的分配也成为了仿人机器人运动规划的关键点，直接影响机器人运动时的动作。 本文的机器人是用于足球比赛的，为了达到像足球比赛运动员那样的运动，则要求机器人的机构自由度的分部应近似于人体的自由度分部，从而确定了机器人的关节自由度，为仿人足球机器人的运动学建模打下基础。 型仿人足球机器人样机的分析 由度的配置 机器人自由度的配置主要取决于机器人需要完成怎样的动作以及做如何的规划。对于仿人机器人的某一段串联结构而言，如手臂、下肢等，如果要求末端仅需要在 3 维空间中达到任意位置，则根据运动学分析，仅需设计 3 个自由度即可；如果机器人的末端需要能够在 3 维空间中达到任意位姿，则至少需要设计 6 个自由度才能满足要求。而在实际情况中，由于关节角度的限制，部分关节旋转范围不足，则可能需要 7 个甚至更多自由度。自由度的增加，有利于机器人动作的平滑和稳定，动作更加流畅和优美，然而在灵巧工作区问内， 大于 6 自由度的串联机构存在多解， 加大了机器人控制算法的难度。 小型仿人机器人样机 5。其基本设计要求包括：具备灵活的步行能力，能够完成向前走、向后走、平移、旋转以及以上几种步态的组合；具备踢球、扑球和摔倒爬起等足球比赛所要求的特殊功能；具备平衡视觉、独立视觉和智能决策功能。相对廉价的设计成本也是考虑的一个因素。 为了保证机器人高度的灵活性，设计小型仿人机器人的每条腿都具有六个自由度。因为具有六个自由度的关节机 器人能够使得末端在机器人 的灵巧工作区间中达到任意的位置和姿态，这样设计的机器人能满足上面全部的设计要求。由于具有六个旋转关节的操作臂是存在封闭解的充分必要条件是相邻的三个关节轴线相交于一点。因此在自由2 仿人足球机器人数学模型建立 12 度分布图中仿人机器人髋关节的三个自由度 (俯仰，翻滚，方向 )交于一点，配合上膝关节上的俯仰自由度和踝关节上的俯仰和翻滚自由度，设计出来的仿人机器人六自由度下肢进行逆运动学求解时就具有封闭的解析解。这样不仅使得仿人机器人具有很大的灵活性，也提高了机器人的逆运动学求解的速度，这一点在机器人的实时运动规划中意义重大。 腰关节由两个自由度组成，一个俯仰自由度和一个翻滚自由度，俯仰自由度主要是为了机器人的爬起和视觉的需求，翻滚自由度主要用来辅助平衡。颈部两个自由度能够满足机器人摄像头全方位旋转的需求，而手部仅设计三个自由度，为了方便机器人完成扑球、爬起等动作、自由度分布图如图 2.1(a)所示。 根据 赛规则，设计小型仿人机器人的基本参数如表 示，由于小型仿人机器人在长度尺寸上较小，因此每一个关节的力臂也相对较小，因此对力矩的需求大大减小，再加之质量较轻，因此在电机选型上较为简单。为了设计方便，小型仿人机器人的电机均采用 列舵机。每一个舵机均包含一智能控制模块，能够通过 线与上位机进行通讯，能对电机实现准确的位置控制。之后，在 E 等机械设计软件上设计机器人的机械结构，再将模型导入 真平台，并设定相关机器人关节连