模型通常是现实设备的前身；然而，有时一个设备会激发模型的灵感。在20世纪80年代，有一个被称为CMU腿部实验室的小组研究跑步机器人。1986年，腿部实验室搬到了麻省理工学院。他们的一些机器人现在在展览会上展出麻省理工博物馆如今，它们仍令游客惊叹不已。其中一个机器人是3 d独腿料斗这启发了我的同事，家伙卷轴．

去年冬天，我在麻省理工学院博物馆看到了这个机器人，在与MathWorks的几位同事讨论后，我们决定拥有这个机器人的Simulink模型会很酷。万博1manbetx

继续读下去，了解盖伊是如何构建和控制它的独腿料斗(从文件交换下载)。

单腿跳跃机器人的仿真与控制

盖伊·鲁洛

这是我最近完成的一个单足跳跃机器人Simulink模型的描述。我将解释我是如何准备和实现这个模拟的。万博1manbetx

准备

在Simulink中对任何系统进行建模之前，制定一个计划总是万博1manbetx很好的。首先，我总是喜欢画一个简单的系统模型。在这张图中，我们看到两个实体（我们称它们为身体和腿在臀部连接在一起的。机器人在其构型空间中有两个驱动自由度(DoF)，即身体和腿之间的角度，以及腿的长度。这2自由度将用于控制身体在空间中的3自由度运动(高度，距离和角度)。

现在机器人已经描述好了，是时候考虑如何控制它了。机器人控制可分为三个独立的控制器:

1. 姿态控制,腿的长度由一个气动执行器控制。该执行器的作用类似于一个弹簧。它提供了一个平滑的腿
   着陆并注入力量使机器人保持跳跃。
2. 速度控制-就像一个人走路时，腿在空中时被带到身体前面。当腿触地时，身体就会向前移动。
3. 方向控制-站姿时，腿与地面接触。在臀部施加一个扭矩来控制身体的角度。

下图以图形方式展示了三个控制器:

现在我对实现什么有了一个很好的想法，是时候享受Simulink的乐趣了。对于这个模型，SimMechanics是最适合的区块集万博1manbetx
给机器人建模。

实施

当我开始为移动机器人建立SimMechanics模型时，我喜欢确定身体在空间中的位置。通过这样做，我可以验证
执行器的行为符合预期。此SimMechanics模型如下所示：

使用这个模型，我可以测试不同的输入，并看到在腿尖产生的运动。一旦我对这个运动感到满意，我就可以考虑与地面的相互作用。

我现在的新目标是看着机器人从最初的8个点上掉下来，弹跳几次，然后掉下来。为了模拟地面，我使用了《SimMechanics》提供的Bouncing Ball演示。在对子系统中的组件进行分组之后，模型现在看起来如下图所示。

一旦接触力和机器人运动得到验证，就该实施控制体系结构了。

通常，当我实现一个控制器时，我喜欢将模型划分为以下子系统:

传感器建模

这个子系统从SimMechanics模型中提取并处理信息，以生成可由真实传感器提供的信号。对于跳跃机器人，我将测量如下:

• 腿和身体之间的角度
• 身体相对于地面的角度
• 一个开/关触点传感器。

运动分析

根据传感器，计算出控制器所需的信息。触点开关用于计算飞行和站姿的持续时间。这些持续时间，以及髋关节和身体角度可以用来估计机器人的速度和位移。

控制器

有了所有必要的信息，是时候为3种控制模式产生执行器信号了。

• 的态度
  –气动执行器在每次跳跃时注入相同的力。这将生成持续时间为常数8的跳跃。注入的力的大小可以调整以获得所需的跳跃8，但目前，它将保持不变。

• 速度- - - - - -这是这个机器人中最复杂的控制器。首先，我们看看前一次跳跃时的位移。而在
  飞行时，腿的尖端位于机器人身体的前面，准备一个类似于先前跳跃的动作。在飞行过程中，腿部也是如此
  根据机器人必须加速还是减速，修改尖端位置。将腿放在身体前面较远的地方着陆会
  加速机器人，而靠近身体的腿尖将使其减速。还实现了一个简单的轨迹生成来移动腿
  平稳地飞行。

• 方向-在这个阶段，臀部力矩被计算来保持身体与地面的角度接近于零。结合
  速度控制器，方向控制器将机器人推向正确的方向。

在实现了3个控制器之后，是时候可视化生成的运动了。

上面的描述包含了我创建跳跃机器人仿真所遵循的主要步骤。有关更多详细信息，我建议访问MATLAB中心文件交换来下载该机器人的Simulink模型万博1manbetx单足跳跃机器人．

当你看这个模型时，你会发现我省略了很多细节来制作一个小故事。但是这里描述了我用来创建大多数Simulink模型的主要过程。万博1manbetx

你造过机器人吗？你觉得这个模型怎么样？请留下这里的评论．