一种双足步行机器人的步态规划方法

・16・
一种双足步行机器人的步态规划方法
□胡洪志马宏绪
国防科技大学机电工程与自动化学院
[摘要]本文介绍了一种双足步行机器人的步态规划方法,以前向运动为例,详细介绍了先分阶段规划然后合成的方法,并
讨论了行走过程中的冲击振动问题及减振措施,实验及仿真结果验证了这一规划方法的有效性。

[关键字]双足步行机器人步态规划减振
[Abstract]In this p a p er ,w e p ut forw ard a m ethod for hum anoid robot g ait p lannin g .W e take forw ard m otion for exam p le ,illustrate the
p hase p lannin g and com p ound m ethod in detail.T his p a p er also discusses the im p act v ibration p roblem and how to g et rid of it.T he ex
2p erim ent and simulation result verified the validation of the m ethod.
[K e y w ords]bi p ed robot ;g ait p lannin g ;v ibration decrease
[作者简介]胡洪志:男,1978年3月生,国防科技大学机电工程与自动化学院研究生,研究方向:智能机器人系统。

马宏绪:男,1966年8月生,国防科技大学机电工程与自动化学院教授,硕士生导师,研究方向:智能机器人系统。

1引言
双足步行机器人的研究是由仿生学、机械工程学和控制理论等多种学科相互融合而形成的一门综合学科,是机器人研究的一个重要分支。

双足步行机器人的研究可以促进多个学科的研究,并为相关学科的研究提供一个平台,具有很大的理论价值。

在实际应用中,双足步行机器人可用于有放射性、危险及其它对人体有害的环境中取代人类劳动,把人从高强度、长时间及单调乏味的工作中解脱出来,具有广阔的市场前景。

步行机器人最大的特征是步行,步态是在步行运动过程中,步行体的身体各部位在时序和空间上的一种协调关系,步态规划是双足步行机器人研究中的一个关键技术。

要实现和提高机器人的行走性能,必须研究实用
而有效的步态规划方法,实现机器人的稳定步行。

2双足步行机器人模型
本文的研究对象是一台具有12关节自由度的双足步行机构,每条腿各有6个自由度,即:踝关节有前向和侧向两个自由度;膝关节一个前向自由度,髋关节具有三个
自由度,包括前向、侧向及转弯自由度。

由仿真分析及实验研究可知,在步行运动中,双足步行机器人前向各关节的运动与侧向各关节运动之间的耦合很小,可以忽略这一耦合的影响,对机器人前向和侧向的运动分开建模。

本文主要讨论前向运动的步态规划问题。

前向运动模型如下图一:
定义:双腿关节,先左腿,后右腿,左腿由下至上,右腿由上至下,依次标注为1,2,3,...,10,11,12,各关节对应的转角依次为θ1,θ2,θ3,…,θ10,θ11,θ12,其中θ1,θ5,θ8,θ12,分别为双腿侧向关节对应的转角;θ2,θ3,θ4,θ11,θ10,θ9为双腿前向关节对应的转角;θ6,
θ7转弯关节在前向运动中始终保持为零。

图一
・17・
图三
图四
图二
3基本规划方法
采用离线规划方法,首先根据机器人实现前向行走的基本姿态,规划各关节的运动,将各关节的转角信息写入数据文件,行走时小板机将数据文件中的数据写入双口RAM ,DSP 控制器从双口RAM 读出规划好的数据,将其送入各对应关节的关节局部控制器
,从而实现各个关节的P ID 位置控制,由这些关节运
动的不同时序和转角形成了机器人前向行走的步态。

3.1前向步态的分阶段规划
机器人的前向行走,由四个侧向关节和六个前向关节的协调运动来实现(转弯关节始终不动),通过侧向关节的运动来移动机构的重心,双腿前向关节的协调运动使机器人向前行走。

为使步态规划易于进行,将前向行走步态设计分为重心右移(先是右腿支撑)、左腿抬起、左腿放下、重心移到双腿中间、重心左移、右腿抬起、右腿放下、重心移到双腿间八个阶段。

下图为前向关节的运动示意图:
在摆动腿前摆时,身体重心从双腿中心移到支撑腿上,因此身体先要向支撑腿一侧扭动来移动重心,为了防止在侧扭时抬腿,而造成身体向摆动腿一侧倾倒,步态设计中将侧扭和抬腿分步设计,即先侧扭,侧扭到位后保持,然后抬腿。

重心的计算:前向行走的过程中,机器人的重心要移动到支撑腿上,重心的移动是通过双腿侧向关节的扭动来实现的,
侧扭角度的计算示意图。

其中,a =0.09m ,b =0.954m
可近似算得侧扭角度:θ=a tan (a/b )=5.39°为了使关节的转动角度平滑改变,用正弦曲线来规划侧向关节的运动,设移动重心所需的时间为t 1,则侧向关节的运动轨迹为:
θc =5.39×sin (p i /2×t /t 1),t ∈[0,t 1]前向运动由双腿的前向关节来协调完成,他们必须满足一定的几何约束关系如图四所示
,由这一约束分析得前向的各关节轨迹规划:
・18・
其中,l =l 1+l 2
R =
x 2+(1-y )2
x :前向的位移y :抬腿的高度
3.2分阶段规划的合成
分阶段的规划便于调试和修改程序,但是运动周期太长,所以在机器人的实际行走过程中,将相关的运动阶段合并使前向和侧向关节同时运动,将侧扭和抬腿动作合并,在落腿的同时重心移至双腿之间,从而提高步行速度,步行的姿态也与人类行走更为相似。

侧向及转身行走的步态规划也可仿照这种方法进行设计,限于篇幅这里就不再赘述。

4步行过程中的冲击振动及减振措施
在步行过程中,摆动腿落地时对地面产生冲击,造成关节的剧烈振动,这是一个影响机器人稳定行走的重要因素。

要提高机器人的步行速度,必须设法减小冲击振动,有学者提出在脚底板加软垫来减小冲击,文中在规划步态时始终保持脚板与地面平行来减小冲击,有一定的效果,但冲击振动仍然对行走稳定性有较大影响。

这里提出另一种减小冲击的方法,在摆动腿落地时适当减小摆动腿踝关节的比例系数,减小关节刚度,从而减小对地冲击,提高行走的稳定性。

5步行稳定性的判断
采用Vukobratovic 提出的ZM P (Zero Moment
Point )方法来验证步行的稳定性,ZM P 公式如下,
式中,x ,y ,z 是机器人身体各部分质心坐标,U
i y
,U ix 是关节驱动力矩。

X O Y 是脚底板所在平面,Z
轴垂直地面向上。

步行机器人的稳定区域是指在步行运动中,由支撑的脚掌所组成的凸形区域在水平面上的投影,本文所用的规划方法使机器人的重心垂直位置始终落在支撑脚的稳定支撑域内,保证了行走的稳定性。

6实验结果及结论
前向行走杆状图:
本文采用分解合成的方法进行双足步行机器人的步态规划,通过实验获得了小步幅的稳定行走,要进一步提高行走的速度和稳定性,实现高速动态步行需要对规划方法和控制方法进行更深入的研究.
参考文献
[1]马宏绪,双足步行机器人动态步行研究,国防科技大学博
士论文,1995年
[2]马宏绪,张彭,张良起,双足步行机器人动态步行的运动控制与实时时位控制方法,机器人Vol.20,No.1,J an ,1998[3]傅京逊等,《机器人学》,1988
[4]YUAN -FAN G ZHEN G HEMAM I ,Im p act Effect s of Bi p ed Contact wit h t he Environment ,IEEE TRAN SAC T ION ON S YS TEM ,MAN AND C Y B ERN E T ICS ,VOL 。

SMC -14,NO.3,MA Y/J
U N E 1984
图5。