V仿人双足机器人上楼梯轨迹规划及实现.pdf

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1、仿人双足机器人上楼梯轨迹规划及实现Trajectoryplanningandimplementationofhumanoidrobotupstairs宫赤坤高丽丽GONGChi-kun,GAOLi-li（上海理工大学机械工程学院，上海200093）摘要：通过对人的行走方式进行观察模拟设计了仿人双足机器人，运用DH方法分析其机构，为其设计了具有周期循环性的上楼梯步态，并把三维实体模型导入到运动分析软件ADAMS中，添加约束驱动等，进行验证。将仿真结果应用到现实物理样机上，使物理样机实现了人的上楼梯

2、动作。关键词：双足机器人；约束；ADAMS；步态规划中图分类号：TP24文献标识码：B　文章编号：1009-0134(2012)10(上)-0108-04Doi:10.3969/j.issn.1009-0134.2012.10(上).340引言各个零件，然后进行装配得到完整的双足机器人的腿部和髋部。导入到ADAMS中，添加好质量，约双足机器人的研究已逐渐成为机器人学中一束，运动副等元素后的虚拟样机模型如图1所示。个令人关注的焦点。双足机器人对环境具有良好为了进行双足机器人的上楼梯轨迹规划，首的适

3、应性，其仿人的特性使其具有广阔的应用前先建立坐标系，本文坐标系建立方法如下：基础景，各国越来越重视对仿人双足机器人的研究工坐标系固定在地面上。对机器人进行逆运动学分作。与传统的轮式机器人等相比，仿人机器人最[1]析的时候需要两个坐标系的轨迹才能计算出所有难解决的问题之一就在于对步态的规划，而上坐标系的位姿，一般选取髋部和末端。故为了逆楼梯的步态规划更加困难。仿人双足机器人主要运动学计算过程中髋部和末端的轨迹容易得到，是模仿现实中人腿的结构和运动形式的机器人系[2]所以决定在髋部建立一个没有转动关

4、节的坐标系，统。由于双足机器人具有人腿的结构特征，因此然后以该坐标系为基坐标系，按照D-H方法来建能够适应各种不同的路况环境。稳定行走是仿人立两条腿各个关节的坐标系。为了容易得到末端机器人研究的关键技术，多年来对仿人机器人的的轨迹，将最后一个末端坐标系建立在脚板前端研究主要集中在实现平整地面上的双足稳定行走，的中心处，末端坐标系原点和髋部两侧坐标系原并取得了一些成果。但是如何在复杂地面上实现快速稳定行走一直是仿人机器人研究中的瓶颈问[3]题。本文中通过观察分析现实中人腿的结构及其上楼梯的过程设计

5、了双足机器人的模型，每条腿具有5个自由度来模仿人的上楼梯步态。人的[4]步行具有周期循环性，左右腿不断交替支撑身体达到行走的目的，因此本文中着重利用双腿的周期循环性来设计模仿行走步态，并且在ADAMS中对设计的步态进行虚拟仿真来验证步态轨迹规划的正确可行性。根据虚拟样机的运动参数设定现实中物理样机的驱动参数来实现仿人双足机器人的上楼梯动作。1仿人双足机器人DH坐标系的建立先使用三维软件SolidWorks画出双足机器人的图1双足机器人虚拟样机模型收稿日期：2012-02-24基金项目：上海市教育

6、委员会重点学科建设项目资助（J50503）作者简介：宫赤坤（1968－），男，副教授，博士后，主要研究方向为机器人。【108】第34卷第10期2012-10(上)X8Z8Z1Y8X9Z9X1Y9Y2X2Y1Z2X3X10Z10Y3Y10Z3X4X11Z11Y4Y11Z4X12Z12X5Y12X13Y13图3起步阶段上台阶运动示意图Y5Z5Z13X6表1髋关节和两腿末端轨迹位置坐标Z0Z6Y6X7Y7X0髋关节左腿末端右腿末端Y0Z7步态XYZXYZXYZ图2DH坐标系000201.5-34.54

7、2034.5420点在同一YOZ平面内，这为机器人上下台阶轨迹100185-34.542034.5420规划奠定了基础。采用后置法，所以坐标系2和2700180-34.542034.5420坐标系8都固定在髋部。DH坐标系的建立如图23705180-34.5420233230所示。4705180-34.542023100302仿人双足机器人步行轨迹规划5063180-34.542034.512715根据所设计的双足机器人的脚板尺寸，长2）中步阶段和宽分别为84mm和76mm，台阶面的宽度设为虽然

8、上台阶运动的中步阶段和前进运动的中85mm，高度设为15mm。初始状态两脚的前端顶步阶段一样都具有周期性，但是却不能像前进运到台阶。动那样直接使用起步阶段的数据，因为上台阶运根据人的行走方式，上台阶与前进行走有些动中摆动腿迈出的距离为台阶面的宽度85mm，而不同的地方。前进运动将摆动腿抬起之后再向前前进运动中摆动腿迈出的距离为42mm，相差很落下即可，脚的抬起高度没有限制。但是上台阶大，因此当机器人上了一级台阶之后重心在两只时因为有台阶高度的限制，所以摆动腿抬起的高脚掌中间，相比较与前进运动而言