基于主支撑腿运动优化的仿人机器人快速步态规划算法

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1、第uz卷第v期机器人×∂²¯quzo²qvussx年x月¤¼oussx文章编号}tssu2swwykussxlsv2susv2sz3基于主支撑腿运动优化的仿人机器人快速步态规划算法徐凯o陈恳o刘莉o杨东超k清华大学精密仪器与机械学制造工程研究所o北京tsss{wl摘要}提出一种基于主支撑腿运动优化的快速步态规划算法o利用快速动态步行的特点o规划°k¨µ²²°¨±·°²¬±·l适时地离开质心投影并始终停留在稳定的支撑区域内q规划过程中考虑了仿人机器人摆动足触地时的碰撞o整个步态产生于深度的优化过程q关键词}仿人机器人~步态规划~动态步态~碰撞中图分类号}×°uw文献标识码

2、}ΦαστΩαλκινγΓαιτΠλαννινγΑλγοριτημφορΗυμανοιδΡοβοτσΒασεδονΟπτιμιζατιονοφτηεΜαινΣυππορτΛεγ÷¤¬o≤∞¨±o¬o≠²±ª2¦«¤²(ΙνστιτυτεοφΜανυφαχτυρινγΕνγινεερινγ,ΔεπαρτμεντοφΠρεχισιονΙνστρυμεντσανδΜεχηανολογψ,ΤσινγηυαΥνιϖερσιτψ,Βειϕινγtsss{w,Χηινα)Αβστραχτ:׫¬¶³¤³¨µ¥µ¬±ª¶©²µº¤µ§¤©¤¶·º¤¯®¬±ªª¤¬·³¯¤±±¬±ª¤¯

3、ª²µ¬·«°¥¤¶¨§²±²³·¬°¬½¤·¬²±²©·«¨°¤¬±¶∏³³²µ·¯¨ªoº«¬¦«∏·¬¯¬½¨¶·«¨¦«¤µ¤¦·¨µ¬¶·¬¦¶²©©¤¶·§¼±¤°¬¦º¤¯®¬±ª·²³¯¤±·«¨°k¨µ²²°¨±·°²¬±·l·²ª¨·¤º¤¼©µ²°·«¨³µ²¨¦2·¬²±¤µ¨¤²©°¤¶¶¦¨±·¨µ¬±ª²²§·¬°¨¤±§¶·¤¼¤¯º¤¼¶º¬·«¬±·«¨¶·¤¥¯¨¤µ¨¤q∏µ¬±ª·«¨ª¤¬·³¯¤±±¬±ª³µ²¦¨¶¶o·«¨¦²¯¯¬¶¬²±¥¨·º¨¨±·«¨µ²¥²·π¶¶º¬±ª©²²·¤±§ªµ²∏±§¬¶¦²±¶

4、¬§¨µ¨§q׫¨ª¤¬·¦¼¦¯¨¬¶ª¨±¨µ¤·¨§¬±§¨¨³²³·¬°¬½¤·¬²±¶qΚεψωορδσ:«∏°¤±²¬§µ²¥²·~ª¤¬·³¯¤±±¬±ª~§¼±¤°¬¦ª¤¬·~¦²¯¯¬¶¬²±1引言(Ιντροδυχτιον)方主要在于步行速度加快带来的°移动规律的变化o尽管仿人机器人的质心投影仍然是连续移动o但步态规划算法是仿人机器人研究的关键技术之°的移动却会出现快速的跳变来满足快速步行时一q在步态规划的研究中o基于几何约束的规划方法的稳定需要q步行过程出现这样的动态特点o需要步应用得比较广泛o并且在规划步行速度不太快的场≈tovow 长大于腿

5、长的一半!步态周期在u¶以内q而从现在掌合下取得了实际行走的成功q握的资料o达到这一目标的只有本田公司的仿人机但在这些取得实际步行成功的例子中o仍然存器人°u!°v和≥q在着一定的问题q在步态规划的合理性方面o基于几何约束的算法把静态步态k慢速步态l和动态步态≈tovow k快速步态l用一个统一的过程来产生o规划一个稳定的步态需要不断调整步态规划参数o而在很多情况下o得到的是一个如图t所示的不稳定的步≈u 态过程q而基于倒立摆模型的步态规划o其模型描述并不精确o需要大量实验进行调整q而在步态规划的完备性方面o几乎所有的规划过程都忽略了机器图t°轨迹不满足稳定判据的步态人

6、摆动足触地时的碰撞qƒ¬ªqt¤¬·º¬·«∏±¶·¤¥¯¨°¦²±·µ¤¬¯分析动态行走的过程o其区别于静态行走的地3基金项目}国家{yv计划资助项目kussvwusstspsxlq收稿日期}usswpsyptxusw机器人ussx年x月本文提出一种新颖的动态步态规划算法o在定力学建立起其力学模型和°位置表达式q用¤±¨量描述摆动足触地的碰撞过程的基础上o通过定量力学建立起摆动足触地并与地面发生碰撞的表达式分析机器人各关节转动对身体°的影响o优化主为:支撑腿的状态o最后通过深度优化得到一个步态循Ιρ=πρ(τu)−πρ(τt)(t)环的完整步态q因此o规划出来的动态行

7、走步态具有仿人机器人为多刚体系统,并且认为机器人在两个特点o一是摆动足以一定速度落地并与地面发摆动足着地以后不会再弹起离地,发生的是完全非生碰撞~二是°适时地离开质心投影以实现步态弹性碰撞.碰撞的过程中广义坐标值(关节转角)保的稳定q规划的结果经过仿真验证后将用于清华大持不变;广义速度(即关节角速度)发生突变.学自主研制的仿人机器人的实际行走中q3各关节转动对ΖΜΠ位置的影响(Ινφλυ22力学模型(Μεχηανιχαλμοδελ)ενχεοφϕοιντσπροτατιονονΖΜΠ)各关节的转动对仿人机器人步行稳定性的影响是不同的o其角