被动行走机器人的研究动态

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1、被动行走机器人的研究动态被动行走机器人的研究动态【摘要】文中介绍了被动行走机器人的概念和特点，简要阐述了国内外被动行走机器人的发展现状，介绍了关于被动行走机器人的基本问题的讨论，包括周期步态和稳定不动点的求解，局部稳定性分析对国内多所高校和研究机构在此问题上的研究方而及其研究成果进行了总结。并结合现有的研究水平，也包括了笔者个人对被动行走机器人的发展形势和研究趋势的把握。【关键词】被动行走；稳定；机器人1.被动行走近年来受到广泛关注的被动行走者(passivedynamicwalker),或许会为双足机器人的发展提供一个新的思路。被动动力行走(passivedynamicwalking)指

2、的是机构只依赖自然力及本身的结构而实现的双足或多足行走。这里的自然力指的是重力、足与地而的摩擦力及碰撞力，而机构本身可以包含一些如弹簧阻尼之类的被动元件,但不含可将非机械能转换为机械能的部件如电机等。显然，rtr于足与地面的碰撞和摩擦导致的能量损失，纯被动机构不能在平地上持续行走，但依靠重力提供能量补充，它可以在斜面上实现稳定持续的下坡行走。给纯被动行走机器加以简单的驱动，用很少的能量代替在下坡时由重力提供的能量，就叮以实现其在平地的稳定行走，这样的行走称为基于被动原理的行走。2005年2月21日召开的第171届美国科学促进会的年会上，由美国康奈尔大学、麻省理工学院和荷兰代尔夫特理工大学的

3、科学家分别组成的研究小组，展示了他们研制出的能以人类步态直立行走的被动动力行走机器人，被认为代表了当前被动动力机器人研究的最新成果。被动动力行走机器人内置多个传感器，使其能在20min内学会像人一样走路。传感器能以每秒200次的速度测量机器人每个动作的倾斜度和速度，然后向其它电动机下达新指令來调节身体姿势。传感器还指示制动器控制机器人脚踝上弹簧的压力，使其整体平稳向前。每走一步,制动参数都会有所改变，所以机器人可以在任何路面上走路并调节走路的姿势。被动动力步行机器人的最大优点在于，能量消耗低却能够实现像人一样口然的步态。已经得到了国外众多学者的深入研究，并取得了巨大的成果。但当前对被动动力

4、步行机器人的研究还不成熟,如稳定性、倒行等还需要进一步的深入研究。北京大学在2006年10月研制成功双足Runbo-1,Runbo-1不仅能平稳走，还能负重推车，在设计上的最大特点是每条机械腿均只使用一个电机作为主动运动驱动，膝关节和踝关节采用仿生被动关节。整个运动通过弹性机构实现运动能量的存储和释放，在很大程度上模拟了人类运动方式。1.被动行走的动力学模型清华大学的学者柳宁，在其研究中建立带有圆弧足的支腿被动行走器试验样机模型，根据该模型建立了ADAMS三维行走模型。模型采用四足内外退模型，避免了行走过程中的侧倒现象。吉林大学刘丽梅等人，使用变胞胞映射法估计稳定行走的初始状态。在某一坡度

5、路面上被动行走机器人只存在唯一的稳定行走步态,因此得到坡度变化后稳定行走的初始状态是行走模式转换的关键。NewtonRaphson迭代法是估计稳定行走初始状态的常用方法，但迭代初值的选择是难点，为克服初值的影响，本文基于胞映射思想，提出估计双足步行机器人稳定行走初始状态的数值方法——变胞胞映射法。当然，还有学者是按照其他方法来研究的。给定初始条件，该简单被动动力模型在重力和自身的惯性作用下，可沿小坡度的斜面稳定地向下行走.其每一步运动过程可分为如下两部分：1、当摆动腿离开地面时，支撑腿绕支撑足做倒立摆运动（支撑足与地面是纯滚动），而摆动腿则绕競关节做单摆运动，准确的描述是该摆动腿绕沿着弧线

6、轨迹运动的支点做单摆运动。此过程为连续运动阶段。显然该过程中只有重力做功，故其总的机械能是守恒的。2、当摆动腿与地面碰撞后，摆动腿和支撑腿角色互换，同时碰撞是瞬吋的，完全非弹性（摆动足与地面无滑动），故在碰撞前后，两腿角速度发生变化，而两腿角度不变，系统满足角动量守恒。现可基于角动量守恒方程，描述碰撞过程。但是整个研究方法都很和似，一般过程是：问题简化，建立力学模型，动力学方程推导，足地碰撞转换关系确定，仿真计算，再根据仿真的结果指导试验。在仿真这一步中，一般会用到Adams仿真验证、MATLAB数值仿真。2.2周期步态和不动点的计算被动机器人的运动过程可由状态变量來描述，每个状态变量对应

7、空间中的一个点，由这些点构成的空间称为“相空间”。令机器人双足着地的状态是某步的起始状态或终点状态，通过研究双足着地的状态，可判断机器人运动的周期稳定性。设不动点为被动机器人稳定周期运动时，腿刚与地面相碰后，转为支撑腿的瞬间（此时双腿同时着地）所对应的状态在相空间屮的点用表示。不动点的存在是被动机器人能稳定行走的必要条件。对于为非线性系统，机器人每走一步即为一次庞加莱映射S（S是包括碰撞在内的一次完整的动态步行的表达式，