双足机器人步态规划方法研究.pdf

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1、第４期（总第２０３期）机械工程与自动化Ｎｏ．４２０１７年８月ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ＆ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮＡｕｇ．文章编号：１６７２６４１３（２０１７）０４００２２０３双足机器人步态规划方法研究李攀，魏洪兴（北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京１００１９１）摘要：主要研究基于髋关节高度和姿态补偿的双足机器人拟人化步态规划方法，建立了机器人的前向和侧向运动学模型，分析了步行过程中机器人在关键时刻的位姿，并通过三次样条插值方法对双足机器人进行完整的步态规划，得到机器人各关节平滑的运动轨迹，验证了该方法是可行的。最后，与传统的步态规划方法进行对比，得到的仿真结

2、果表明使用该步态生成方法对机器人性能有较大提升。关键词：双足机器人；零力矩点；三次样条插值；步态规划中图分类号：ＴＰ２４２文献标识码：Ａ０引言机器人学正运动学问题是指给定机器人各杆件的双足机器人有着与人类下半身近似的外形和关节几何参数和各关节的夹角，求解机器人各关节相对于配置，为了使其能够适应多样化的环境并最终融入人参考坐标系的位置；逆运动学问题是指给定机器人关键类生活，需要拥有拟人化的步态。仿生生物力学研究部位位姿，求解机器人各关节角的运动情况［２］。表明，人类的周期步行中，髋关节在纵垂面内相对地面该双足机器人有６个前向关节和４个侧向关节，的高度不是固定的，而是呈现周期性的变化，髋

3、关节在在步行过程中，前向关节和侧向关节的运动耦合较小，横垂面内也不是始终保持水平，而是存在起伏运动，以可将机器人的运动解耦为前向运动和侧向运动，考虑此来保持身体的平衡并降低行走时的能耗。传统的机前向运动过程中腿部弯曲对侧向运动模型的影响，忽器人步态规划方法假设髋关节距离地面高度保持不略侧向运动过程对前向运动模型的影响［３］，并且在运变、机器人躯干始终保持与地面垂直［１］，这种假设简化动过程中，机器人两个脚掌在侧向不做任何移动。了步行过程中关键时刻的机器人位姿模型，虽降低了表１机器人初始参数自由度间复杂的协调关系及规划过程中的计算量，但连件长度（ｍｍ）犔０犔１（犔１０）犔２（犔９）犔３

4、（犔８）犔４（犔７）犔５（犔６）与人类的步行方式不符。针对人类步行与传统的机器取值６０１７５３５２５５４３人步行方式的区别，本文给出了一种基于髋关节高度连件质量（ｇ）犿０犿１（犿１０）犿２（犿９）犿３（犿８）犿４（犿７）犿５（犿６）和姿态补偿的步态规划方法，并采用ＭＡＴＬＡＢ进行取值２８８９５３２１３８３２８４仿真分析，验证其可行性。根据所建立的运动学模型，通过几何约束法得到１机器人的数学模型研究机器人的正运动学方程，求出各连杆质心坐标后对其本文研究的是１０自由度舵机双足机器人，每条腿进行一次、二次求导可得到各连杆质心的速度和加速有５个自由度。由于所用机器人的踝关节和髋关节的度，为机

5、器人的ＺＭＰ（ＺｅｒｏＭｏｍｅｎｔＰｏｉｎｔ，零力矩点）关节旋转轴轴线不相交，故将机器人简化为如图１所计算提供基础。示的１１杆连杆模型，坐标系原点位于支撑腿踝关节侧根据所建立的运动学模型，通过余弦定理及各前向平面、两髋关节中心径向平面和水平面的交接处，狓向关节转角与前向关节夹角间的相互关系可求解机器轴正方向为机器人前向运动方向，狔轴正方向指向机器人各关节角，分别对各关节角进行一次、二次求导，可人左腿，狕轴正方向竖直向上，其初始参数如表１所示。得机器人各关节的角速度和角加速度。２双足机器人步态规划方法完整的步态规划包括两方面的内容：姿态规划和ＺＭＰ轨迹规划。ＺＭＰ是指重力与惯性力合力的

6、延长线与支撑面的交点，是目前步态规划中应用最广泛的稳定性判据［４］，其计算公式如下：狀狀犿····∑犻（狕犻＋犵）狓犻－∑犿犻狓犻狕犻狓犻＝１犻＝１ＺＭＰ＝狀．（１）犿··∑犻（狕犻＋犵）图１双足机器人连杆模型犻＝１收稿日期：２０１６１２２１；修订日期：２０１７０５２０作者简介：李攀（１９９０），男，湖北鄂州人，在读硕士研究生，主要研究方向：机构设计与机器人。２０１７年第４期李攀，等：双足机器人步态规划方法研究·２３·狀··狀··由图３可知，ＣＴＨＪ（两髋关节中心）的轨迹为一∑犿犻（狕犻＋犵）狔犻－∑犿犻狔犻狕犻条有规律的波动曲线，左、右髋关节轨迹相对于两髋中狔犻＝１犻＝１

7、．（２）心的轨迹上下波动，符合人类行走的规律。ＺＭＰ＝狀犿··∑犻（狕犻＋犵）其中：犿犻＝１犻为各连杆质量；狓犻，狔犻，狕犻为机器人各杆件的质心坐标；犵为重力加速度；狀为连杆数，狀＝１１。本文采用基于髋关节高度和姿态补偿的步态生成方法，该方法中，在周期步行的单腿支撑期内，摆动腿向前摆动时髋关节距离地面的高度在一定的范围内起伏，并在规划过程中设置了最大高度值和最小高度值；左、右髋关节并不保持平行，而是在竖直方向相对于两髋关节中心上下摆动。具体的步态规划方法为