双足溜冰机器人步态规划的研究

《双足溜冰机器人步态规划的研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、144李金良等：双足溜冰机器人步态规划的研究第9期行了研究，同时对规划的步态做了仿真分析。溜冰机器人ZMP点，如图3所示。对于两足溜冰机器人来说，由于其为两足机构，因此ZMP理论也适用于姿态稳定性分析，本文在合理假设的基础上，应用ZMP理论来判断溜冰机器人的姿态稳定性。借助理论力学工具及稳定步态所需满足的动力学条件，下面来推导ZMP的位置。Z图1两足溜冰机器人b2单腿蹬地溜冰步态OX前向平面侧向平面人在轮滑溜冰运动过程中，身体各个关节的运动较复杂，对图3溜冰机器人ZMP点动态平衡控制要求较高。要在溜冰机器人上面实现人的各种溜冰3．1

2、ZMP(零力矩点)的位置运动是困难的，结合两足步行机器人中步态规划的研究及实际情ZMP的计算，如图4所示。在计算ZMP时，对两足溜冰机器况，首先研究下面两种基本的步态形式。人系统作如下假设：2。1前进葫芦型溜冰(1)溜冰机器人在做单腿蹬地溜冰运动时，其运动可以近似跟人的前进葫芦型溜冰类似，溜冰机器人的两脚掌不离开地解耦为前向平面和侧向平面内的两个运动；面，同步地平行在地面上画出“8”字形，控制电机使两脚靠近，快(2)溜冰机器人系统包括上体(躯干)可以简化为由一些质量碰到时两脚分开，依靠地面摩擦作用力的反力使机器人前进。这集中的点，其

3、中上体看作是质量点m。，大腿看作质量点m，，小是一种静态稳定下的溜冰运动，由于脚掌不离开地面，重心始终腿看作质量点m，m，，脚部看作质量点m，m，如图3所示(前向位于两脚的支撑区域内，机器人的运动速度较慢。机器人的姿态平面)；稳定性分析和控制都比较简单，本文不再加以分析。(3)忽略作用于支撑脚上面的滚动摩擦力，将摆动腿着地时2．2单腿蹬地溜冰地面对脚掌的反作用力记为，摩擦力记为，地面反作用力和类似于人的前进滑溜，人在进行滑溜时首先通过迈步将重心摩擦力的合力记为，的大小对溜冰机器人姿态稳定性有很大转移至前脚，后脚同时往后方向蹬出以使前

4、脚滑出。溜冰机器人的影响；的单腿蹬地溜冰也是基于这种方式，图2描述了这种步态的详细(4)溜冰机器人系统为刚体力学系统，溜冰运动的地面看作过程：首先机器人迈出右腿，进行重心调整，当右腿迈出完成后，刚性平面，在外力作用下不会发生变形。重心也调整完成。此时机器人的重心在右腿，这时左腿往后方向在上述假设条件下，溜冰机器人系统的受力情况，如图4所蹬出以使前脚滑出。接着机器人进行单腿溜冰运动，当溜冰运动示。设参考系OXY的平面和机器人的支撑面重合，坐标原点为支完成时，左脚落地准备下一个溜冰运动周期。撑脚的中心。根据D．Alembert原理，将机

5、器人溜冰运动时所受的全部作用力和力矩向P~(ZMP点)简化，得：开始(调莲)蕊单腿溜冰溜冰完成左腿落地∑mr,-尸)x(+G)+一∑一∑(Sk—P)xF~=0(1)i，k式中：m一质量点i的质量；n=Exyi，]一质量点的位置矢量；p=[，，0卜点的位置矢量；G=[＆，，＆卜一重力加速度矢量；T=[，，]—作用在P点的力矩；=[，，]一外力矩=[，，]—外力k；5[，，卜_夕力k。《r／／／／／／／／／／／／,支撑I(左腿)支撑1(右腿)作用点的位置矢量。右腿摆动期蹬地溜冰期Z图2单腿溜冰运动步态3溜冰姿态的稳定性分析Vukobra

6、tovie创造性地应用ZMP(ZeroMomentPoint，零力矩点)点来描述两足类机器人的运动稳定性[41516]。ZMP是指两足步行机构在步行运动过程中，支撑面内支反力的作用点，围绕这一点，机构运动的合力矩为零。在两足步行机构稳定的步行运动中，ZMP具有如下性质：ZMP始终位于支撑脚掌所组成的稳定区域内。图4ZMP的计算No．9Sep．2010机械设计与制造145ZMP点P(，，0)是使机器人绕轴和Y轴的倾覆力矩为0的点，将(1)式分别向轴和Y投影并求解，，得：∑m(五岱一∑m(麓+＆朋∑()=三—————————上三0_——

7、———一———L————————(2)∑m(蕾+＆)i=0∑m(蕾售一∑m(岛()(3)∑m(蕾+＆}-X考虑到机器人上每个质量点的相对于地面的运动，在机器人支撑腿的脚掌平面上固结一平行移动的坐标系(，，)，如图3所示。平行移动坐标系的坐标原点为Q(x，Yq，)。则ZMP点在坐标系下的表达式为：∑m‘；螨k广∑m喊憾)(j)(j)上0l—————上———————上—————一(4)∑m)图5溜冰步态规划流程图i=0∑m丢哺]y∑m+，)(j)肘()上—————土—————————一(5)∑m)i=03．2溜冰运动的姿态稳定性判据由上

8、述推导可知，可实现的保持姿态稳定的溜冰运动必须满足下列条件：0．05010．15020．25O．30-350．4x(m)(1)由于地面与支撑脚之间为单面约束，即地面反力图6水平面上的溜冰步态规划=一20=m(+g)>0(6)5结论i=