双足行走机器人步行原理是什么？步态轨迹规划的详细分析资料概述

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2018-08-11 14:53

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通过对双足机器人行走过程中一些特殊点进行采样分析，对比人类自身行走步态的观察测量值，采用三次多项式插值来计算出双足行走机器人在行走过程中的行走轨迹，按人体比例设定参数，计算得出了1条比较光滑平稳的行走轨迹，使得机器人的行走姿态更像人类的行走．通过模拟测试，结果表明了用三次多项式插值方法是1种规划双足机器人行走步态的较好方法，而且得出的轨迹插值函数比较平滑．

双足行走机器人与传统的轮子机器人相比有更好的可移动性．世界著名机器人学专家、日本早稻田大学的加藤一郎教授［1］说过：“机器人应当具有的最大特征之一是步行功能．”目前机器人的主要移动方式有轮式，履带式，步行，爬行，蠕动型等．其中双足行走是步行方式中自动化程度最高，最为复杂的动态系统．双足步行系统具有非常丰富的动力学特性，对步行的环境要求很低，具有更强的环境适应能力．双足步行机器人是一门集仿真学、机械学及控制工程学等多学科融合交汇的综合性的学科．不仅涉及到非线性、基于多传感器信息的控制等技术，而且还囊括了复杂机电系统的建模、数字仿真技术及混合系统的控制等方面的技术，是机器人研究领域中重要的分支．双足步行机器人的研究为各种控制方法，优化算法，运动学和动力学仿真，以及路径规划等提供了实验平台，具有很高的理论和应用价值．

自从1996年Honda宣布仿人机器人【2］p2的发展以后，类人型机器人的发展就更加迅速了，在这段期间，有很多对双足行走机器人的行走模式的分析［3--5】．Mc freer给出了1种被动的行走算法，把机器人放置在微斜的平面上，在没有外力的驱动下，依靠重力和行走过程中的惯性来迫使机器人行走．Shuuji Kajita 则设计了1种理想化的2一D双足行走机器人模型，在机器人的体内放置了4个IX；（Direct Current）马达来平衡重心，因为其结构简单，机器人的COG（Center of Gravity）可以比较平衡地水平移动，以达到机器人行走的目的．清华大学的杨东超、汪劲松等开展的拟人机器人技术及其系统研究工作中，基于ZMP（Zero Moment Point）提出了逆两步法规划机器人的步态，但轨迹离期望轨迹还有不小的误差，其主要原因是采用了近似值表示膝关节坐标．所以基于机器人行走过程中步态的连惯和轨迹的光滑考虑，本文采用三次多项式插值方法来规划机器人的步态轨迹，利用三次多项式插值【6J的优点使机器人的行走有比较平稳、光滑的过渡，并且利用三次函数在期间上的连续性，保证了机器人行走过程中速度和加速度的连续．

在分析双足机器人行走步态的过程中，我们首先对人体的行走过程进行了观察测量，以我们自身为实验对象，同时借助人体模型数据分析．如图1所示，A描述了人在行走时双足着地的时刻，当人双足合并直立的时刻是A的一个特殊点；在B中描述了以前脚为支撑脚，另一只脚缓慢向前移动的过程，直至支撑脚垂直于地面；在C中描述了B的移动过程和后脚移动到了支撑脚的前面，直到脚后跟着地的过程．一般地，一个正常人行走的全过程就是A，B，C反复循环的过程，可以把这个过程表示为A—B—C—A—B一 ……一C—A—B一……

因此，从上面的观察分析得出，人体行走的过程是以周期方式不断向前推进，在每个行走周期可分为单脚支撑阶段和双脚支撑阶段．单脚支撑阶段是一只脚着地，从后脚脚尖离开地面到后脚移动到支撑脚前面，且脚后跟着地的整个过程；双脚支撑阶段是两只脚都着地，移动脚脚后跟着地到前脚脚尖离开地面的整个过程和行走的初始状态．如图2所示．图2 中，1—2为单脚支撑阶段，2—3为双脚支撑阶段．人行走的整个过程就是交替地改变支撑脚，反复执行每个周期的过程．在文献［7，8］中，假定了双脚支撑阶段是1个瞬间的过程，但在我们实际的研究过程中发现，如果双脚支撑阶段的时间太短，很难保证机器人的CoG的稳定，而另一方面，如果双足支撑阶段的时间太长，会影响了机器人的行走速度．本文中假定在 1个行走周期Tc内，双足支撑阶段的行走时间为Td及每一步步长为D。，以此来规划双足支撑阶段的轨迹．如图2，图3 所示．

在图4中给出了行走机器人的模型和相关的一些参数，点（jcf，zf）为FOOT的行走轨迹的点在坐标系中的坐标，描述了机器人行走过程中z方向和z方向上的运动特征．点（矾， Zh）是机器人的HIP行走轨迹的一点在坐标系中的坐标．在 计算出脚和HIP的行走轨迹后，通过坐标变换就可以求出KNEE的行走轨迹．