Welcome-球速体育基于主支撑腿运动优化的仿人机器人快速步态规划算法

　　足右手转动 , 则转角 Η 为正 , 反之为负 ; Η 和 Ηι 的正 ι ι 负定义与 Η 的正负定义保持一致 . 用多刚体系统动 ι

　　质量块上均有与之固结的刚体坐标系来表示它的方 位和朝向 除支撑足质量块与地面保持静止 其他 个质量块的结体坐标系的原点都在仿人机器人的运 动关节上 如图 所示 { { { 状坐标轴分别为 Ξ! 和 Ζ 轴 , Ζ 轴是该自由度的转动轴 , Ξ 轴指向下一个 自由度 , 坐标系满足右手规则 ; 前后依次的两个坐标 系的原点相对位置不变 , 仅发生围绕各自 Ζ 轴的相 对旋转 .所有转角的初始状态都如图 所示 , 转动满

　　支撑腿的状态 最后通过深度优化得到一个步态循 环的完整步态 因此 规划出来的动态行走步态具有 两个特点 一是摆动足以一定速度落地并与地面发 生碰撞 二是

　　分析一个步长比较长 !步态周期比较短的动态 行走过程 当足跟离地双腿支撑期结束的时候 仿人 机器人的质心投影可能尚未移动到主支撑足的支撑 区域内 为了在后倾单腿支撑期内继续保持步行稳 定 需要在一些关节上实施突变的角加速度 把

　　的碰撞 整个步态产生于深度的优化过程 关键词 仿人机器人 步态规划 动态步态 碰撞 中图分类号

　　Φασ Ω αλ νγ Γ αι Πλ τ κι τ αννι Αλ ορι νγ γ τημ φ Η υμ ανοι Ρ οβοτσ ορ δ Βασ ον Ο πτι ι ον οφ τηε Μ αι Συππορτ Λεγ εδ μ ζατι ν

　　为了尽可能地减小 Η 和 Η 的变化值 , 一定程度上保 图 双腿支撑期内仿人机器人两足相对转动关系 证将来步态的稳定性 .

　　要 提出一种基于主支撑腿运动优化的快速步态规划算法 利用快速动态步行的特点 规划

　　适时地离开质心投影并始终停留在稳定的支撑区域内 规划过程中考虑了仿人机器人摆动足触地时

　　) . 则根据时间间隔 Τι 的定义 , 可以得到 : Α (Η ) ≤

　　述并不精确 需要大量实验进行调整 而在步态规划 的完备性方面 几乎所有的规划过程都忽略了机器 人摆动足触地时的碰撞 分析动态行走的过程 其区别于静态行走的地

　　本文提出一种新颖的动态步态规划算法 在定 量描述摆动足触地的碰撞过程的基础上 通过定量 分析机器人各关节转动对身体

　　各 关 节 转 动 对 Ζ Μ Π 位 置 的 影 响 ( Ινφλ υ2

　　ενχε οφ ϕ ντσ ροτατι ον Ζ Μ Π) οι π ον

　　仿人机器人为多刚体系统 , 并且认为机器人在 摆动足着地以后不会再弹起离地 , 发生的是完全非 弹性碰撞 .碰撞的过程中广义坐标值 (关节转角 )保 即关节角速度 )发生突变 . 持不变 ; 广义速度 (

　　的稳定 规划的结果经过仿真验证后将用于清华大 学自主研制的仿人机器人的实际行走中

　　下规划出一个碰撞 碰撞前后两足的相对速度相反 或者 规划机器人双足在该姿态下相对翻转速度为 零 但各关节角速度不都为零 但要考虑到 ⁄ 姿态下的即将成为主支撑腿的支撑腿上的关节角速 度要符合向下一个姿态运动的趋势 没有求得合适 的解 因此我们得到此姿态下机器人各关节角速度 均为零 其式为

　　下机器人摆动足触地时要发生碰撞 姿态 的角度保持不变 角速度要发生突变 此

　　下仿人机器人的双足与地面都保 姿态 ⁄ 持完整的接触 该姿态由一个两自由度的优化过程 来得到 优化的对象是踝关节前摆 Η 和膝关节前摆 Η . 因为主支撑腿的膝关节前摆 Η 对身体 ° 的影 响更大 , 这里不再使用髋关节前摆 Η 作为优化对象 . 该优化过程中仍然要设置几何约束 : 因为步态周期 的循环所致 , 此时机器人质心投影应在两髋投影的 中心 ; 机器人上身要始终保持平移 ; 保持直线行走 . 其式为 :

　　4 步态规划算法 (Γ αι πλ τ αννι αλ ορι νγ γ τημ )

　　完整的步态周期取 个关键姿态 主要因为目前 快速行走的步态并不需要跨越障碍等特殊功能 同 时简化优化的过程 如图 态 ⁄

　　β 说明机器人双足的夹角在该时刻下达到最大 值 如果速度没有发生突变 则机器人双足的相对翻 转速度在该姿态下的瞬间为零 曾经尝试在该姿态

　　迅速移动到稳定的支撑区域内 如图 所示 足跟离地双腿支撑期的稳定支撑 区域是 ΑΧ段 , 而后倾单腿支撑期的稳定支撑区域是

　　的稳定需要 步行过程出现这样的动态特点 需要步 长大于腿长的一半 !步态周期在 器人 ° !° 和

　　但在这些取得实际步行成功的例子中 仍然存 在着一定的问题 在步态规划的合理性方面 基于几 何约束的算法把静态步态 慢速步态 和动态步态 快速步态 用一个统一的过程来产生 ≈ 多情况下 得到的是一个如图 规划一 个稳定的步态需要不断调整步态规划参数 而在很 所示的不稳定的步 其模型描 态过程 而基于倒立摆模型的步态规划 ≈

　　人为地把一个完整的步态周期划分成 一个时间间隔变量 Τχοφ来控制这 足跟离地双腿支撑期 : Τ 后倾单腿支撑期 : Τ 前倾单腿支撑期 : Τ

　　Αβσ τραχτ: × ∏ π Κ ε

　　ω ορδ σ: ∏ ∏ × ° ⁄∏ °

　　步态规划算法是仿人机器人研究的关键技术之 一 在步态规划的研究中 基于几何约束的规划方法 应用得比较广泛 并且在规划步行速度不太快的场 合下取得了实际行走的成功

　　定行走的要求 计算在最容易失稳的单腿支撑期中 间姿态下进行 定量计算 可以预先确定步态规划的 某些参数 也可以为规划过程确定关节的权重

　　Ινφλ υενχε οφ ϕ ντσ ανγ υλ αχχελ οι π αρ ερατι ον Ζ Μ Π ον

　　(Ινσ τιτυτε οφ Μανυφ υρ αχτ ινγ Ενγ ινεερ ινγ, Δ επαρ μ εντ οφ Πρ ιον Ινσ υμ εντ ανδ Μεχηανολ

　　 Τσ ηυα Υνιϖ σ , Βειϕ τ εχισ τρ σ ογ , ινγ ερ ιτ

　　 ινγ

　　支撑腿 主支撑腿的运动学特性 转动角速度和角加 速度 对整个机器人的稳定性影响显著 主支撑腿在 姿态 ⁄ 下发生切换

　　角速度 分析该姿态下机器人双足的相对位置 可以 发现机器人双足在该姿态下 图 均完全与地面接 触 而这 个 姿 态 前 后 机 器 人 双 足 的 夹 角 都 小 于

　　Ινφ υενχε οφ ϕ ντσ ανγ υλ ϖελ τ

　　 ον Ζ Μ Π λ οι π αρ οχι

　　Τ # Στ επΔυρ ιον ατ Τ )# Στ επΔυρ ιον ατ Τ )# Στ επΔυρ ιον ατ Τ # Στ επΔυρ ιον ατ

　　足尖离地双腿支撑期 : Τ 态的时间间隔在时间上对称 . 设 Τ 可以从 . 变化到

　　质心投影进入稳定支撑区域 同时 其角速度仍然需 中顺时针 来保证仿人机器人的质 心投影可以继续保持向前移动 此过程中主支撑踝 前摆的角加速度突变 实际上是由角加速度的快速 改变等效来的 这样等效降低了后续优化的复杂程 度 由此 可以看出整个步态循环中的各个时间间隔 足跟离地双腿支撑期 !后倾单腿支撑期 !前倾单腿 支撑期和足尖离地双腿支撑期 为了保证