（机械工程专业论文）基于虚拟样机的双足步行机器人步态研究.pdf

- - 暑量曼曼曼詈皇量皇曼皇皇曼! 詈詈暑鼍詈皇皇! 詈詈詈詈詈詈量皇! 曼曼! ! 曼皇曼皇皇皇烹曼曼! 曼曼曼詈皇量曼皇詈皇皇曼曼曼曼皇曼曼詈暑i 。 ， 一 l | 1 1 111 11 1 11 111 1i i iii ii ：y 17 8 8 6 0 8 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：塑塑日期：垄：至：么 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：坠墨 导师签名： 摘要 摘要 机器人的研究一直是个热门课题，它集中了多种学科的最新科研成果，代 表了机电一体化的最高成就，是目前科技发展最活跃的领域之一。能够为小型 双足机器人的研究提供一些理论依据，同时在此基础上能够阐述机器人的步行 机理，为进一步设计自主的智能双足机器人积累经验。 本文回顾并总结了仿人机器人的研究历史和发展现状，对国内外各主要研 究机构设计的仿人机器人进行了简单的介绍。在机器人设计结构上，从解剖学 角度阐述拟人机器人下肢的联接形式，论述了机器人腿部的自由度配置，提出 了机器人下肢设计方案，并据此建立描述机器人运动的三维模型图，同时给出 了设计参数。 其次通过仿生学对人类行走特点的研究，给出了机器人姿态规划的控制流 程，分析给出了机器人在行走时的质心轨迹，并对机器人个关节位置进行了运 动学分析。 结合基于位姿的步态研究方法，介绍了三步规划法的基本思想与控制流程。 同时根据上面提及的人类行走特征的研究，建立了运动学模型。通过分相计算 得到了机器人行走步态所需的数学方程。通过m a t l a b 求解并得到仿真图。 最后，利用前面建立的机器人三维模型与控制其运动的数学方程，通过 a d a m s 软件的运动学仿真模块，对模型加载驱动与约束，并导入从m a t l a b 中得到的步行参数，同时引入了两个模型，以验证运动学计算结果的可行性与 步态规划的有效性。 关键词双足机器人；机构设计；a d a m s ；联合仿真 北京工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t r o b o th a sb e e nah o tt o p i c ，i tf o c u s e so nt h el a t e s ta c h i e v e m e n t si nv a r i o u s d i s c i p l i n e s ，r e p r e s e n t s t h e h i g h e s ta c h i e v e m e n t so fm e c h a n i c a la n de l e c t r i c a l i n t e g r a t i o n ，t e c h n o l o g i c a ld e v e l o p m e n ti so n eo ft h em o s ta c t i v ea r e a s a b l ef o r s m a l lb i p e dr o b o tt op r o v i d es o m et h e o r e t i c a lb a s i sa n do nt h i sb a s i st oe x p l a i nt h e m e c h a n i s mo fw a l k i n gr o b o tf o rt h ed e s i g no fi n t e l l i g e n ta u t o n o m o u sb i p e dr o b o tt o a c c u m u l a t ee x p e r i e n c e 砸sp a p e l r e v i e w sa n ds u m m a r i z e st h eh i s t o r yo fh u m a n o i dr o b o tr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n ts t a t u s ，m a j o rr e s e a r c hi n s t i t u t i o n sa th o m ea n da b r o a dh u m a n o i dr o b o t d e s i g n e db yab r i e fi n t r o d u c t i o n i nt h er o b o td e s i g ns t r u c t u r e ，d e s c r i b e df r o mt h e a n a t o m i c a lp o i n to f v i e wo fl o w e re x t r e m i t yj o i n t sh u m a n o i dr o b o tf o r m ，d i s c u s s e s t h ef r e e d o mo ft h er o b o tl e gc o n f i g u r a t i o n , m a k ear o b o tl e gd e s i g n ，a n dt oe s t a b l i s h t h et h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e ld e s c r i b i n gt h er o b o tm o v e m e n tc h a r t , p r o v i d e st h e d e s i g np a r a m e t e r s s e c o n d l y , t h r o u g hb i o n i c ss t u d yo ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fh u m a nw a l k i n g ，g i v e nt h er o b o t p o s ep l a n n i n gc o n t r o lf l o wa n a l y s i sg i v e st h er o b o tc e n t e ro fm a s sd u r i n gw a l k i n gt r a c k ，a n dt h e p o s i t i o no f t h er o b o t j o i n t sk i n e m a t i c s a n a l y s i s c o m b i n e dw i t ht h ep o s eo fg a i tb a s e do nr e s e a r c hm e t h o & ，i n t r o d u c e dt h eb a s i ci d e ao f t h r e e - s t e pp l a n n i n gm e t h o da n dc o n t r o lf l o w a tt h es a m et i m eu n d e rt h ea b o v em e n t i o n e d c h a r a c t e r i s t i c so fh u m a nw a l k i n g , ak i n e m a t i c sm o d e l c a l c u l a t e db yp h a s es e p a r a t i o nr e q u i r e d f o rt h er o b o tw a l k i n gg a i tm a t h e m a t i c a le q u a t i o n s s i m u l a t i o nb ym a t l a bt os o l v ea n dg e t m a p f i n a l l y , t h ee s t a b l i s h m e n to f t h er o b o ti nf r o n to ft h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l sa n d m a t h e m a t i c a le q u a t i o n st oc o n t r o li t sm o v e m e n tt h r o u g ht h ea d a m ss o f t w a r e , k i n e m a t i c ss i m u l a t i o nm o d u l e , l o a dt h ed r i v e r sa n dc o n s t r a i n t s0 1 1t h em o d e l 。a n d i m p o r tf r o mt h em a t l a bb e e nw a l k i n gp a r a m e t e r s ，w h i l et h ei n t r o d u c t i o no ft w o m o d e lt ov e r i f yt h er e s u l t so ft h ef e a s i b i l i t yo fk i n e m a t i c s g a i tp l a n n i n ga n d e f f e c t i v e n e s s k e yw o r d sb i p e dr o b o t ；m e c h a n i s md e s i g n ；a d a m s ；j o i n ts i m u l a t i o n 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论l 1 1 引言。l 1 2 课题背景1 1 3 国内外研究现状2 1 3 1 国外研究现状2 1 3 2 国内研究现状4 1 4 课题的研究意义与目的5 1 4 1 课题的主要目的5 1 4 2 课题的研究意义5 1 5 课题的主要研究内容6 第2 章双足机器人自由度配置7 2 1 引言7 2 2 人体下肢关节的运动7 2 3 机器人下肢自由度配置8 2 4 机器人自由度配置方案8 2 5 机器人三维模型。9 2 6 本章小结1 l 第3 章双足机器人步姿规划l3 3 1 引言l3 3 2 双足机器人步行周期1 3 3 2 1 与步行有关的概念1 3 3 2 2 机器人的步行周期1 3 3 3 机器人步行研究方法1 4 3 4 机器人质心运动轨迹15 3 5 姿态规划1 6 3 6 运动学分析17 3 7 本章小结19 第4 章双足机器人控制算法2 1 4 1 弓l 言：21 4 2 三步规划法原理2 l 4 3 前向方程求解2 4 4 5 侧向运动方程2 8 4 5 1 质心运动方程2 8 i i i 北京工业大学硕士学位论文 4 5 2 侧向关节角2 9 4 6m a t l a b 仿真3 0 4 7 本章小结3 2 第5 章双足机器人步行仿真3 3 5 1 引言3 3 5 2a d a m s 建模仿真理论3 3 5 3a d a m s 运动学分析3 4 5 3 1 运动学方程建立。3 4 5 3 2 运动学方程求解3 4 5 3 3 求解器算法介绍3 5 5 4 模型介绍3 5 5 5 模型建立3 7 5 6 约束与力3 8 5 7 虚拟样机直线行走仿真3 9 5 8 本章小结4 6 第6 章双足机器人仿真曲线分析4 9 6 i 各杆件质心轨迹4 9 6 2 虚拟样机质心曲线5 0 6 3 各杆件质心曲线：5 l 6 4 模型二质心曲线5 3 5 4 本章小结。5 4 结论与展望5 5 中外文参考文献5 7 攻读硕士期间发表的学术论文6 l 致谢：6 3 附录：5 5 i v 第2 章双足机器人自由度配置 第l 章绪论 1 1 引言 从近代发展来的机器人学是一门结合了多学科的最新研究成果。它标志着 机电一体化的最高成就。 两足机器人它独特的适应性与拟人性，成为了这个领域的不少学者的追求 对象。在短短的四十年里，它以固定式机器人，移动式机器人和履带式机器人 多种类型，迅速发展壮大。但是就履带式和移动式机器人来讲，他们并不适合 人类的行走要求与生活环境，这就营运而出了双足式机器人。同其他的机器人 相比，双足机器人它有着不可替代的优势，先不讨论它的自适应性和强大的逾 越障碍的能力，单从盲区小，移动性强就是其他机器人无法相比的。但是双足 机器人也是工程上少有的高阶、非线性系统。这也构成了机器人项目具有挑战 性的意义。 而为了能使机器人行走稳定、快速，因此腿部的研究成了这门学科的热门 话题。从最在的日本著名的机器人学专家加藤一郎教授到现在涌现出德尔学多 等不同的步行机器人研究机构。这给机器人的步行技术带来了很大的发展契机， 并且可以模拟人类的机器人也在一点点变化中不断完善。做的比较突出的是本 田公司的推出的a s i m o 机器人。无论在体积上和质量上都取得了突破性的进 展，虽然在功能上还不是很完美，但也基本上具备了模仿人类特征的运动特性。 1 2 课题背景 2 1 世纪来说，机器人领域面临着从产业到面向生活用品的转变中，从社会 福利上来说，能够帮助老人解决生活问题，代替护士照顾病人、在危险的区域 代替人类的工作等等。伴随着家庭机器人需求的不断出现，将来会是一个很有 发展前景的领域。双足机器人的优势主要有一下几点：首先，对于复杂的路况 来说，双足机器人能够在狭小与复杂的路况条件下完成设计任务。其次，通过 现在所倡导的节能减排，可以设计出独立环保的能源装置来。而且机器人相对 于轮式与履带式它更具有低功耗的特点。最后将其配置上高自由度的机器臂， 它能够接替其人类的工作，帮助人类去作重复性的工作，将剩下来的宝贵时间 留给人类创造。 双足机器人的灵活性上有很大的优势，但是令其保持稳定就不是件容易的 事情。若想让机器人按照我们的规划要求来实现合理的不行动作，进必须要进 行规划，即在保证步行环境中稳定性行走的前提下，将机器人行走过程中所需 要的参数和各组约束条件数学化，根据行走要求与稳定性条件来确定机器人运 动的轨迹。目前来讲有两种方法，一种是基于仿生学原理，另一种是基于z m p 控制理论。仿生学是主要分析人类的行走特性来设计机器人的步行参数。而基 北京工业大学硕士学位论文 于z m p 稳定控制原理是研究被控对象的运动学特性。 因此面对一个高阶、非线性、强耦合性以及非完整约束的多自由度复杂系 统，给运动学、动力学以及控制理论研究提供了理想平台的同时也对现有的理 论提出了挑战，并为它们提供了发展的契机。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国外研究现状 1 ) 韩国小型仿人机器人的研究现状 韩国于2 0 0 4 年3 月8 日向外界 展示了由他们自主研发的新型家庭 网络智能型机器人，并宣布将从6 月 起正式将这种机器人推向市场，为顾 客提供商业服务。该机器人带有监视 器和传感器的机器人将2 4 小时监视 顾客家中的情况，并把屋内发生的火 灾和天然气泄漏全部记录下来。在此 以前，家庭网络服务只能通过固定在 室内的监视器和传感器来传送固定 而有限空间的情况，而智能型机器人 能够随时前往各个房间，把家里情况 及时反馈给主人，使主人安心地在外 工作。 图1 4 h u g o 机器人 f i g 1 - 4r o b o th u g o 韩国科学技术院于2 0 0 4 年1 2 月2 2 日宣布，韩国成功开发出新型智能机器 人图1 - 4 韩国的机器人“h u b o ，其技术水平仅次于处于世界领先地位的日本 智能机器人。它身高1 2 5 厘米，体重5 5 公斤，步幅超过3 0 厘米，每小时可步 行1 2 公里。它能识别和合成声音，两只眼睛能转动并具有良好的视觉功能。 它的4 1 个关节能轻柔地转动，5 个手指能单独活动，能与人握手，会玩“石头、 剪刀、布 游戏，还会跳布鲁斯舞。 另外，l g 集团制定了l g 电子计划，最快从2 0 0 4 年9 月开始，把家庭用清 扫机器人r o b o k i n g 送到订购家庭。l g 电子在3 月份首次公开r o b o k i n g 后，从4 月开始通过网上接受了预订。r o b o k i n g 能够达到充电一次，就可以 在房间来回清扫，并避开障碍物的功能。 2 ) 日本小型仿人机器人的研究现状 2 第2 章双足机器人自由度配置 本田公司p 4 j 从19 8 6 年至19 9 3 年先后研制了e 系列( e x p e r i m e n t a lm o d e l ) 试验样机e 0 e 6 ，19 9 3 年至19 9 7 年进行完全自主型仿人形机器人原型样机的 研究，研制了p 系列( p r o t o t y p em o d e l ) 的样机p l ，p 2 和p 3 。1 9 9 6 年1 2 月公开展 示世界上第一台自主型仿人形机器人p 2 ，高1 8 2 0 m m ，重2 1 0 k g ，3 0 个自由度， 自带电源，无线遥控，彻底摆脱外接引线，实现速度达3 k m h 的动态行走，能 够上下楼梯和推运物体等，p 2 双足机器人通过重力传感器以及足底的接触力传 感器将双足机器人和地面接触的信息传给控制芯片，再根据情况进行判断，进 而平衡身体稳步前进。1 9 9 7 年推出的在重量和高度上较p 2 有所降低的p 3 双足 机器人，并采用了新型的镁合金材料。2 0 0 0 年1 1 月日本本田公司又推出了新 型双足步行机器人a s i m o ( 图1 2 ) ，a s i m o 拥有3 4 个自由度，是目前最先进 的双足机器人。a s i m o 身高1 2 米，体重5 2 公斤。它的行走速度是0 - 6 k m h ， 行走平稳，增加了语音识别功能，具有听说看的能力，可实时识别人的姿态与 运动，并能够进行双方的互动。由于采用了新开发的双足步行技术，具有预测 运动控制功能，可以更加自由地步行，步行动作也更为连续流畅，并能完成跑 步，转弯，上楼梯等多种复杂情况下的步行动作。 图1 - 2 a s i m o图l - 3s d r 一3 x f i g 1 - 2a s i m of i g 1 3s d r 0 3 x s o n y 公司在2 0 0 0 年l o 月首次展示了4 个仿人形机器人s d r 3 x ( s d r 为 s o n yd r e a mr o b o t 简称) ，该机器人共有2 4 个自由度，能够像人那样前后行走、 转身、起立、单脚支撑，能够踢球和跳舞，并且基本实现了产品化。s o n y 在2 0 0 2 年又展示了s d r - 4 x ，共有3 8 个自由度，实现了实时统一适应控制、不平整斜 北京工业大学硕士学位论文 坡步行、外力搅动下的姿态保持。2 0 0 3 年9 月，s o n y 再推出q r i o 5 , 6 】仿人形机 器人( 图1 3 ) ，能够与人进行动作、语言交互，由于采用了将电机和控制电路 一体化的智能驱动器以及机器人空中姿势的控制算法，使机器人动作更为流畅、 自然。 3 ) 欧洲小型仿人机器人研究现状 法国在本田推出p 2 以后，启动了b i p 计划( 欧洲2 0 0 0 机器人计划) ，其核 心目的是建立一套能够适应未知外界条件的仿人机器人系统，按照其规划，可 以使仿人机器人实现站立、行走、爬坡和上下楼梯等，其样机已经在2 0 0 0 年4 月推出。 英国于1 9 9 8 年启动的s h a d o w 计划则从完全拟人化的方向出发，没有采用 关节驱动的方式，而是采用模拟人肌肉收缩的气动驱动，其驱动分布完全模拟 人的肌肉分布。现在的最新目标是“l a r d ys a lf o r d 机器人计划。 此外，德国、俄罗斯和意大利等国也在机器人的研究方面取得了很大的进 步。尤其是德国，提出了以后要向高级的、带感觉的智能型机器人转移的目标。 经过近十年的努力，其智能机器人的研究和应用方面在世界上处于公认的领先 地位。 1 3 2 国内研究现状 相比国外而言，我国对双足机器人从8 0 年代中期才开始研究。国防科技大 学从1 9 8 8 1 9 9 5 年，先后研制成功平面六自由度双足机器人k d w - i ，空间运动 型k d w - i i 和k d w - i i i 。k d w - i i i 下肢有1 2 个自由度；最大步距为4 0 厘米， 步速为4 秒步；可实现前进后退和上厂f 台阶的静动态步行和转弯运动。2 0 0 0 年1 1 月2 9 日，又研制出我国第一台类人型双足步行机器人“先行者，高1 4 米，重2 0 千克，可实现前进后退、左右侧行、左右转弯和手臂前后摆动等各 种基本步态，行走频率每秒两步，能平地静态步行和动态步行。 第2 章双足机器人自由度配置 图1 - 4h 1 t - i图l - 5b r h - 0 1 f i g 1 - 4h i t - i f i g 1 - 5b r h - 0 1 哈尔滨工业大学【7 ，8 】从1 9 8 5 - - 2 0 0 0 年开始研制双足步行机器人：h i t - i ( 图 1 - 4 ) 、h i t - i i 和h i t - i i i ，h i t - i i i 实现了步距2 0 0 毫米的静态动态步行，最快步 行周期为3 2 - - , 4 秒步，能够完成前厂后、侧行、转弯、上下台阶及上斜坡等动作。 北京理工大学例于2 0 0 2 年1 2 月研制出仿人机器人b r h 0 1 ( 图1 5 ) 。高 1 6 米，重8 0 千克，具有3 2 个自由度，步速l 千米小时，步距3 3 厘米；能根 据自身的平衡状态和地面高度变化，实现未知路面的稳定行走。 清华大学【l o 2 0 0 2 年4 月9 日研制双足机器人t h b i p i 样机。t h b i p i 有3 2 个自由度，采用独特传动结构，成功实现无缆连续稳定的平地行走和上下台阶。 1 4 课题的研究意义与目的 1 4 1 课题的主要目的 研究双足步行机器人的原因和目的，主要有以下几个方面：在目前人类的 活动领域里，尽快掌握机器人的性质特质并让其为人类服务。比如像在危险的 工作环境下的劳动，辐射性强的特殊工种等；另外，双足步行机器人还可以作 为一种智能机器人在人工智能中发挥重要的作用。 1 4 2 课题的研究意义 端机器人在正如前面所说的，双足机器人的独特优越性现在已是展露无疑 了。伴随着高科技的发展，对于双足系统的研究工作也渐渐的深入与细致，这 些对于机器人运动学与动力学求解都是非常有意义的，并不像从前在求解逆问 题时还是需要大量的人工计算在里面。由于步行机器人牵扯到多各学科，所以 其研制工作仍是处于发展阶段，距离真正意义上的智能机器人还是有一段距离 北京工业大学硕士学位论文 的。包括现在由s o n y 与本田两大公司生产的尖内。 1 5 课题的主要研究内容 本课题的研究任务是：认真做好双足步行机器人资料搜集和整理工作，掌 握国内外研究现状及发展趋势；构建起双足步行机器人总体研究框架，为后续 研究奠定基础；做好双足步行机器人基础性研究工作，包括运动学建模、步态 规划、控制方案设计等。主要包括以下四部分内容： 1 ) 从解剖学角度阐述拟人机器人下肢的联接形式，论述了机器人腿部的自 由度配置，提出了机器人下肢设计方案，并据此建立描述机器人运动的三维模 型图，同时给出了设计参数。 2 ) 通过仿生学对人类行走特点的研究，给出了机器人姿态规划的控制流程， 分析给出了机器人在行走时的质心轨迹，并对机器人个关节位置进行了运动学 分析。 3 ) 结合基于位姿的步态研究方法，介绍了三步规划法的基本思想与控制流 程。同时根据上面提及的人类行走特征的研究，建立了运动学模型。通过分相 计算得到了机器人行走步态所需的数学方程。通过m a t l a b 求解运动方程。 4 ) 利用前面建立的机器人三维模型与控制其运动的数学方程，通过 a d a m s 软件的运动学仿真模块，对模型加载驱动与约束，为了得到真实的结 果引入两个模型，导入从m a t l a b 中得到的步行参数，进行三维模型验证。 6 第2 章双足机器人自由度配置 第2 章双足机器人自由度配置 2 1 引言 一个机器人的自由度如何确定与分配，对于机器人的设计而言，它具有十 分重要的科学研究意义与价值。从机器人自身的系统考虑，设计难度大，开发 难度大、经济效益不高。我们在研究机器人的设计时，应该能够满足它最基本 的要求。在此基础上能够找到一个成本相对较低的设计方案。行走的平稳性好、 故障率低、结构尽可能简单、便于维护与保养。也因此在成本控制的范围内， 尽可能使用统一材料，设计出研发速度快的机器人。 2 2 人体下肢关节的运动 从解剖学的角度看，人体是由骨连接、骨和骨骼肌组成，这些约占到了人 比总重量的6 0 ，构成坚硬的人体支架。在运动中，骨骼肌是运动的动力器官， 骨起杠杆作用，关节是运动的枢纽。 相对于上肢骨来说，下肢骨一般较粗大，下肢骨分为下肢带骨和自由下肢 骨。下肢带骨即髓骨1 块，自由下肢骨包括股骨、骸骨、胫骨、胖骨各l 块， 跗骨7 块，拓骨5 块和趾骨1 4 块，每侧3 l 块，共6 2 块。 脚庶窍 图2 - 1 人体下肢关节运动 f i g 2 - 1t h ea r t i c u l a t i o nm o v e m e n to f h u m a nl o w e rl i m b s 下肢骨的连接主要有骨盘、髋关节、膝关节和足关节等下肢的关节运动见 图2 1 。因下肢的功能主要为行走、支撑，故下肢骨的连接比上肢骨复杂而牢固。 1 ) 髋关节 运动形式：髋关节为多轴性关节，可做屈、伸、收、展、旋内、外旋和环 转运动，运动幅度较肩关节小，但其稳固性较大。可以看作球副联接 2 ) 膝关节是人体最大，结构最复杂的关节。 运动形式：膝关节主要做屈、伸运动，在膝关节半屈位时，可做小幅度的 旋转运动。因此它是单轴联接，即铰链联接。 3 ) 距小腿关节：又称为踝关节 7 北京- t 业大学硕士学位论文 运动形式：踝关节是小腿关节，该关节有胫骨的下关节面、内踝关节面和 腓骨的外踝关节共同形成叉状关节窝，可作屈伸、旋转和侧方运动。可以把其 一。看作是万向铰链联接： 2 3 机器人下肢自由度配置 机器人已经具备对人类自身的模仿，但是从目前的科学的角度来讲，要控 制一个有4 0 0 个变量输入、输出的系统是步态可能的。所以一般情况下，考虑 机器人移动特性是设计机械时的主要参照依据。 截止目前为止不同领域的研究人员对双足机器人的自由度作了不同的配 置。例如：有只能够动态行走的3 自由度机器人，有只能静态行走的4 自由度 机器人。更有具有1 2 个自由的多功能机器人，他们的行走跟接近人类的姿态。 原则就是对机器人的不同要求，来改变配置不同的自由度。 郑元芳博士幻已经从仿生学的对机器人腿部的自由度进行论述，他提出在 关节扭矩最小的条件下，机器人的髋部与踝部都应该各设两个自由度。能够让 机器人在地面上站立而不倒地。在此基础上髋与踝分别加入一个扭转与旋转自 由度。机器人就能够在不规则地面上前行。( 髋关节3 个，膝关节1 个，踝关节 3 个) 。 细细看来，两足机器人的研究机构一般都选择是6 x 2 个自由度。( 髋关节3 个，膝关节1 个，踝关节2 个) 从人体下肢的结构考虑，髋属于球状关节；膝只 能用在单方向屈伸运动上；踝处于万能关节的作用。不仅能摆动，还能小 角度的转动。但是1 2 个自由度的机器人是属于动态行走机器人。他能够做很多 复杂得动作：上楼梯，转身、走斜坡甚至是跑步。考虑到本文仅仅实现直线行 走，决定把髋关节配置2 个自由度，包括俯仰和偏转自由度，膝关节配置1 个 俯仰自由度，踝关节配置有俯仰和偏转2 个自由度。 2 4 机器人自由度配置方案 虽然我们人自身的五脏六腑全部长在上半身，但是对于协调运动而言全部 依靠下肢实现。对机器人来说也是一样。尽管上体的运动可以从某种程度上来 协助稳定行走，但是对于两足稳定性而言还是主要依靠下肢行走机构，因为他 们都有自己的任务，自身的特点是不能被忽略。将上肢与上体简化为连杆，这 时可以有针对性的对下肢进行研究，为了顺利的对机器人进行建模，我们先着 重讨论下肢的自由度配置。 在方案1 中，髋部的自由度设计使机器人大腿在作前踢与侧展时很流畅， 整体的自由度处理较为合理，但在实际建模时，结构过于复杂，而且在机器人 侧身时有可能发生碰撞，不利于小型机器人的开发研制。方案2 看上去虽然和 方案1 没有什么大的区别，但重要的是它调整了髋部的侧摆自由度，这样在侧 第2 章双足机器人自由度配置 身运动时会发生碰撞的现象。方案3 的设计较为合理。所有自由度呈直线排列， 展腿与侧腿上不会出现难看的折叠现象。并且髋部的自由度是相互垂直的，设 计在一起显示更为简洁；夕f 观上更好看：一方案虿 的腿长设计比上两个方案要合 理。步行动作时外观更好看。三个前向运动关节串联布置，省去了繁琐的设计。 其个结构简图见图2 - 2 图2 - 2 机器人自由反模型 f i g 2 - 2r o b o td o f m o d e l 拟人型机器人在运动时，如腿部某一个自由度变动，要求其他要调整的关 节越少越好。方案l 和2 中，若机器人是站直的情况，侧摆的动作很容易实现， 但方案2 调整的角度过大会使机器人失去平衡。三个方案的腿部的关节都能实 现摆动，但方案1 和2 腿部髋和踝关节变化很不协调，而方案3 的腿部关节排 列错落有致、简约明了，三个前向关节间和两个侧向关节间呈直线排列，单从 侧摆与前摆来看，方案1 和2 各关节更是呈麻花状，姿态较为难看。方案3 更 为适合本课题。 2 5 机器人三维模型 图2 3 为双足机器人的整体结构图，主要由两条大腿、两条小腿、两支脚 组成，结构尺寸按照上文仿生分析所得，共有1 0 自由度，按照仿生原理确定每 条腿的髋为2 ，膝关节为1 个，踝节为2 个。为实现模拟人步态运动，在关节 的结构设计上采用了模拟人的关节结构功能和外型，设计了二自由度的并联机 构作为十字交叉的二自由度关节结构，并用于二自由度的踝关节和两个方向转 动的髋节，还设计了单自由度转动平面连杆机构，并用于膝关节运动，这样在 保证机器人能够站立的最小配置上结构与功能的完整性，达到从外型和功能上 的基本拟人。 9 北京工业大学硕士学位论文 图2 3 双足机器人总体结构图 f i g 2 3e n t i r e t yo f b i p e dr o b o tc o n s t r u c t i o n 在机构杆件的比例关系上，参考前面介绍的人的骨骼比例。关于双足机器 人的各部分躯干的尺寸比例也有一定的研究，确定了脚、小腿，大腿，上身的 尺寸比例为0 3 5 ：l ：l ：1 2 5 。【1 4 具体尺寸如表2 1 所示： 表2 - 1 仿人机器人结构参数 名称关节自由度 长度 躯干无无 9 5 r a m 大腿髋关节 2 d o f6 0 m m 小腿 膝关节 l d o f6 0 m m 脚踝关节 2 d o f2 3 m m 图2 - 4 机器人部件尺寸 f i g 2 - 4t h es i z eo f r o b o tp a r t 1 0 第2 章双足机器人自由度配置 2 6 本章小结 本章是从人体解趔学上研究了常人形体机构特征，说明了人体的主要运动 关节，以及它们在运动中各自的功能与形式。介绍了小型双足人形机器人的自 由度配置原则，即以较少关节实现较多的动作为原则，为机器人配置1 0 个自由 度的下肢设计方案，其中机器人的下肢设定为每条腿5 个自由度，髋关节2 个， 膝关节1 个，踝关节2 个。并给出了相对应的结构尺寸。 北京工业大学硕士学位论文 1 2 第3 章双足机器人步姿规划 第3 章双足机器人步姿规划 3 1 引言一 机器人稳定步行的关键是进行合理的步态规划。双足机器人的步态规划是 指在保证步行稳定的前提下根据自身所处的环境和步态参数要求，来确定步行 系统各关节在空间上的一种关联关系。换句话说在给定了机器人的行走姿态前 提下，能够求出机器人的各个关节角度随时间变化而变化。 对于步行机器人而言，它的步态可以分为动态步行和静态步行。静态步行 就是指机器人的步行速度十分缓慢，因而它的各个关节移动速度在这种情况下 也十分缓慢，因此把这种情况看成是静态步行。相对而言，动态步行是满足在 各时刻内所受重力与惯性力的合理延长线都能通过其支撑区域。利用力学原理， 静态平衡是指重心落在投影面里，对于动态而言就不单单是这样了。同时他们 的关系也能从表述中得出，静态步行是动态步行的前提与条件。如果连站都不 稳，怎么能实现快速步行l 在机器人缓慢步行中，机器人的步行姿态的规划是一项不可忽视的工作。 在运动学模型中，适当的约束机器人重一f i , 与水平位置，就能够保证静平衡条件 而不必刻意去验证机器人的稳定性。 3 2 双足机器人步行周期 3 2 1 与步行有关的概念 为了便于以后的讨论，对本文涉及到的概念作如下说明【1 5 1 ： 1 ) 步长：步行时一脚落地到另一脚落地点之间的距离。 2 ) 步行周期：摆动腿完成一步所经历的时间。包括一个摆动周期和一个支 撑周期。 3 ) 摆动周期：在一个步行周期中，下肢离开地面在空中摆荡并前进。 4 ) 支撑周期：在一个步行周期中，下端肢体与地面接触，承受地面反力并 具有稳定身体的作用时间。同时支撑周期分为单脚支撑与双脚支撑之分。 5 ) 有效稳定支撑域：机器人双足行走系统在受到一定外扰后仍然能够保持 稳定步行的点集。 3 2 2 机器人的步行周期 对于一个完整的步行过程是要包含起步、快速改变重心、周期性运动、快 速调整重心、停止这五个阶段。一个步行周期里还包括了单脚行走周期与双脚 支撑周期。左腿的行走周期加上右腿的行走周期就是一个完整的步行周期。如 图3 1 所示，正因为如此，对于周期性的运动只需要讨论其中一个周期里的动 图3 - 1 周期性运动示意图 f i g 3 1ap e r i o do f w a l k i n g 总结起来在双足机器人行走的过程可以分为三个阶段：起始、周期运动和 终止。这三个阶段各不相同，但是又有着紧密的联系，起步之后接着就是周期 步行，周期步行之后是停步，因此周期步行的轨迹是具有周期重复性。 3 3 机器人步行研究方法 合适的步行姿态是机器人连续运动的基础。对于步姿的研究和步态虽然有 一定联系但侧重于对姿态的考虑。历年来主要研究方法有：基于仿生的运动规 划、根据机器人姿态的运动约束确定轨迹、根据理想轨迹确定各关节运动轨迹。 1 ) 基于仿生的运动规划 机器人和人类一直有着很多的共性，而且步姿的设计也借鉴了人类及双足 动物的行走特征。但是终究是模仿人类的机器人与自然界的双足系统存在这很 大的差异。这些差异也局限了通过采集仿生运动的特征是不适合直接用在机器 人上的。当前的研究机构主要是针对人类行走的数据进行修改，之后将修改后 的特征变量用于人形机器人的研究里。( h m c d ：h u m a nm o t i o nc a p t u r ed a t a ) 本田公司研制的机器人，就是在分析了行走后机器人各关节的姿态在时间上的 相互抑制与相互协调的规律而进行的。【1 6 1 刀而且对于从h m c d 中获得仿人形 机器人的运动方法是：首先利用影像采集系统获取人类行走的h m c d 数据。其 次，对这些数据进行处理设计理想的轨迹。最后，对关节进行修正，让他们能 够匹配。 2 ) 根据理想轨迹确定各关节运动轨迹 对于这种方法是根据机器人所处的环境条件预先设定好步行的参数与姿 态，在满足稳定性的前提下求出步行过程关节的运动轨迹。前面也提过了，机 1 4 第3 章双足机器人步姿规划 器人在行走时周期性很强，因此在前向步姿规划上，可以将各个杆件坐标系定 义成质点的刚性杆，这样在求解逆运动学的问题也会变的很简单。简而言之， 设计出双脚与躯干的运动姿态，在行进的稳定裕范围内找出裕度最大的稳定点， 根据约束条件反复迭代获得稳定的步姿数据。 3 ) 根据机器人姿态的运动约束，确定期望的轨迹 此方法是将步姿设计的问题归纳为确定摆动杆件末端轨迹的问题。不妨把 机器人质心看成是一个倒立摆机构，摆动腿运动就可以由平滑的时间函数来表 示。对于加入了平衡块的机构，在规划好下肢姿态后就可以按照期望的轨迹确 定平衡块的运动规律。但是基于本课题研究的是基础工作，机构没有平衡块。 因此就考虑吧机器人看作一个整体，根据期望的运动轨迹规划出机器人重心运 动轨迹，在确定机器人行走姿态，反解出关节的参数。具体区别见表3 1 所示 表3 - 1 各方法比较 优点不足 方法一规划直观，易于操作运动学与动力学的特征与人类差 别大，不能直接应用在步态规划上 方法二规划简单、直观、不需要考虑动自身的环境适应性差，运动姿态设 力学问题、稳定性好计复杂 方法三规划简单、直观、不需要考虑动自身的环境适应性差 力学问题 在机器人步态规划的方法上主要是用于研究机器人行走而开发的基础性研 究平台。方法一的优缺点在表中说明的很清楚。方法二与方法三从z m p 角度讲 并无太大区别。方法二主要保证稳定的前提下，得到关节轨迹的。本课题主要 考虑的是在静态下机器人的步态规划，正如前面所说，静态下的稳定性分析不 作为主要研究内容。所以方法三通过确定重心轨迹来确定关节参数值得借鉴。 3 4 机器人质心运动轨迹 由于本课题设计的双足步行机器人以直线行走为目标，其特点是步行速度 低，故采用静态步行方式。事实上，当机器人步行速度较慢时，在静步态规划 时可以将完整的步行过程的五种步态简化为只包含起动步态、正常行走步态、 停止步态这三种的步行过程。而三个过程的关系是启动步行在先，之后是周期 性的步行运动，最后是完成了行走的止步动作。在周期性行走期间，机器人的 质心轨迹如图3 - 2 所示。 北京工业大学硕士学位论文 图3 - 2 质心轨迹 f i g 3 - 2c e n t r o i dt r a j e c t o r y 由于双足机器人的运动链复杂，结构很复杂，对于步态规划十分困难。所 以借鉴刚才提及的步姿规划。借鉴于以往的步态规划方法：将机器人分期或者 分相规划，即将前向与侧向分开进行。也就是我们将侧摆与抬腿分开设计，侧 摆到位后保持住，然后摆动腿向前跨步，接着调整身体与地面垂直度。具体流 程如图3 3 所