（机械设计及理论专业论文）robonova1型机器人的步态规划研究.pdf

r o b o n o v a 1 型机器人的步态规划研究机械设计及理论专业研究生王延飞指导教师朱维兵仿人机器人是最具代表性的先进智能机器人，其技术是当今机器人领域的研究前沿和热点方向之一。仿人机器人与轮式、爬行式和履带式等移动机器人相比，有着更好的环境适应性。步态规划是仿人机器人研究的关键技术之一，稳定自然的步行是仿人机器人区别于其它机器人的主要标志，也是其实现基本操作功能的基础。本文以r o b o n o v a 1 型小型仿人机器人为研究对象，对其进行步态规划的研究。介绍了r o b o n o v a 1 型仿人机器人的系统结构，包括尺寸、质量、自由度的配置等。对本文研究所用到的所有软件进行简单介绍，包括用于绘制r o b o n o v a 1 型机器人模型的三维绘图软件p r o e n g i n e e r 、用于三次样条插值的m a t l a b 软件、用于动力学仿真的机械系统动力学自动分析软件a d a m s 。对机器人结构进行简化，采用广义坐标方法分别建立机器人前向运动、侧向运动时的运动学模型。通过分析机器人的几何模型，得出机器人各个关节及杆件质心的位移、速度方程。通过求解运动学方程得到各关节的广义坐标。将关节的广义坐标转化并得到关节角轨迹。基于零力矩点( z m p ，z e r om o m e n tp o i n t ) 稳定判据，推导z m p 的计算公式及机器人稳定步行的条件。求得机器人前向运动和侧向运动时各关节的运动方程。根据机器人的几何模型，对机器人侧向运动时的侧扭角度进行规划。采用基于z m p 的动态步行运动规划方法对机器人的前向运动步态和侧向运动步态分别进行规划。根据机器人行走过程中的约束确定髋关节和西华大学硕十学位论文踝关节在运动过程中需经过的关键点，采用三次样条插值方法对关键点进行插值，得到髋关节和踝关节的平滑轨迹，最后根据运动学约束计算各关节运动轨迹。根据以上方法对机器人的下肢运动进行了规划，并在此基础上进行了仿真研究，仿真结果证明所采用的规划方法是可行而且有效的。关键词：仿人机器人；步态规划；前向运动；侧向运动；仿真西华大学硕士学位论文r e s e a r c ho ng a i tp l a n n i n go fr o b o n o v a - - 1r o b o tm a j o r ：m a c h i n ed e s i g na n dt h e o r yp o s t g r a du a t ew a n gy a n f e is u p e r v i s o rz h uw e i b i n gh u m a n o i dr o b o ti so n eo ft h em o s tr e p r e s e n t a t i v ei n t e l l i g e n tr o b o tt y p e s r e s e a r c hi nt h i sf i e l dh a sb e c o m et h eh o t s p o to fr o b o t i c st e c h n o l o g y b i p e dr o b o th a sm u c hb e t t e ra d a p t a t i o nt oe n v i r o n m e n ti nh u m a nl i v i n g - s p a c et h a nw h e e lt y p e ，c r a w lt y p ea n dp e d r a i lt y p em o b i l er o b o t s m o t i o np l a n n i n gi so n eo ft h ek e yt e c h n i q u e sf o rt h er e s e a r c ho fh u m a n o i dr o b o t ，s t a b l ea n dn a t u r a lw a l ki st h em a i ns i g nd i f f e r e n th u m a n o i dr o b o tf r o mo t h e rr o b o t s ，a n di ti st h eb a s ef o rr o b o t sr e a l i z ei t se s s e n t i a lm a n i p u l a t i o n t h i sp a p e rm a i n l yt a l k e da b o u tt h eg a i tp l a n n i n go fr o b o n o v a 1r o b o t i ti sak i n do fm i n i a t u r i z a t i o nh u m a n o i dr o b o t t h es t r u c t u r eo fr o b o n o v a - 1r o b o tw a si n t r o d u c e d i n t r o d u c e dt h es i z e ，m a s s ，a n df r e e d o mo ft h i sr o b o t a l ls o f t w a r eu s e di nt h i sp a p e rw a si n t r o d u c e d f o re x a m p l e ，p r c l 倒g i n e e rs o f t w a r ew h i c hw a su s e dt op l o tt h em o d e lo fr o b o t ；n l 町l a bs o f t w a r ew h i c hw a su s e dt or e c o n s t r u c tt h ep l a n n e dd a t ai n t os m o o t hc u r v e s ；a d a m ss o f t w a r ew h i c hw a su s e dt os i m u l a t e s i m p l i f i e dt h es t r u c t u r eo fr o b o ta n de s t a b l i s h e dt h es a g i t t a lm o t i o nm o d e la n dl a t e r a lm o t i o nm o d e lb ya d o p t i n gt h em e t h o do fg e n e r a l i z e dc o o r d i n a t e s a n a l y z e dt h em o d e lo fr o b o ta n dg o tt h ee q u a t i o no fd i s p l a c e m e n ta n dv e l o c i t yo fj o i n t s g o tt h eg e n e r a l i z e dc o o r d i n a t e so fj o i n t sb ys o l v i n gt h ek i n e m a t i c se q u a t i o n s g o tt h et r a j e c t o r i e so fj o i n ta n g l eb yg e n e r a l i z e dc o o r d i n a t e s e d u c e dt h ee x p r e s s i o n so fc o o r d i n a t eo fz m pf z e r om o m e n tp o i n t ) a n dc o n d i t i o nf o rs t e a d yw a l k i n gu s i n gt h ez m p 嬲ac r i t e r i o n g o tt h em o t i o ne q u a t i o n so fj o i n t si ns a g i t t a lm o t i o na n dl a t e r a lm o t i o n p l a nt h es i d ea n g l ei nl a t e r a lm o t i o na c c o r d i n gt ot h eg e o m e t r i cm o d e lo fr o b o t 1 i l两华大学硕十学位论文t h eg a i tp l a n n i n go fs a g i t t a lm o t i o na n dl a t e r a lm o t i o nh a sb e e nd i s c u s s e db ya d o p t i n gt h em e t h o do fm o t i o np l a n n i n go fd y n a m i cw a l k i n gb a s e do nz m p g o tt h ec o n s t r a i n t so ff o o td u r i n gw a l k i n ga n dt a k e nt h e ma sk e yp o i n t u s e dt h r e eo r d e rs p l i n ei n t e r p o l a t i o nf u n c t i o nt h r o u g hk e yp o i n tt og e tt h es m o o t ht r a j e c t o r i e so fh i pj o i n t sa n da n k l ej o i n t s f i n a l l y ，t h et r a j e c t o r i e so fj o i n ta n g l eh a v eb e e nc a l c u l a t e db yk i n e m a t i c se q u a t i o n w ep l a n n e dt h em o t i o no fl o w e rl i m b so fr o b o t s i m u l a t i o nh a sb e e nd o n ea c c o r d i n gt ot h i sm e t h o d t h es i m u l a t i o nr e s u l tp r o v e st h a tt h eg a i tp l a n n i n gm e t h o dw ea d o p ti sf e a s i b l ea n de f f e c t i v e k e yw o r d s ：h u m a n o i dr o b o t ；g a i tp l a n n i n g ；s a g i t t a lm o t i o n ；l a t e r a lm o t i o n ；s i m u l a t i o n西华大学硕十学位论文声明尸l 刃本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。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，也不包含为获得西华大学或其他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谢意。本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成果归西华大学所有，特此声明。6 7，lf_7月月加月伊妒两华大学硕+ 学位论文西华大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，西华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1 、保密口，在年解密后适用本授权书；2 、不保密瓯适用本授权书。( 请在以上口内划4 )学位论文作者签名：矽适召眺d 7 舌f 指导狮签名：来陌更日期：加7 - f西华大学硕士学位论文1 绪论1 1 引言近代机器人学是最近几十年新发展起来的一门综合性的学科，它集中了机械工程技术、电子工程技术、计算机工程技术、控制工程技术、仿生学以及人工智能等多种学科的最新研究成果。代表了机电一体化的最高成就，是二十世纪人类最伟大的成果之一。从某种意义上讲，一个国家机器人技术水平的高低，代表了一个国家制造业的水平和综合实力。机器人领域中的两足步行机器人，虽然才四十多年的历史，但是由于它独特的适应性和拟人性，吸引了世界各国科学家的浓厚兴趣，成为了机器人领域最为活跃的一部分。在机器人世界，以固定式工业机器人为主，少量的移动式机器人也是以轮式和履带式为主，但是由于这两种类型的机器人并不适合人类的生活环境，所以人们开始研制更适合人类生活环境的步行机器人，两足步行机器人具有其它机器人所不具有的优势，主要表现在：具有适应各种地面和较强的逾越障碍的能力，能够方便地上下台阶及通过不平整、不规则、较窄路面及松软地面，“盲区很小。但两足步行机器人是工程上少有的高阶、非线性、非完整约束、强耦合性的多自由度系统，也是机器人领域最具有挑战性的项目。从9 0 年代开始，两足机器人从一般性的拟人腿部行走上升到全方位的拟人，即仿人型机器人的研究。两足机器人是仿人型机器人研究的前奏。仿人型机器世界著名机器人学专家、日本早稻田大学的加藤一郎教授说过：“机器人应当具有的最大特征之一是步行功能”【1 】。而机器人技术自六十年代初问世以来，已取得很大的进步，出现了许多不同的步行机构和控制方法。研制具有人类外观特征、可模拟人类行走与基本操作功能的仿人型机器人，一直是人类的梦想之一。特别是日本本田公司推出的“a s i m o ”机器人在小型化和轻量化方面取得了突破【2 3 】，己初步具备了人类外形和确定环境中的行进与基本操作能力，尽管其在功能和性能上还不够完善，但它标志着仿人型机器人研制领域的国际领先水平。目前，小型仿人型机器人的研制已逐渐成为一种热潮。相对于传统的仿人型机器人，小型仿人型机器人具有体积小、成本低、便于研究和具有较强娱乐性等特点，受到了科研工作者和机器人爱好者的喜爱。许多公司1西华大学硕十学位论文针对家庭娱乐和教学研究开发了各具特色的小型仿人型机器人。小型仿人型机器人的出现，对于仿人机器人技术的进步和发展起到了推动作用。研究仿人型人机器人的科学意义主要在于：1 仿人型机器人的研究模型为控制理论应用及动力学问题的研究提供了广阔的天地。仿人型机器人是一个多变量，强耦合，非线性和变结构的复杂动力学系统，其变姿态结构的不稳定性及产生稳定步行运动所需要解决的动态平衡问题，对于控制理论及动力学问题的研究来说，具有很大挑战性。2 仿人型机器人作为步行机器人的一种形式，是提高机器人机动性和节省能源的一条重要途径。研究仿人型机器人的两足步行运动，揭示了两足类步行运动的机理及控制规律，研制一种连续稳定步行的仿人步行机器人，可为机器人操作提供灵活的操作平台，使其能够在恶劣的条件下工作。因此，仿人型机器人有着潜在的广阔应用前景。1 2 国内外仿人型机器人的研究现状1 2 1 国外仿人型机器人的研究现状两足机器人的研究虽然只有四十多年的历史，但研究工作进展迅速，各国很多学者正从事于这一领域的研究，如今已成为机器人技术领域的主要研究方向之一。在1 9 6 8 年，英国的m o s h e r r 试制了一台名为“r i g 的操纵型两足步行机器人 1 】，它只有踝关节和髋关节两个关节，操纵者靠力反馈感觉来保持机器平衡，这种主从式的机械装置可算是两足步行机构的雏形。而在有“机器人王国”之称的日本，在双足步行机器人研究领域处于绝对领先地位。日本早稻田大学的加藤- - f i g 教授于1 9 6 8 年率先展开了双足步行机器人的研制工作，并先后研制出w a p 系列样机 4 1 。1 9 6 9 年研制出“w 岬一1 平面自由度步行机器人，该机器人具有六个自由度，每条腿有髋、膝、踝三个关节；关节处使用人造橡胶肌肉，通过充气、排气引起肌肉收缩，肌肉的收缩牵引关节转动从而实现步行。1 9 7 1 年，研制出“w a p _ 3 ”型双足机器人，仍采用人工肌肉，具有1 1 个自由度，能在平地、斜坡和阶西华大学硕十学位论文梯上行走。同年又研制出“w a p 一5 ”双足步行机器人，该机器人采用液压驱动，具有1 1 个自由度，下肢作三维运动，上躯体左右摆动以实现双足机器人重心的左右移动。1 9 7 3 年，在“，a p 一5 ”的基础上配置机械手及人工视觉、听觉等装置组成自主式机器人“w a r o t - i ”。1 9 8 0 年，推出“、i d r ”双足机器人，该机器人采用预先设计步行方式的程序控制方法，通过对步行运动的分析及重复实验设计步态轨迹，用设计出的步态控制机器人的步行运动，该机器人采用了以单脚支撑期为静态，双脚切换期为动态的准动态步行方案，实现了步幅4 5 c m ，每步9 s 的准动态步行。1 9 8 4年，研制出采用踩关节力矩控制的“w l i o d r ”双足机器人，增加了踝关节力矩控制，将一个步行周期分为单脚支撑期和转换期。1 9 8 6 年，又成功研制了“w l 1 2 d r ”双足机器人，该机器人通过躯体运动来补偿下肢的任意运动，实现了步行周期1 3 秒，步幅3 0 厘米的平地动态步行。f i g1 1h u m a n o i dr o b o t w a r o t - i图1 1 仿人机器人愀一1f i g1 2b i p e dr o b o tw l - 1 0 d r图12 双足机器人w l 一1 0 d r本田公司从1 9 8 6 年至今已经推出了p 1 ，p 2 ，p 3 系列机器人p j ，在p 2和p 3 中，使用了大量的传感器、陀螺仪( 测定上体偏转的角度和角速度) 、重力传感器、六维力力矩传感器和视觉传感器等利用这些传感器感受机器人的当前状态和外界环境的变化，并基于这些传感器对下肢各关节的运动作出调整，实现动态步行。并且于2 0 0 0 年1 1 月2 0 日，推出了新型双足步行机器人“a s i m o ”【5 6 7 】，“a s i m o ”和“p 3 ”相比，实现了与人一样自然行走的新姿态控制技术，自律连续移动技术以及可顺畅地与人同步动西华大学硕十学位论文作的技术等，使其更容易适应人类的生活空间，通过提高双脚步行技术使其更接近人类的步行方式。双脚步行技术方面采用了新开发的“l w a l k ( i n t e l l i g e n tr e a l t i m ef l e x i b l ew a l k ) ”技术。i - - w a l k 技术是在过去的双脚步行技术的基础上组合了新的“预测运动控制功能 ，它可以实时预测以后的动作，并且据此事先移动重心来改变步调。以往由于不能进行“预测运动控制，当从直行改为转弯时，必须先停止直行动作，然后才可以转弯。在美国的两足步行机器人研究者中。美籍华人郑元芳博士是一个非常杰出的人物，他研制了两台步行机器人【8 9 】，分别命名为“s d 1 ”和“s d 2 ”o“s d 1 ”具有四个自由度，“s d 2 ”具有八个自由度。“s d 2 ”是美国第一台真正仿人的两足步行机器人。1 9 8 6 年，甜s d 2 ”机器人成功地实现了平地上的前进、后退以及左、右侧行。1 9 8 7 年，这个机器人又成功地实现了动态步行。1 9 9 0 年，他首次提出了使两足机器人能够走斜坡的控制方案 1 0 , 1 1 , 1 2 】，并成功的进行了试验。加拿大的t a d m c g e e 主要研究被动式两足机器人【1 3 , 1 4 】，即在无任何外界输入的情况下，靠重力和惯性实现步行运动，1 9 8 9 年，建立了平面型的两足步行机构，两腿为直杆机构，没有膝关节，每条腿上各有一个小电机，控制腿的伸缩，无任何主动控制和能量供给，具有简单二级钟摆特征，放在斜坡上，可依靠重力，实现动态步行。随着科技的发展和技术的进步，小型仿人机器人的研究在国外取得了很大的发展。小型仿人机器人研究集机械、电子、计算机、材料、传感器、控制技术等多门科学于一体，代表着一个国家的高科技发展水平。在小型仿人机器人的研究中，走在前列的是日本和美国的研究人员，他们在小型仿人机器人学理论研究，实际样机研制以及机器人技术推广等多方面均取得了相当的成果。索尼公司于2 0 0 0 年1 1 月推出了小型仿人机器人“s d r 3 x ” 2 】不久后推出的第二代小型仿人机器人“s d r - 4 x ”比第一代在性能上有了很大提高。与“a i b o ”一样，索尼对“s d r 一4 x ”的定位是娱乐目的的娱乐机器人。“s d r 4 x 展示了更为复杂的行走控制和更为丰富的通讯功能。4西华大学硕士学位论文蓉r i g1 3h o n d a a s l m o图1 3 本田a s i i 0 机器人蠡f i g1 4s v a ys d r - 3 x图1 4 索尼s d r - 3 x 机器人嚣f i g1 5s o n y q r i o国1 5 索尼q r l 0 机器人索尼公司于2 0 0 3 年9 月宣布，他们在s d r - 4 x 的基础上研制出了世界上首个会跑的小型仿人机器人“q p - i o ”，银金属色的“q r i o ”机器人重7 ，千克，高度为5 8 厘米。“q r i o ”能在平稳控制行走的能力上，有着重大突破，其设计原理来自于z m p ( z e r o m o m e f l t p o i n t ) 操控模式理论，“q r i o ”首次在全世界实现了搭载了控制系统和电源系统的独立型机器人的跑动。“q p o o ”实际上可以实现跳跃时4 0 毫秒、奔跑时2 0 毫秒的两足悬空的状态。另外，本文所研究的“r o b o n o v a 1 型”机器人就是日本h i t e cr o b o t i c s 公司于2 0 0 5 年生产的一种小型仿人机器人。相比日本的小型仿人机器人研究而言，美国在开发“可穿戴式机器人”等实用机器人和代替军人打仗的军用机器人方面具有优势【l 叼。麻省理工学院( m i t ) 人工智能研究所( c s a i l ) 所长布鲁斯创办的风险投资企业c r e a t u r e b o t 公司研制的产品就是实用性清扫机器人“r h u m b a ”。比起机器人的动作功能，美国更重视开发智能。也就是说，他们要让机器人自己学习，与人类相互沟通。麻省理工学院( m i t ) 人工智能研究所开发的“c o g ”是能够自己学习的机器人，具有简单的感觉和运动系统，因此能自己学习常识、培养智能。韩国在研究小型仿人机器人方面也展现了其强大的实力。韩国科学技术院于2 0 0 4 年1 2 月2 2 曰宣布，韩国成功开发出新型智能机器人“h u b o ”，其技术水平仅次于处于世界领地位的日本智能机器人。西华大学硕士学位论文此外，英国、法国、德国等欧洲国家在机器人的研究方面取得了很大的进步。尤其是德国，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口1 。i 2 2 国内仿人型机器人的研究现状国内人形机器人的研制工作起步较晚。1 9 8 5 年以来，相继有几所高校进行了这方面的研究并取得了- 定的成果。其中哈尔滨工业大学和国防科技大学的发展较有代表性。哈尔滨工业大学自1 9 8 5 年开始研制双足步行机器人，迄今为止已经完成了三个型号的研制工作【1 捌。其中“h l t 一i ”为1 2 个自由度，实现了静态步行和动态步行，能够完成前后行、侧行、转弯、上下台阶及上斜坡等动作。目前，该校正致力于功能齐全的人形机器人 h i t一”的研制工作，新机器人包括行走机构、上身及臀部执行机构，初步设定3 2 个自由度。国防科技大学也进行了这方面的研究。在1 9 8 9 年研制成功了一台双足行走机器人，这台机器人具有1 0 个自由度，能完成静态步行和动态步行。国防科技大学还将工业机器人的轨迹示教方法用到了人形机器人的步态规划中，形成了步行机器人的步态示教规划技术。f i 9 1 6 h 图1 _ 6 哈工大机器人眦t mf 远17f o r t h g o e r图1 7 先行者值得一提的是，最近北京理工大学研制成功我国首例人形机器人“b r h 0 1 ”，该机器人身高1 5 8 米，体重7 6 公斤，具有3 2 个自由度，每小时能够行走l 公里，步幅0 3 3 米【5 】。除了能打太极拳，这个机器人还会两华大学硕士学位论文腾空行走，并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。它在系统集成、步态规划和控制系统等方面实现了重大突破，标志着我国人形机器人研究已经跨入世界先进行列。国内对小型仿人型机器人研究进步也很快。国防科技大学于近期研究成功了小型仿人机器人“先行者”。机器人身高1 4 0 厘米，体重1 8 6 千克，具有仿人的下肢和简化的上肢，全身共1 5 个自由度。哈尔滨工业大学正在进行“h i t i v ”型仿人机器人的研制工作，目的是研制一种具有多种操作功能的小型仿人步行机器人。该机器人共5 2 个自由度，带智能仿人灵巧手；配有视觉系统；具有语音功能；通过多传感器融合实现自主任务分解和实时步态调整；通过基地工作站和机器人体载嵌入式计算机无线通讯，和关节控制器一起实现多c p u 协调控制。清华大学、上海交通大学和北京航空航天大学等高等院校和研究机构也在近几年投入了相当的人力、物力，进行智能仿人机器人的研制工作并取得了很好的成果。1 3 仿人机器人步态规划的研究进展由于仿人机器人系统的复杂性，长期以来，稳定的动态步行一直是仿人机器人研究中的难点之一。随着步行机器人理论和实验研究的发展，在动态步行步态的研究方面己经取得了显著的成果。当前对两足动态步行的研究更多的是从实现的角度加以考虑，广泛采用离线规划加在线修正的控制原理，即先离线规划出保证步行稳定的步态，然后在控制系统中将离线规划的步态或由离线规划确定的计算模型产生的步态作为参考步态进行跟踪，根据实际情况进行姿态调整及步态修正。目前国内外众多的学者都在进行动态步行的研究，有的从仿生的角度研究，有的从控制理论的角度研究，主要有如下方法【”2 0 】：1 基于人类步行运动数据的方法研究仿人机器人步行的最终目标是希望机器人能像人一样行走，所以很自然的有人想用仪器记录下人类行走的数据h m c d ( h u m a nm o t i o nc a p t u r ed a t a ) ，用这些数据来驱动机器人实现真正的类人行走。日本学者在这方面进行了大量的研究。但由于现有仪器难以测得人类行走特征的准确7两华大学硕士学位论文而完备的数据，另一方面，由于技术条件的限制，目前研制的仿人机器人在运动学和动力学特征上与人类还有较大的差别，还不能直接用h m c d 来规划仿人机器人的步行。基于人类步行运动数据的方法是对h m c d 进行修正、使修正后的步态可用于仿人机器人的方法。目前最先进的自主式仿人机器人本田仿人机器人的研制就是在分析了人的步行运动的基础上进行的。研究人体步行运动的规律对研究及实现机器人步行能提供借鉴和指导，随着测试和记录手段的不断完善，人类步行运动数据的获得将更加完全和详细，由此提炼出的人体步行运动规律将更加完备，基于人类步行运动数据的步态设计方法将会有进一步的发展和应用。2 基于z m p 稳定判据的几何约束法几何约束法是步态规划中的常规方法，它的核心思想是通过规划机器人身体关键位置点的移动曲线，再解方程来得到机器人在行走过程中各个关节转角的运动规律。1 9 7 2 年，南斯拉夫学者v u k o b r a t o v i c 首先提出了z m p的概念，并证明了如果在步行过程中z m p 始终位于包括所有地面接触点的最小凸多边形内，则给定的步态是可行的【2 1 。z m p 的提出为通过几何约束法所规划出的步态提供了判断其稳定性的依据。基于z m p 稳定判据设计动态步行等价于产生满足这一约束条件的步行运动问题。基于z m p 的步态规划有以下两种方法：( 1 ) 从双足和躯干的运动轨迹确定z m p 轨迹这种方法先设计双足和躯干的运动轨迹，然后确定z m p 轨迹，之后在可变参数的有效范围内找出稳定域度最大的轨迹作为规划结果。用此方法，通过设定脚的约束参数，可得到适应有障碍或地面非平坦情况的步态。这种方法直观且解唯一，能在保证稳定性的前提下，使各关节轨迹平滑。但为得到高稳定性的步态需用反复计算、比较，计算量大，不易实时控制。( 2 ) 从理想z m p 轨迹确定身体各关节的运动这种方法先设计理想z m p 轨迹，然后确定可实现理想z m p 轨迹的身体各关节运动，只要求出了各关节运动，即满足设计的稳定性。但此方法解不唯一，且求解相对复杂；而且由于躯干运动引起的z m p 变化有限，不是所有的理想z m p 都能实现；此外，为实现理想z m p ，可能要求躯干运动r西华大学硕士学位论文变化剧烈，由于躯干的质量相对较大，能耗会大，对上肢的控制会变得困难。基于z m p 稳定判据的几何约束法是目前使用最广泛的步态规划算法，除了本田的仿人机器人使用了这样的算法，国内外很多研究者在他们的研究中也都使用了类似的算法【2 0 2 1 1 ，因为它的物理含义是最明确的，只要遵守仿人机器人步行稳定性的判据，机器人的步态规划就能成功。3 基于能量优化的方法这种方法将步态稳定作为约束条件，以实现能耗最小的步行为规划目标。目前，如何产生低能耗步态还是一个待研究的重要课题。步行过程的能耗与各参数间的关系非常复杂。到目前为止，基于能量优化的步态规划方法主要采用简化模型的方法和数值计算法。4 基于人工神经网络的方法在步行周期内有采样循环，采集的各个输入变量的值经过神经网络的处理成为输出变量的取值。神经网络系统在仿人机器人的步态规划中使用的时候，常常采用这样的结构：以各个关节的广义坐标( 及其微分) 为输入参数的神经节点，即一般情况下以各个关节的角度和角速度为输入节点变量，有的研究把角加速度也作为了输入节点：设定一定数目的中间神经节点，这些中间的神经节点是隐藏的，它们每个都与所有的输入节点相联，并遵循一定的函数映射关系( 常见的有线性关系、指数关系和底数关系等) ：以所需要求得的各个关节的驱动力矩为输出节点，每个输出节点都与所有的中间节点相联，按照各自的权重，产生对输出节点的影响。神经网络结构的中间隐藏层是整个系统的关键。首先，各个输入节点的函数映射关系决定于中间节点；其次，中间节点的多少决定了神经网络系统的精确性。由于学习样本空间构造和收敛性等问题还需进一步研究，目前用人工神经网络的方法进行姿态控制比较可行，而将它用于步态规划离实用还有很大的距离。5 基于遗传算法的步态规划方法在仿人机器人的步态规划中使用遗传算法，首先设计一个带有反馈补偿的前馈控制系统。根据这个特定的控制系统实现各个关节的力矩控制：因为实现遗传算法需要把所求的问题参数化求解。所以只能先假设某个关9两华大学硕士学位论文节的运动规律曲线，再用多次的函数插值实现问题的参数化，最后利用遗传算法，根据稳定性条件( 或者其他判优条件) 确定问题的各个参数，从而实现步态规划。遗传算法直接用于步态规划是有相当困难的。第一，对于某个关节的运动规律曲线事先完全无法知道。第二，运动规律往往不是一个初等函数，即使用了函数的插值，最后求得了问题的解，也只是解的一个近似，求解结果未必可用。第三，就算前面两种困难都可以忽略或者克服，在实际的步态规划中，还是有最大的一个问题计算的复杂性。在目前需要步态规划的机器人在行走中共有1 6 个需要控制的自由度，以每个关节的运动规律都是最简单的二次曲线计，至少需要9 6 条基因( 1 6 x 6 ) 的遗传算法才能完成步态的规划，计算量非常巨大。所以遗传算法并不适于直接用于步态规划，而常常用来做步态规划的后处理一步态优化，把已经初步规划的步态做函数插值参数化，优化参数值，得到能耗最小的最优解。1 4 本文研究的内容、目的及意义本论文来源于西华大学重点科研基金项目“足球机器人动态路径规划方法( z 9 0 7 2 0 2 0 2 ) 。“r o b o n o v a 1 ”型机器人是一种新型的集教育、娱乐为一体的小型仿人型机器人，而且该机器人适合参加r o b o t 比赛，曾代表我校参加多届r o b o t 比赛并取得了不错的成绩。本机器人目前在比赛中主要参加技巧类比赛，如舞蹈之类。到目前为止还没有参加过其他项目比赛。且该机器人目前动态步行周期都在o 5 秒以上。为了使其能够在r o b o t 比赛中发挥自己的优点，取得更好的成绩，使其能够在r o b o t 比赛中发挥自己的优点，取得更好的成绩，本论文以“r o b o n o v a 1 型机器人为样机模型，对其进行动态步行规划的研究。本论文的主要内容包括：1 介绍“r o b o n o v a 1 型仿人机器人的系统结构，包括尺寸、质量、自由度的配置等，对本文研究所用到的所有软件进行简单的介绍。2 基于r o b o n o v a 1 型机器人的结构特点，将其简化为七连杆机构1 0两华大学硕士学位论文模型。基于广义坐标方法，分别建立机器人的前向和侧向运动学模型，并进行正逆运动学的求解。将关节的广义坐标转化为关节转动轨迹，为后续步态规划奠定基础。3 基于z m p 稳定判据的方法，推导z m p 的计算公式及机器人稳定运动的条件。通过转化得到机器人前向、侧向运动时各关节的运动方程。4 在构建的数学模型基础上，采用基于z m p 的动态步行运动规划方法，对机器人的前向运动步态和侧向运动步态分别进行规划。根据机器人行走过程中的约束确定髋关节和踝关节在运动过程中需经过的关键点，采用工程上广泛采用的三次样条插值方法对关键点进行插值。根据运动学约束条件得到各关节运动轨迹。根据以上方法对机器人的下肢运动进行规划，并在此基础上进行仿真研究。本论文的研究意义：仿人型机器人为机器人研究的最高境界，是机器人工作者梦寐以求希望实现的目标。9 0 年代以后，随着计算机技术、仿生学、人工智能和自动控制等技术的长足发展，仿人型机器人研究进入了一个新的发展阶段。这也带动了仿人型足球机器人的发展。目前，国际人工智能学会及国际机器人足球联合会都己主办了多届机器人世界杯比赛，仿人足球机器人比赛是其中的项目之一。我国仿人足球机器人研究工作刚刚起步，大部分力量放在控制算法方面。为了早日参加国际比赛、为国争光，有必要积极开展仿人足球机器人研究工作。同时对“r o b o n o v a 1 型机器人的研究，可以充分发挥其在科研中的巨大作用。该研究对设计及分析其他机器人的机械结构也有很高的实用价值。两华大学硕士学位论文2r o b o n o v a 1 型机器人的结构及软件介绍2 1r o b o n o v a 1 型机器人概述该机器人是日本h i t e c 公司研制的一种新型的集教育、娱乐为一体的二足类人型机器人，用1 6 个专用h i t e ch s r 一8 4 9 8 h b 数字伺服电机控制各关节转动，除了可以用脚走路外，更可以表现各种高难度的仿人动作，如跑步、雀跃、伏地挺身、侧翻、前滚翻、后滚翻、倒立、上下楼梯等适合参加r o b o t 比赛。其尺寸为3 1 0 1 8 0 9 0m m ，重量约i3k g ，结构及参数如图2 1 、表2 i 所示。f i 9 2lr o b o n o v a ir o b o ts t r t l c t u r e图2 1r o b o n o v a - l 型机器人结构图表21r o b o n o v a 一1 型机器人结构参数t a b l e21s t r u c t u r ep a r a m e t e r o f r o b o n o v a - ir o b o t部件长度( m m )质量( k g )上身9 00 5 4大腿8 4o 1 3小腿4 60 0 6关节十字架2 400 0 4蚤誓，-，两华大学硕十学位论文表2 2 自由度配置t a b l e2 2f r e e d o ms e t t i n g肩关节2 - d o f手臂肘关节1 - d o f髋关节2 - d o f腿膝关节1 - d o f踝关节2 d o f总计8 2 = 1 6d o f在规划机器人各关节的运动时，机器人各关节的运动空间不能超过所设计的机构范围，机器人各关节运动范围见表2 3 。表2 3 机器人关节运动角度t a b l e2 3m o t i o n a la n g l eo f j o i n t s关节运动范围( 度)关节运动范围( 度)肩关节侧向一2 0 1 6 0髋关节侧向一3 0 9 0肩关节前向- 4 0 1 4 0膝关节一9 0 1 0肘关节o 9 0踝关节前向- 9 0 9 0髋关节前向一9 0 8 0踝关节侧向一3 0 9 02 2 软件介绍1 p r o e n g i n e e r 软件p r 0 e n g i n e e r 是美国p t c 公司的产品，于1 9 8 8 年问世。1 0 多年来，经历2 0 余次的改版，已成为全世界及中国地区最普及的3 dc a d c a m 系统的标准软件，广泛应用于电子、机械、模具、工业设计、汽车、航天、家电、玩具等行业。p r o e 是全方位的3 d 产品开发软件包，和相关软件p r 0 d e s i n g e r ( 造型设计) 、p r 0 m e c h a n i c a ( 功能仿真) ，集合了零件设计、产品装配、模具开发、加工制造、钣金件设计、铸造件设计、工业设计、逆向工程、自动测量、机构分析、有限元分析、产品数据库管理等两华大学硕士学位论文功能，从而使用户缩短了产品开发的时间并简化了开发的流程。与其他同类三维软件相比，p r o e n g i n e e r 的不同之处在于以下几点：( 1 ) 基于特征的p r o e n g i n e e r 是一个基于特征的实体模型建模工具，利用每次个别建构区块的方式构建模型。设计者根据每个加工过程，在模型上构建一个单独特征。特征是最小的建构区块，若以简单的特征建构模型，在修改模型时，更有弹性。( 2 ) 关联的通过创建零件、装配、绘图等方式，可利用p r o e n g i n e e r 验证模型。由于各功能模块之间是相互关联的，如果改变装配中的某一零件，系统将会自动地在该装配中的其他零件与绘图上反映该变化。( 3 ) 参数化p r o e n g i n e e r 为一参数化系统，即特征之间存在相互关系，使得某一特征的修改会同时牵动其他特征的变更，以满足设计者的要求。如果某一特征参考到其他特征时，特征之间即产生父子关系。( 4 ) 构造曲面复杂曲面的生成主要有三种方法：1 ) 由外部的点集，生成三维曲线，再利用p r o e 下s u r f a c e 的功能生成曲面。2 ) 直接输入由p r o d e s i n g e r( 造型设计) 产生的曲面。3 ) 利用输入功能，以i g e s 、s e t 、v d a 、n e u t r a l等格式，输入由其他软件或三维测量仪产生的曲面。( 5 ) 在装配图中构建实体根据己建好的实体模型，在装配中，利用其特征( 平面，曲面或轴线)为基准，直接构建新的实体模型。这样建立的模型便于装配，在系统默认状态下，完成装配。2 m a t l a b 软件m a t l a b 是由美国的m a t h w o r k s 公司推出的一个为科学和工程计算而专门设计的高级交互式软件包。它是一种高性能的用于工程计算的编程软件，它把科学计算、编程和结果的可视化都集中在一个使用非常方便的环境中。m a t l a b 最早是作为矩阵实验室( m a t r i xl a b o r a t o r y ) ，是用来提供与1 4两华大学硕士学位论文l i n p a c k 和e i s p a c k 矩阵软件的接口，后来，它逐渐发展为具有通用科技计算、图形交互系统和程序设计语言的、国际公认的、最优秀的科技应用软件之一。其典型的应用范围包括以下几方面：1 数学计算；2 算法推导；3 建模和仿真模拟：4 数据分析和结果的可视化；5 工程图形的绘制：6 应用程序的开发，包括用户图形界面的建立。与其它高级语言相比，m a t l a b 提供了个人机交互的数学环境，并以矩阵作为基本的数据结构，可以大大节省编程的时间。m a t l a b 语法规则简单、容易掌握、调试方便，调试过程中可以设置断点，存储中间结果，从而很快查出程序中的错误。与其它数学软件相比，m a t l a b 的强项在于矩阵计算和图形处理能力。m a t l a b 程序主要由主程序和各种工具包组成，其中主程序包括数百个内部核心函数，工具包包括复杂系统仿真、信号处理工具包、系统识别工具包、优化工具包、神经网络工具包、控制系统工具包、分析和综合工具包、样条工具包、符号数学工具包、图形处理工具包、统计工具包等。m a t l a b 语言具有较高的运算精度，一般情况下，在矩阵类运算中往往可达到1 0 1 5 数量级的精度，这当然符合一般科学与工程运算的要求。m a t l a b 是数值计算的先锋，它以矩阵作为基本数据单位，在应用线性代数、数理统计、自动控制、数字信号处理、动态系统仿真方面已经成为首选工具，同时也是科研工作人员和大学生、研究生进行科学研究的得力工具。3 机械系统动力学自动分析软件a d a m s 软件a d a m s 软件，即机械系统动力学自动分析软件a d a m s ( a u t o m a t i cd y n a m i ca n a l y s i so fm e c h a n i c a ls y s t e m s ) ，是美国m d i 公司( m e c h a n i c a ld y n a m i c si n c ) 开发的虚拟样机分析软件。目前，a d a m s 己经被全世界各行各业的数百家主要制造商采用。根据1 9 9 9 年机械系统动态仿真分析软件国际市场份额的统计资料，a d a m s 软件销售总额近8 千万美元、占据了5 1 的份额。a d a m s 是集建模、求解、可视化技术于一体的虚拟样机软件。a d a m s一方面是虚拟样机分析的应用软件，该软件可以非常方便地对机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，真实地仿真其运动过程，并且可以迅速地分析和比较多种参数方案，直至获得优化的工作性能，从而大大减少了1 5两华大学硕士学位论文昂贵的物理样机制造及试验次数