人形机器人建模与步态规划

电气与自动化 唐策 等 人形机器人建模与步态规划 人形机器 人建模 与步态规划 唐策 赵现朝 齐 臣坤 上海 交通 大学 机械与动力工程学院 上海 2 0 0 2 4 0 摘要 目前人形机器人控制的难点主要集中在 关节扭矩不够 运动稳定性不佳等方面 针 对以上 问题 提 出了以下解决方案 针 对关节扭 矩不 够选取 了大扭矩 电动机 的同时 采 用三次 样条 差值使运 动轨迹 更加 平滑 减小输 出扭矩 采 用 Z M P来观 察运 动轨迹 改善运 动的稳 定 性 同时 由于人形机器人运动稳定性不佳 容易摔倒 使用 O D E物理引擎在 L a b v i e w中建模 与仿 真 进行更加 方便 的进行 步 态规 划的研 究 最 终 实现 了仿 真平 台下人 形机 器人 的稳 定 行走 关键词 人 形机 器人 O D E L a b v i e w Z MP 轨迹规划 仿 真 中图分类号 T P 2 4 2 文献标 志码 A 文章编号 1 6 7 1 5 2 7 6 2 0 1 2 0 4 0 1 5 8 0 5 Hu ma no i d Ro bo t s i mu l a t i o n a n d g a i t p l a n n i ng T ANG C e Z HA 0 Xi a n c h a o Q I Ch e n g k u n S h a n g h a i J ia o t o n g U n i v e r s it y S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g in e e r i n g S h a n g h a i 2 0 0 2 4 0 Ab s t r a c t T h e c o n t r o l d i ff i c u lt ie s o f h u ma n o id r o b o t a r e ma i n l y c o n c e n t r a t e d o n t h e i n s u ff ic ie n c y o f j o i n t s t o r q u e a n d t h e p o o r s t a b il it y o f r o b o t mo t io n T o s o lv e t h e i n s u ff i c ie n c y o f j o i n t s t o r q u e h ig h t o r q u e mo t o r s a r e c h o s e n a n d t h e c u b ic s p li n e i n t e r p o l a t io n i s u s e d t o s mo o t h t h e t r a j e c t o r y f o r r e d u c in g t h e o u t p u t t o r q u e Z MP t r a j e c t o r y i s u s e d t o o b s e r v e a n d i mp r o v e t h e s t a b i li ty o f mo v e me n t Me a n wh il e d u e t o t h e p o o r s t a b i li ty it i s e a s y t o t u mb le t h e r o b o t d o w n OD E is u s e d t o c a r r y o u t mo d e l i n g a n d s imu la t i o n o n t h e L a b v i e w p l a t f or m s u c h t ha t it is mor e c o n v en i e n t t o ma k e a s t u d y o f t h e g ait plan n i n g Fin al ly a s t e a d y h uma n oid r o b o t wa l k i n g is a c h i e v e d in t he s im u lat i o n e n v i r on men t Ke y wo r d s Human o id r ob o t ODE L ab v i e w ZMP g ait plan n i n g s i mu l a t i o n 0 前 言 近年来 人形 机器 人 已经成 为 机器 人研 究 的一 个热 点 人形机器人的步态控制一直是人形机器人研究的一 个难点 人形 机 器人 的步 态 规划 分 为 在线 式 和 离 线 式 而针对人形机器人的步态规划 人们提出了许多控制 理论 如倒 立摆 Z MP 虚拟斜坡 被动步态等 本文搭建 了基 于 O D E引擎在 L a b v i e w平 台下 的仿真 系统 通过三次样条差值 Z MP等理论 进行了步态规划 1 S J T U人形机器人及其建模 本文研究 的 S J T U人 形 机器人 一 共有 2 9个 自由度 而步态规划中主要集中在对下半身进行控制 J 即两条 腿 各 6个 自由度 共计 1 2个 自由度 为 了在 O D E 中对 其进行模拟 仿真 将 s J T u人形机器人分成 了 2 2个部 分 如图 1所示 并将 各个部分用 U n i v e r s a l j o i n t 或者 H i n g e j o i n t 进行连接 如表 1所示 其 中 U n i v e r s a l j o i n t 具有两个 自由度 而 H i n g e j o i n t 具有 一个 自由度 在髋 关 节等需 要两个 以上 自由度 的位 置 使 用 了 U n i v e r s a l j o i n t 和 Hi n g e j o i n t 的组合来实现运动控制 同时根据机器人 机 构设 计 中各个关节 可 以转动 的角 度 在模 拟 环境 中加 入了 l o w s t o p和h i g h s t o p来限制关节转动角度 防止仿真 中的关节转动角度大于实际机器人可转动角度 的范围 表 2 回 图 1 S J T U人形机器人模型 作者简介 唐策 1 9 8 6一 男 黑龙江哈尔滨人 硕士研究生 研究方 向是人形机器人运动控 制 1 5 8 h t t p ffZ Z H D c h i n o u ma 1 n e t c n E ma i l Z Z HD c h a i n a j o u ma 1 n e t c a 机械制造 与 自动化 E 团 J U日团 回 电气与 自动化 唐 策 等 人形机 器人 建模 与步态规划 表 1 S J T U人形机器人 J o i n t 类型 表 2 关节旋转角度范 围 2 控 制 系统 S J T U人形机器人的控制系统如图2所示 由以下几 个部分组 成 P C S i n g l e B o a r d R I O E P O S 2 s Ma x o n Mo t e r s 和 s e n s o r s 其中 P c端通过 L A N将程序写人 S i n g l e B o a r d R I O的 F P G A中 S i n g l e B o a r d R I O使用 c R I O一 9 8 5 3 通过 C A N O p e n连接电动机驱动器 E P O S 2来控制 Ma x o n 电动机 由于下半身需要的输出扭矩较大 选用了 Ma x o n D C Mo t e r w i t h 6 0 w 上半身为了减轻质量则选择了 Ma x o n D C Mo t o r w i t h 4 0 w 同时还加人 了陀螺仪和力传感器来 帮助进行实时控制 反馈信号给 S i n g l e B o a r d R I O 图 2 S J T U人形机器人控 制系统 Ma c h i n e B u il d i n g Au t o m a t i o n J u n 2 0 1 2 4 1 4 1 5 8 1 6 2 3 Z MP理论 随着近些年来人形机 器人 的发展 零力矩点 z e r o m o m e n t p o i n t Z MP 理论 在人形机器人 研究 中的应用也 越来 越广泛 根据力学原理 可 以知 道 对 于静 止的 物体 可 以 通过判断其重心是否落在支撑点之内 来得出其是否平衡 的结论 推广到运动的物体上面 如果物体所受重力和惯 性力的合力的延长线通过其支撑面内 则可以认为物体平 衡 而 Z M P就是重力和惯性力合力延长线 与支撑面 的交 点 所 以说 只要 Z MP位于 支撑面 内 就 可 以认 为机器人 处 于平衡 状态 对于 Z MP位于支撑面外 的情况 有人 认为机器人会 失去平衡 有人则 认为不 会 还没有形 成统 一 的认识 但是对于Z MP处于支撑面之内机器人会保持 平衡 学者们得到了统一的结论 Z MP可 以按照下 面的公式来计算得 到 Y Z M P l m g l m l 一 l l y y l m z g 1 l m g Y l l m Y 一 l l l m z g 2 其中 m 表示连杆 i 的质量 和 Z 表示连杆 i 的转动惯量 g 表示重力加速度 和 表示连杆 i 的角加速度 Y 表 示连杆 i 的重心位置 Y z 表示连杆 i 的加速度 在不考虑转动陨量的情况下 可以将公式简化为 Y z M P l m f g l m l m z g 1 m g l m l m g 由此来 判断机器人是否平衡 4 轨迹规划 图 3 3 4 人形机器 人控制 的重点 和难 点就在轨 迹规 划上 人 形机器人行走 的速 度 迈步长度 行走 的稳定 性都 是 由轨 迹规划来决 定 的 对于 人形 机器 人行 走 的轨 迹规 划 主要关注于下半身各个关节的运动轨迹 特别是髋关节和 两个踝关节 的轨迹 本 文中的髋 关节和踝 关节 曲线 由三次 样条差值得到 而膝关 节的轨迹 可以通过踝关节和髋关 节 的位置 可计算得 出 在对人形机器人进行轨迹规划的过程 中 将人形机 器 人 的行走分为三个阶段 起 步阶段 行走阶段和终步阶段 其 中 起步 阶段 主要是 通过 屈膝来 降低 机器 人的重心 使之可以行走 的更加平稳 步行距 离更 大 行走 阶段是 一 个可以不断循环的阶段 它由单支撑阶段和双支撑阶段组 成 单支撑阶段是一脚支撑 另一只脚离地到再次落地 即一次单腿迈步的过程 双支撑阶段则是两脚都在地面 通过髋关节的移动来调整重心 使重心前移 进入稳定区 1 5 9 电气与 自动化 唐 策 等 人形机 器人建模与步 态规 划 域 为下一次迈步做准备 ZM P p a th 图 3 Z MP轨 迹规 划 若规定起步阶段的时间为 1 s 为了降低重心 增加机 器人行走 的稳定性 增加 机器人单 步行走 距离 将机 器人 的髋关节位置由0 5 1 2 5 m降低到 0 4 7 m 同时将机器人 的重心左移 0 0 6 m 使重心落人左脚内 为行走做准备 行 走阶段 根据机器 人的机 械结构 和多次 仿真 规定 单 支撑 阶段 时间为 1 2 s 双支撑 阶段为 0 8 S 同时 规 定机器人摆动脚在一个单支撑期 间走过 0 2 6 m 行走 阶 段如图 4所示 单支撑阶段是 个不稳定阶段 可以看做一个倒立摆模 型 需要让摆动脚在机器人倒下之前落地 同时重心前移 U p p e r s n臣匦 口 图 4 行 走周 期 保持稳定 在 Y 轴方 向将重心右移到 0 0 4m 重心仍然处 于左脚之 中 但是有向右移动的速度 在 轴方 向重心 向 前移 动 0 1 m 同时 速度 由 0上升 到 0 1 m s 单支撑阶段上半身 髋 关节 膝关节 和踝 关节 运动轨 迹如图 5 其 中 左 脚是 支撑脚 没 有运 动 故 没有 给 出运 动轨迹 Pl o t 0 臣 l l J Pl ot 0 I 0 兽0 0 1 臣 l J l I f t j L x1 s P a1 h P O 1 0 E H ip A s a t h E巫 L 一一 i p rPa t h 0 06 0 05 8 0 05 6 0 05 4 052 三 叭 5 J 1 4 8 0 O 46 O 44 0 0 42 0 04 图 5 单支撑阶段机器人各部分运动轨迹 双支撑阶段 主要 目的是前移重心 使重心能够移动 到下 一步的支撑脚 内部 同时 在两次迈步 中间加入 了一 1 60 臣 卫 个 过渡阶段 可以减小 累积误差 增 加稳定 性 双 支撑 阶 段各个 部分运动轨迹 如图 6所示 h t t p Z Z HD c h i n a j o u rna 1 n e t c n E ma i l Z Z HD c h a i n a j o u ma 1 n e t c n 机械 制造与 自动化 电气与 自动化 唐策 等 人 形机器人 建模 与步 态规划 5 仿真 结果 图 8 各个关节角度如下图 8所示 其中实线代表规划轨 迹 虚线代表实际轨迹 6 结论 I g M o t o r l l P lo t 1 7 厂 1 一 V l m r L e g i t o r 2 I P t o t t l n V 匹 I 厂 f f t 厂 l f f J f f l V e g M o to r l l P lo l I 一 f f l f 1 j l r H ip M o lo t2 l P lo t 1匹 f l l P lo tO h g M l l P lo t l n f f 1 V I H i p M o to r l I P lo t I l r 弋 f f f L j L 四 l 0 5 0 0 l 0 0 0 I 5 00 2 0 0 0 Ti m e 图 8 S J T U机器 人关节角度轨迹 2 0 0 5 Ro b o t S o c c e r W o r l d Cu p I X No 4 0 2 0 P P 1 7 3 1 8 3 S p r i n g e r 2 0 0 6 本 文通过基 于 O D E引擎 的 L a b v i e w R o b o t i c s 平 台 搭 建了一个人形机器人实验仿真平台 对机器人行走的稳定 性进行 了验证 并且成功实现 了人形 机器人行走 的一个 完 整的过程 仿真平台为实验节省了大量时间 同时 减少 了 机器人在试验时由于摔倒等意外情况造成的损失 由于机 器人控制系统采用的是 S i n g l e B o a r d R I O 属于 N I 公司的 产品 所以在接下来实体机器人的调试过程中 可以直接将 本文 中的数 据直接导人到 S i n gl e B o a r d R I O中 进行实验 参考文献 1 K H a r a d a S K a j i t a K K a n e k o e t a 1 A n A n a l y t i c a l M e t h o d o n Re a l t i me Ga i t Pl a n n i n g f o r a Hu ma n o i d Ro b o t J o urna l o f H u ma n o i d Ro b o t i c s 3 1 1 1 9 2 0 0 6 2 T L a u e K S p i e s s T R lf e r S i mR o b o t A G e n e r a l P h y s i c al Ro b o t S i mu l a t o r a n d I t s Ap p l i c a t i o n i n Ro b o C u p I n Ro b o Cu p 1 62 3 K o i c h i N i s h i w a k i S a t o s h i K a g a mi S t r a t e g i e s f o r A d j u s t i n g t h e Z M P r e f e r e n c e T r a j e c t o r y f o r Ma i n t a i n i n g B a l a n c e i n H u m a n o i d W alk i n g I n P rec o fI EE E I n t Co n f o n Ro b o t i c s an d Au t o ma t i o n 4 2 3 0 42 4 6 2 01 0 4 R i a d h Z a i e r a n d S h i n j i K a n d a P i e c e w i s L i n e a r P a t t e rn G e n e r a t o r a n d Re fl e x S y s t e m f o r Hu ma n o i d Ro b o t s I n P re