張 蔓，高宇博，鄧佳玉，張 晶，任 歡

(哈爾濱石油學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150028)

研究與設(shè)計(jì)

雙足步行機(jī)器人直線行走步態(tài)規(guī)劃及關(guān)節(jié)軌跡研究

張 蔓，高宇博，鄧佳玉，張 晶，任 歡

(哈爾濱石油學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150028)

對教學(xué)用雙足機(jī)器人物理樣機(jī)進(jìn)行步態(tài)規(guī)劃，運(yùn)用仿生學(xué)方法，參考人類穩(wěn)態(tài)步行特點(diǎn)，規(guī)劃出一個(gè)步行周期內(nèi)機(jī)器人直線行走過程中各個(gè)階段重心移動(dòng)的規(guī)律，建立雙足機(jī)器人局部坐標(biāo)系，確定一個(gè)步態(tài)周期中擺動(dòng)腿關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)初始條件，采用多項(xiàng)式插值算法規(guī)劃出機(jī)器人擺動(dòng)腿部踝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)軌跡。

雙足機(jī)器人；直線行走；步態(tài)；關(guān)節(jié)軌跡

機(jī)器人的研究水平在一定程度上代表了一個(gè)國家的綜合科技水平，機(jī)器人能替代人類完成各種危險(xiǎn)、精確的工作。機(jī)器人有多種形式，每種形式機(jī)器人應(yīng)用的場合不同，如輪式機(jī)器人不適于在凸凹不平的地面移動(dòng)，多足機(jī)器人不適于在狹窄的作業(yè)環(huán)境里工作，雙足機(jī)器人對環(huán)境地形的要求不高，轉(zhuǎn)動(dòng)半徑小，可以在崎嶇地表及狹窄空間行動(dòng)自如，應(yīng)用范圍廣，因此對雙足機(jī)器人的研究具有非常重要的意義。

1 雙足步行機(jī)器人樣機(jī)實(shí)際尺寸參數(shù)及自由度分配

本文以雙足六自由度步行機(jī)器人樣機(jī)為研究對象，機(jī)器人外觀如圖1所示，機(jī)器人樣機(jī)的實(shí)際尺寸如圖2所示。該機(jī)器人每條腿分配3個(gè)自由度；髖關(guān)節(jié)分配1個(gè)俯仰自由度；大腿和小腿之間的膝關(guān)節(jié)是固定的，因此膝關(guān)節(jié)沒有自由度；踝關(guān)節(jié)2個(gè)自由度，分別為1個(gè)俯仰自由度和1個(gè)偏轉(zhuǎn)自由度。

圖1 雙足步行機(jī)器人樣機(jī)

圖2 雙足步行機(jī)器人實(shí)際尺寸

2 雙足步行機(jī)器人直線行走的步態(tài)規(guī)劃

一般來說，雙足機(jī)器人分為主動(dòng)步行機(jī)器人和被動(dòng)步行機(jī)器人[1]；主動(dòng)步行機(jī)器人通常分為10個(gè)自由度、12個(gè)自由度、14個(gè)自由度等，由電機(jī)等驅(qū)動(dòng)裝置安裝在關(guān)節(jié)處提供動(dòng)力；被動(dòng)步行機(jī)器人最少有2個(gè)自由度，適宜斜坡下行，依靠重力作用，并在自身加裝彈簧等裝置。

通常12自由度的雙足機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)直線行走、轉(zhuǎn)彎行走、上下樓梯等運(yùn)動(dòng)。本文中的雙足步行機(jī)器人主要應(yīng)用于教學(xué)演示，自由度較少，膝部關(guān)節(jié)固定沒有自由度，適合直線行走。本文著重研究雙足機(jī)器人直線行走的規(guī)律。

2.1 雙足機(jī)器人行走過程分析

雙足機(jī)器人直線行走分為正向運(yùn)動(dòng)和側(cè)向運(yùn)動(dòng)，正向運(yùn)動(dòng)和側(cè)向運(yùn)動(dòng)之間的耦合很小，直線行走主要研究機(jī)器人的正向運(yùn)動(dòng)。雙足機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃的方法主要有仿生學(xué)步態(tài)規(guī)劃法和數(shù)學(xué)模型步態(tài)規(guī)劃法兩種[2]，本文采用仿生學(xué)步態(tài)規(guī)劃法。

雙足機(jī)器人又稱為仿人型機(jī)器人，是模仿人類軀干、腿部、踝部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和組合起來的，因此機(jī)器人的穩(wěn)定行走過程規(guī)劃應(yīng)分析人類行走過程，參考人類行走特點(diǎn)，形成雙足步行機(jī)器人的行走規(guī)律，完成穩(wěn)定、平衡的步態(tài)行走。

對機(jī)器人的行走分析通常是在一個(gè)典型的步態(tài)周期里進(jìn)行，步態(tài)周期是指在行走時(shí)，一側(cè)下肢完成從足部落地到該足再次落地的時(shí)間。在一個(gè)步態(tài)周期中，機(jī)器人行走可以分為雙足支撐期和單足支撐期，其中，雙足支撐期占整個(gè)步行周期的20%[3]。

參考人類步行特點(diǎn)，將步行機(jī)器人穩(wěn)定行走過程分為起動(dòng)、正常步行和停止三個(gè)階段。機(jī)器人行走起動(dòng)階段如圖3所示，首先從直立狀態(tài)實(shí)現(xiàn)髖關(guān)節(jié)下移，重心向右移動(dòng)，緩慢過渡到右腿支撐，左腿向前邁半步；完成起動(dòng)階段后機(jī)器人開始正常行走，正常步行階段如圖4所示，緊接起動(dòng)階段，重心向左移動(dòng)，左腿成為支撐腿，右腿成為擺動(dòng)腿，右腿向前邁出半步，并逐漸使重心回到兩腿之間的中間位置，然后重心右移，右腿成為支撐腿，左腿成為擺動(dòng)腿，左腿向前邁出半步；接下來逐步過渡到停止階段，如圖5所示，重心右移，左腿成為支撐腿，右腿成為擺動(dòng)腿，右腿向前邁出半步，并使重心回到兩腿之間的中間位置；最后實(shí)現(xiàn)髖關(guān)節(jié)上移，恢復(fù)直立平衡狀態(tài)。

圖3 機(jī)器人行走起動(dòng)階段

圖4 機(jī)器人正常行走階段

圖5 機(jī)器人行走停止階段

2.2 雙足機(jī)器人直線行走擺動(dòng)腿關(guān)節(jié)軌跡函數(shù)

一個(gè)機(jī)器人步行周期分為雙足支撐期和單足支撐期兩部分，雙足支撐時(shí)間占整個(gè)步行周期的20%；雙足支撐時(shí)期機(jī)器人足部和地面相對保持靜止?fàn)顟B(tài)，髖關(guān)節(jié)位姿容易求得，運(yùn)用逆運(yùn)動(dòng)學(xué)可求出其他關(guān)節(jié)函數(shù)。本文研究右腿支撐、左腿為擺動(dòng)腿時(shí)擺動(dòng)腿的關(guān)節(jié)變化曲線。如圖6所示，以水平方向?yàn)閄軸，豎直方向?yàn)閆軸，支撐腿踝關(guān)節(jié)在支撐平面的投影為原點(diǎn)，建立雙足機(jī)器人局部坐標(biāo)系。取左腿擺動(dòng)腿上三個(gè)位姿點(diǎn)，其分別是踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)起點(diǎn)、抬腿最高處及運(yùn)動(dòng)終止點(diǎn)。假設(shè)機(jī)器人步長為Lb，抬腿最高處踝關(guān)節(jié)高度為Hh，髖關(guān)節(jié)高度為Hk，步行周期為T；起點(diǎn)時(shí)刻為tqd，抬腿最高時(shí)刻為tzg，停止時(shí)刻為ttz。

圖6 雙足機(jī)器人局部坐標(biāo)系

表1 踝關(guān)節(jié)坐標(biāo)及各時(shí)刻速度和加速度表示

采用多項(xiàng)式插值法可得踝關(guān)節(jié)水平和豎直方向的運(yùn)動(dòng)軌跡為：

(1)將初始值帶入式(1)可求得擺動(dòng)腿髖關(guān)節(jié)在水平和豎直方向的運(yùn)動(dòng)軌跡，同理可求解擺動(dòng)腿髖關(guān)節(jié)在水平和豎直方向的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

3 小結(jié)

采用圖解法分析了雙足機(jī)器人穩(wěn)定直線行走各階段的規(guī)律；建立了局部坐標(biāo)系，確定了雙足機(jī)器人擺動(dòng)腿踝關(guān)節(jié)速度、加速度等物理變量的初始值；根據(jù)靜態(tài)行走特點(diǎn)建立多項(xiàng)插值方程，得出雙足機(jī)器人關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

[1] 周雪峰.六自由度雙足機(jī)器人步行研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2011.

[2] 朱碩迪.六自由度雙足競步機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及軌跡跟蹤[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2015.

[3] 朱曉光.雙足機(jī)器人步態(tài)與路徑規(guī)劃研究[D].北京：華北電力大學(xué)，2012.

(責(zé)任編輯 張雅芳)

Bipedal Walking Robot Straight-line Walking Planningand Joint Trajectory Research

ZHANG Man，GAO Yu-bo，DENG Jia-yu，ZHANG Jing，REN Huan

(Harbin Institute of Petroleum，Harbin Heilongjiang 150028，China)

Gait planning for the physical prototype of teaching-type biped robots is developed，and with a bionics method，with reference to the characteristics of human steady-state walking，the law of gravity movement at each stage in the robot straight-line walking process within a walking cycle is planned，the local coordinate system of biped robots is established，the initial conditions for swinging movement of leg joints within a gait cycle are determined and a polynomial interpolation algorithm is used to plan the trajectory of robot swinging leg ankle joints and hip joints.

bipedrobot；straight-line walking；gait；joint trajectory

2017-04-10

哈爾濱石油學(xué)院課程改革與建設(shè)項(xiàng)目“‘單片機(jī)原理及應(yīng)用’課程教學(xué)改革”；黑龍江省高等教育學(xué)會(huì)“十三五”高等教育科研課題(規(guī)劃課題)項(xiàng)目“機(jī)電類專業(yè)本科創(chuàng)新教育體系研究與實(shí)踐”( 16G446)

張 蔓(1975-)，女，黑龍江哈爾濱人，講師，碩士，研究方向?yàn)闄C(jī)電創(chuàng)新設(shè)計(jì)及研究，E-mail：zhangman25873@qq.com。

TP242

A

2095-2953(2017)06-0035-03