仿人机器人步行运动控制研究.pdfVIP

第22卷 第 4期 广东石油化工学院学报 V01．22 No．4 2012年 8月 JournalofGuangdongUniversityofPetrochemicalTechnology Aug．2012 仿人机器人步行运动控制研究 柯文德 ，陈珂 ，李家兰 (1．广东石油化工学院计算机与电子信息学院，广东，茂名525000； 2．哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院，哈尔滨 150001) 摘要 ：针对仿人机器人多自由度的复杂机械连杆特征，详细分析了机器人运动构型以及步行规划约束、ZMP控制、奇异位姿 控制、二维倒立摆等运动模型，提出单双腿交替运动序列并采用离线生成双足步行运动轨迹和在线调整的方法。实验验证 了方法有效性。 关键词 ：机器人；双足步行；零力矩点(ZMP)；倒立摆 中图分类号．TP24 文献标识码：A 文章编号：2095—2562(2012)04—0030—04 相对于履带式、轮式、爬行、蠕动或多足机器人，仿人机器人具有多连杆的类人特征，更能适应复杂环 境，可在平地行走，也可在狭窄空间、带障碍地形、台阶、斜坡、不平整地面等非结构化的复杂环境中行走， 是 目前机器人领域的重要研究方向。双足步行机制是仿人机器人的基础性问题和研究热点，许多学者提 出了相关的研究方法，例如，文献[1]采用参数化步态优化方法，将复杂关节轨迹的规划问题转化为分段多 项式系数组成的有限参数向量的优化问题，得到了快速和慢速两组光滑无振动的优化步态；文献 [2]提出 了无碰撞行走的两步规划法，由约束状态时间函数对每个行走片段施加参数化时间约束 ，并采用B一样条 插值函数对生成的无碰撞行走轨迹进行平滑处理；文献[3]在仿人机器人被动行走过程中采用参数化的间 歇性正弦振荡器驱动机器人臀部关节，并由传感反馈信号实现被动行走的触发与停止；文献 [4]提出了伸 直腿行走，简化对关节力矩的计算，实现了双足机器人 HOAP一1的行走步态设计；文献 [5]对捕获的人体 双足步行运动轨迹划分出关键姿势与基本子相，并采用运动学与物理条件约束，实现了仿人机器人相似性 双足步行，等等。 以上这些研究主要侧重于双足步行的某一方面，并没有综合考虑仿人机器人的机械特点、运动约束、 步态生成等方面对双足步行的影响，基于此，本文在MOS2007仿人机器人平台上，综合分析了双足步行的 机械运动形态、动力学运动约束、ZMP控制、奇异位姿约束、运动步态生成等 模型，并提出离线规划与在线修正步态的方法。 1 仿人机器人运动构型 如图l所示的25自由度仿人机器人为例，其中，手臂 l0个(肩关节2个、 上臂 1个、肘关节 1个、腕部 1个)、腿部 12个(髋关节 3个、膝关节 1个、踝关 节2个)、头部2个、腰部 1个。以机器人双足间的中心位置为世界坐标系，其 三维矢量表示为 W=[ ， ， ，各关节局部坐标系为 L=[ ， ， ]T，i=1…7／,，n为 自由度数 目，根据齐次变化的链乘法则…，各连杆从局部 坐标系 至 连接起来， +1为相邻局部坐标系的齐次变换，则迭代变换 图 I 机器人机械构型 为 = ¨ ··oN-rv，其中 为世界坐标系中第Ⅳ关节位姿齐次变换矩阵。 收稿 日期：2011—12—16；修 回日期：2012—01—3o 基金项 目：广东高校石油化工过程装备与信息化控制工程技术开发中心开放基金。 作者简介：柯文德 (1976一)，男，博士生，副教授，研究方向：计算机系统结构 、机器人、人工智能等。 第4期 柯文德等：仿人机器人步行运动控制研究 31 2 运动学约束 2．1 步行规划约束 仿人机器人与轮式机器人的显著区别在于其具有双足步行能力，在平地行走日寸，机器人第关节位姿描 述为，其中，为关节连杆与地面夹角，则运动约束条件为 R一胁 =[戈，Y，，q]，其中，qi为关节连杆与地 面夹角，则运动约束条件为 ’ KDf t=KTc KDf+矗