四足步行機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃與穩(wěn)定性分析.pdf

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1、四足步行機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃與穩(wěn)定性分析智能工程林礪宗，張松，王啟春，李志豪(華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海200237)GaitPlanningandStabilityAnalysisofQuadrupedWalkingRobotLINLi—zong。ZHANGSong，WANGQi—chun·LIZhi—hao(SchoolofMechanicalandPowerEngineering．EastChinaUniversityofScienceandTechnology·Shanghai200237，China)摘要：通過對(duì)各種步態(tài)詳細(xì)的分析和討論，得出以及

2、何時(shí)落地等。對(duì)于關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃，規(guī)劃函了穩(wěn)定行走的最佳步態(tài)。為了得到穩(wěn)定、易于控制數(shù)生成的值就是關(guān)節(jié)量，而直角坐標(biāo)空間軌跡規(guī)劃的機(jī)器人系統(tǒng)，研究和分析了四足機(jī)器人的靜態(tài)穩(wěn)函數(shù)生成的值是機(jī)器人末端執(zhí)行器的位姿，它們需定性，并給出了系統(tǒng)穩(wěn)定性的判斷方法。要通過求解逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程才能轉(zhuǎn)化為關(guān)節(jié)量。關(guān)鍵詞：四足步行機(jī)器人；步態(tài)規(guī)劃；靜態(tài)穩(wěn)定2步態(tài)分析性中圖分類號(hào)：TP242根據(jù)運(yùn)動(dòng)過程中占空比的不同，把運(yùn)動(dòng)步態(tài)文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A分為3種[2]：行走(0．75)；疾走(o．5~

3、)。其中行走步態(tài)是穩(wěn)定步態(tài)，疾走和Abstract：Throughdetailedanalysisanddis—飛奔是不穩(wěn)定步態(tài)。穩(wěn)定步態(tài)時(shí)，其運(yùn)動(dòng)的任一時(shí)cussiontOavarietyofgaits，aoptimalstabilitygait刻至少應(yīng)有3條腿與地面接觸支撐機(jī)體，且機(jī)體根hasbeenacquired．Basedonresearchandanalysis據(jù)穩(wěn)定區(qū)間作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，使重心落在3足支撐點(diǎn)ofthequadrupedrobot’Sstaticstability，inordertO構(gòu)成的三角形區(qū)域內(nèi)。在行走的時(shí)候，4條腿輪流obtai

4、nstableandeasycontrolsystemstOtherobot抬跨，不斷改變足落地位置，構(gòu)成新的穩(wěn)定三角形來andgaveanassessmentmethodofthesystemsta—保證穩(wěn)定。此種運(yùn)動(dòng)過程是占空比O．75的行走bility．步態(tài)，能夠使機(jī)器人系統(tǒng)在行走時(shí)維持比較好的穩(wěn)Keywords：quadrupedwalkingrobot；gait定性。四足步行機(jī)器人主體框架結(jié)構(gòu)為長方形的結(jié)planning；staticstability構(gòu)口]，如圖1所示，分為左前腿、右前腿、左后腿和右后腿。圖1中X為其前進(jìn)方向上足1和足2之間的距離，

5、且X≤L／2。L為前后腿之間的距離。4條1步態(tài)規(guī)劃腿依次序各邁1次，根據(jù)排列組合共有A：一24種步態(tài)是行走系統(tǒng)的邁步方式，即行走系統(tǒng)抬腿可能的步態(tài)。和放腿的順序。機(jī)器人的步態(tài)從一定程度上描述ForwardI／了、同時(shí)也決定著機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)方向、安／／／7全可靠性及機(jī)動(dòng)性。在選擇或制定步態(tài)時(shí)應(yīng)綜合考慮機(jī)器人的穩(wěn)定性要求、機(jī)體運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性、行走壁面情況、速度要求和能量消耗及控制的難易性等種種因素。四足步行機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃[1]，是指機(jī)器人圖1四足初始位置行走過程中其各組成部分運(yùn)動(dòng)軌跡的規(guī)劃，比如腳達(dá)到一定的穩(wěn)定裕度時(shí)，機(jī)器人行走得越快、所掌何時(shí)離開地面、擺

6、動(dòng)相中整個(gè)腳掌在空中的軌跡消耗的能量越少，該步態(tài)就越佳Ⅲ。一個(gè)步態(tài)周期收稿日期；2009—09—08分為邁腿時(shí)間和調(diào)整時(shí)間。行走快慢和絕對(duì)跨距的《機(jī)械與電子~2010(1)·53·大小、邁腿時(shí)間及重心調(diào)整量有關(guān)。邁腿時(shí)間越小越好，但這僅和機(jī)器人的機(jī)械性能有關(guān)與步態(tài)無關(guān)。／行走的快慢以在一個(gè)周期內(nèi)，為達(dá)到一定穩(wěn)定裕度所需要重心最小調(diào)整量來衡量，最小調(diào)整量越小，步態(tài)的效率就越高。所消耗的能量與一個(gè)周期內(nèi)重心>＼的最小移動(dòng)量有關(guān)，整個(gè)周期內(nèi)重心最小移動(dòng)量越／小，則這種步態(tài)行走所消耗的能量就越小。如圖2～圖8所示，以步態(tài)1—2—3—4為例，計(jì)圖6邁腿3的過程算整個(gè)周期

7、所需重心最小調(diào)整量的總和以及重心的最小移動(dòng)量總和，其中穩(wěn)定裕度為S。。244圖7邁腿4的過程4圖8恢復(fù)初始位圖2為邁1腿的過程，為了重心調(diào)整最少，在這圖3初始位置個(gè)過程中，重心不變。圖3為該步態(tài)能達(dá)到最小穩(wěn)定裕度為S時(shí)的最佳初始位置，圖4為邁2腿的過程，在這個(gè)過程中，為了下次重心調(diào)整量最少，這次重心最少隨動(dòng)為L／Z。圖5為調(diào)整過程，為了滿足穩(wěn)定裕度為S。，中心最少調(diào)整量為2S。圖6為邁3腿的過程，在這個(gè)過程中，為了下次重心調(diào)整量最少，這次重心最少隨動(dòng)量為L／Z。圖7為邁4腿的過程，為了重心調(diào)整最少，在這個(gè)過程中，重心不變。圖4邁腿2的過程圖8為恢復(fù)到初始位置的

8、過程，其重心的最小調(diào)整2量為2S。。由