V仿人雙足機器人上樓梯軌跡規(guī)劃及實現(xiàn).pdf

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1、仿人雙足機器人上樓梯軌跡規(guī)劃及實現(xiàn)Trajectoryplanningandimplementationofhumanoidrobotupstairs宮赤坤高麗麗GONGChi-kun,GAOLi-li（上海理工大學(xué)機械工程學(xué)院，上海200093）摘要：通過對人的行走方式進行觀察模擬設(shè)計了仿人雙足機器人，運用DH方法分析其機構(gòu)，為其設(shè)計了具有周期循環(huán)性的上樓梯步態(tài)，并把三維實體模型導(dǎo)入到運動分析軟件ADAMS中，添加約束驅(qū)動等，進行驗證。將仿真結(jié)果應(yīng)用到現(xiàn)實物理樣機上，使物理樣機實現(xiàn)了人的上樓梯

2、動作。關(guān)鍵詞：雙足機器人；約束；ADAMS；步態(tài)規(guī)劃中圖分類號：TP24文獻標(biāo)識碼：B　文章編號：1009-0134(2012)10(上)-0108-04Doi:10.3969/j.issn.1009-0134.2012.10(上).340引言各個零件，然后進行裝配得到完整的雙足機器人的腿部和髖部。導(dǎo)入到ADAMS中，添加好質(zhì)量，約雙足機器人的研究已逐漸成為機器人學(xué)中一束，運動副等元素后的虛擬樣機模型如圖1所示。個令人關(guān)注的焦點。雙足機器人對環(huán)境具有良好為了進行雙足機器人的上樓梯軌跡規(guī)劃，首的適

3、應(yīng)性，其仿人的特性使其具有廣闊的應(yīng)用前先建立坐標(biāo)系，本文坐標(biāo)系建立方法如下：基礎(chǔ)景，各國越來越重視對仿人雙足機器人的研究工坐標(biāo)系固定在地面上。對機器人進行逆運動學(xué)分作。與傳統(tǒng)的輪式機器人等相比，仿人機器人最[1]析的時候需要兩個坐標(biāo)系的軌跡才能計算出所有難解決的問題之一就在于對步態(tài)的規(guī)劃，而上坐標(biāo)系的位姿，一般選取髖部和末端。故為了逆樓梯的步態(tài)規(guī)劃更加困難。仿人雙足機器人主要運動學(xué)計算過程中髖部和末端的軌跡容易得到，是模仿現(xiàn)實中人腿的結(jié)構(gòu)和運動形式的機器人系[2]所以決定在髖部建立一個沒有轉(zhuǎn)動關(guān)

4、節(jié)的坐標(biāo)系，統(tǒng)。由于雙足機器人具有人腿的結(jié)構(gòu)特征，因此然后以該坐標(biāo)系為基坐標(biāo)系，按照D-H方法來建能夠適應(yīng)各種不同的路況環(huán)境。穩(wěn)定行走是仿人立兩條腿各個關(guān)節(jié)的坐標(biāo)系。為了容易得到末端機器人研究的關(guān)鍵技術(shù)，多年來對仿人機器人的的軌跡，將最后一個末端坐標(biāo)系建立在腳板前端研究主要集中在實現(xiàn)平整地面上的雙足穩(wěn)定行走，的中心處，末端坐標(biāo)系原點和髖部兩側(cè)坐標(biāo)系原并取得了一些成果。但是如何在復(fù)雜地面上實現(xiàn)快速穩(wěn)定行走一直是仿人機器人研究中的瓶頸問[3]題。本文中通過觀察分析現(xiàn)實中人腿的結(jié)構(gòu)及其上樓梯的過程設(shè)計

5、了雙足機器人的模型，每條腿具有5個自由度來模仿人的上樓梯步態(tài)。人的[4]步行具有周期循環(huán)性，左右腿不斷交替支撐身體達到行走的目的，因此本文中著重利用雙腿的周期循環(huán)性來設(shè)計模仿行走步態(tài)，并且在ADAMS中對設(shè)計的步態(tài)進行虛擬仿真來驗證步態(tài)軌跡規(guī)劃的正確可行性。根據(jù)虛擬樣機的運動參數(shù)設(shè)定現(xiàn)實中物理樣機的驅(qū)動參數(shù)來實現(xiàn)仿人雙足機器人的上樓梯動作。1仿人雙足機器人DH坐標(biāo)系的建立先使用三維軟件SolidWorks畫出雙足機器人的圖1雙足機器人虛擬樣機模型收稿日期：2012-02-24基金項目：上海市教育

6、委員會重點學(xué)科建設(shè)項目資助（J50503）作者簡介：宮赤坤（1968－），男，副教授，博士后，主要研究方向為機器人?！?08】第34卷第10期2012-10(上)X8Z8Z1Y8X9Z9X1Y9Y2X2Y1Z2X3X10Z10Y3Y10Z3X4X11Z11Y4Y11Z4X12Z12X5Y12X13Y13圖3起步階段上臺階運動示意圖Y5Z5Z13X6表1髖關(guān)節(jié)和兩腿末端軌跡位置坐標(biāo)Z0Z6Y6X7Y7X0髖關(guān)節(jié)左腿末端右腿末端Y0Z7步態(tài)XYZXYZXYZ圖2DH坐標(biāo)系000201.5-34.54

7、2034.5420點在同一YOZ平面內(nèi)，這為機器人上下臺階軌跡100185-34.542034.5420規(guī)劃奠定了基礎(chǔ)。采用后置法，所以坐標(biāo)系2和2700180-34.542034.5420坐標(biāo)系8都固定在髖部。DH坐標(biāo)系的建立如圖23705180-34.5420233230所示。4705180-34.542023100302仿人雙足機器人步行軌跡規(guī)劃5063180-34.542034.512715根據(jù)所設(shè)計的雙足機器人的腳板尺寸，長2）中步階段和寬分別為84mm和76mm，臺階面的寬度設(shè)為雖然

8、上臺階運動的中步階段和前進運動的中85mm，高度設(shè)為15mm。初始狀態(tài)兩腳的前端頂步階段一樣都具有周期性，但是卻不能像前進運到臺階。動那樣直接使用起步階段的數(shù)據(jù)，因為上臺階運根據(jù)人的行走方式，上臺階與前進行走有些動中擺動腿邁出的距離為臺階面的寬度85mm，而不同的地方。前進運動將擺動腿抬起之后再向前前進運動中擺動腿邁出的距離為42mm，相差很落下即可，腳的抬起高度沒有限制。但是上臺階大，因此當(dāng)機器人上了一級臺階之后重心在兩只時因為有臺階高度的限制，所以擺動腿抬起的高腳掌中間，相比較與前進運動而言