双足步行机器人直线行走步态规划及关节轨迹研究

张 蔓，高宇博，邓佳玉，张 晶，任 欢

(哈尔滨石油学院，黑龙江 哈尔滨 150028)

研究与设计

双足步行机器人直线行走步态规划及关节轨迹研究

张 蔓，高宇博，邓佳玉，张 晶，任 欢

(哈尔滨石油学院，黑龙江 哈尔滨 150028)

对教学用双足机器人物理样机进行步态规划，运用仿生学方法，参考人类稳态步行特点，规划出一个步行周期内机器人直线行走过程中各个阶段重心移动的规律，建立双足机器人局部坐标系，确定一个步态周期中摆动腿关节运动初始条件，采用多项式插值算法规划出机器人摆动腿部踝关节和髋关节轨迹。

双足机器人；直线行走；步态；关节轨迹

机器人的研究水平在一定程度上代表了一个国家的综合科技水平，机器人能替代人类完成各种危险、精确的工作。机器人有多种形式，每种形式机器人应用的场合不同，如轮式机器人不适于在凸凹不平的地面移动，多足机器人不适于在狭窄的作业环境里工作，双足机器人对环境地形的要求不高，转动半径小，可以在崎岖地表及狭窄空间行动自如，应用范围广，因此对双足机器人的研究具有非常重要的意义。

1 双足步行机器人样机实际尺寸参数及自由度分配

本文以双足六自由度步行机器人样机为研究对象，机器人外观如图1所示，机器人样机的实际尺寸如图2所示。该机器人每条腿分配3个自由度；髋关节分配1个俯仰自由度；大腿和小腿之间的膝关节是固定的，因此膝关节没有自由度；踝关节2个自由度，分别为1个俯仰自由度和1个偏转自由度。

图1 双足步行机器人样机

图2 双足步行机器人实际尺寸

2 双足步行机器人直线行走的步态规划

一般来说，双足机器人分为主动步行机器人和被动步行机器人[1]；主动步行机器人通常分为10个自由度、12个自由度、14个自由度等，由电机等驱动装置安装在关节处提供动力；被动步行机器人最少有2个自由度，适宜斜坡下行，依靠重力作用，并在自身加装弹簧等装置。

通常12自由度的双足机器人能实现直线行走、转弯行走、上下楼梯等运动。本文中的双足步行机器人主要应用于教学演示，自由度较少，膝部关节固定没有自由度，适合直线行走。本文着重研究双足机器人直线行走的规律。

2.1 双足机器人行走过程分析

双足机器人直线行走分为正向运动和侧向运动，正向运动和侧向运动之间的耦合很小，直线行走主要研究机器人的正向运动。双足机器人步态规划的方法主要有仿生学步态规划法和数学模型步态规划法两种[2]，本文采用仿生学步态规划法。

双足机器人又称为仿人型机器人，是模仿人类躯干、腿部、踝部结构设计和组合起来的，因此机器人的稳定行走过程规划应分析人类行走过程，参考人类行走特点，形成双足步行机器人的行走规律，完成稳定、平衡的步态行走。

对机器人的行走分析通常是在一个典型的步态周期里进行，步态周期是指在行走时，一侧下肢完成从足部落地到该足再次落地的时间。在一个步态周期中，机器人行走可以分为双足支撑期和单足支撑期，其中，双足支撑期占整个步行周期的20%[3]。

参考人类步行特点，将步行机器人稳定行走过程分为起动、正常步行和停止三个阶段。机器人行走起动阶段如图3所示，首先从直立状态实现髋关节下移，重心向右移动，缓慢过渡到右腿支撑，左腿向前迈半步；完成起动阶段后机器人开始正常行走，正常步行阶段如图4所示，紧接起动阶段，重心向左移动，左腿成为支撑腿，右腿成为摆动腿，右腿向前迈出半步，并逐渐使重心回到两腿之间的中间位置，然后重心右移，右腿成为支撑腿，左腿成为摆动腿，左腿向前迈出半步；接下来逐步过渡到停止阶段，如图5所示，重心右移，左腿成为支撑腿，右腿成为摆动腿，右腿向前迈出半步，并使重心回到两腿之间的中间位置；最后实现髋关节上移，恢复直立平衡状态。

图3 机器人行走起动阶段

图4 机器人正常行走阶段

图5 机器人行走停止阶段

2.2 双足机器人直线行走摆动腿关节轨迹函数

一个机器人步行周期分为双足支撑期和单足支撑期两部分，双足支撑时间占整个步行周期的20%；双足支撑时期机器人足部和地面相对保持静止状态，髋关节位姿容易求得，运用逆运动学可求出其他关节函数。本文研究右腿支撑、左腿为摆动腿时摆动腿的关节变化曲线。如图6所示，以水平方向为X轴，竖直方向为Z轴，支撑腿踝关节在支撑平面的投影为原点，建立双足机器人局部坐标系。取左腿摆动腿上三个位姿点，其分别是踝关节运动起点、抬腿最高处及运动终止点。假设机器人步长为Lb，抬腿最高处踝关节高度为Hh，髋关节高度为Hk，步行周期为T；起点时刻为tqd，抬腿最高时刻为tzg，停止时刻为ttz。

图6 双足机器人局部坐标系

表1 踝关节坐标及各时刻速度和加速度表示

采用多项式插值法可得踝关节水平和竖直方向的运动轨迹为：

(1)将初始值带入式(1)可求得摆动腿髋关节在水平和竖直方向的运动轨迹，同理可求解摆动腿髋关节在水平和竖直方向的运动规律。

3 小结

采用图解法分析了双足机器人稳定直线行走各阶段的规律；建立了局部坐标系，确定了双足机器人摆动腿踝关节速度、加速度等物理变量的初始值；根据静态行走特点建立多项插值方程，得出双足机器人关节的运动规律。

[1] 周雪峰.六自由度双足机器人步行研究[D].广州：华南理工大学，2011.

[2] 朱硕迪.六自由度双足竞步机器人的结构设计及轨迹跟踪[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2015.

[3] 朱晓光.双足机器人步态与路径规划研究[D].北京：华北电力大学，2012.

(责任编辑 张雅芳)

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

哈尔滨石油学院课程改革与建设项目“‘单片机原理及应用’课程教学改革”；黑龙江省高等教育学会“十三五”高等教育科研课题(规划课题)项目“机电类专业本科创新教育体系研究与实践”( 16G446)

张 蔓(1975-)，女，黑龙江哈尔滨人，讲师，硕士，研究方向为机电创新设计及研究，E-mail：zhangman25873@qq.com。

TP242

A

2095-2953(2017)06-0035-03