双足机器人动态步行实时步态生成

ComputerEngineeringandApplications计算机工程与应用2011,47(24)217

双足机器人动态步行实时步态生成

2

刘成军1,李祖枢1,,厚之成1

2

LIUChengjun1,LIZushu1,,HOUZhicheng1

1.重庆大学智能自动化研究所,重庆400044

2.重庆理工大学计算机科学与工程学院,重庆400050

1.InstituteofIntelligentAutomation,ChongqingUniversity,Chongqing400044,China

2.CollegeofComputerScienceandEngineering,ChongqingUniversityofTechnology,Chongqing400050,China

LIUChengjun,LIZushu,http://www.mianfeiwendang.computerEngineeringandApplications,2011,47(24):217-220.

Abstract:Asimpleandintuitiveschemeaboutonlinelocomotionpatterngenerationofdynamicwalkingforbipedrobotispresentedtosolvethecomplexjointtrajectorydesign.Thedynamicsmodelofafive-linkplanarbipedrobotisestablished.Byimitatingthemaincharacteristicsofhumanwalkingmotion,thecomplexprocessofdynamicwalkingforbipedrobotisdividedbyfoursequencephasesaccordingtotherequirementsoftheposturechangeoflegsfordynamicwalking.Theloco-motionpatternoftrunk,themovementofswinglegandsupportleg,themethodofwalkingspeedadjustmentaredesignedinthejointanglespace.Thestablejointtrajectoryisgeneratedwithonlinefeedbackcontrol.Simulationresultshowstheeffec-tivenessoftheproposedmethodwhichissimpleandeasytoberealized.

Keywords:bipedrobot;dynamicwalking;locomotionpatterngeneration;controlsystems摘

要:针对双足机器人动态步行生成关节运动轨迹复杂问题,提出了一种简单直观的实时步态生成方案。建立了平面五杆双

足机器人动力学模型,通过模仿人类步行主要运动特征并根据双足机器人动态步行双腿姿态变化的要求,将动态步行复杂任务分解为顺序执行的四个过程,在关节空间相对坐标系下设计了躯干运动模式、摆动腿和支撑腿动作及步行速度调整模式,结合当前步行控制结果反馈实时产生稳定的关节运动轨迹。仿真实验验证了该方法的有效性,简单易实现。关键词:双足机器人;动态步行;步态生成;控制系统DOI:10.3778/j.issn.1002-8331.2011.24.061

文章编号:1002-8331(2011)24-0217-04

文献标识码:A

中图分类号:TP242.6

1引言

双足机器人具有与人类相似的步行运动方式,可以通过

行机器人。一种步行轨迹产生的方法是基于Poincaré回归映射将步行运动规划为一个完整的虚拟约束[8-9]。但由于获得Poincaré映射理论方法的困难性和数值方法计算的复杂性,其应用仍具有很大的局限性。另外一种方法是基于约束方程产生步行运动轨迹,求解结果是否满足步态的可重复性不直观。本文在分析双足机器人动力学模型的基础上,模仿人类步行主要运动特征,提出在关节空间相对坐标系下设计躯干运动模式、摆动腿和支撑腿动作及步行速度调整模式,结合当前步行控制结果反馈实时产生稳定的关节运动轨迹,并通过仿真实验验证了该方法的有效性,简单易实现。

狭窄空间、跨越障碍、上下台阶和斜坡,甚至在不平整地面上运动,更适合在人类的生活或工作环境中工作。双足机器人稳定、快速、自然的步行,对协助人类、与人合作具有重要的意义。

目前,双足机器人步行研究大多把ZMP(ZeroMomentPoint)稳定判据作为步行轨迹产生的基础,基于精确系统模型[1-2]或简化模型如倒立摆模型[3-6]在绝对坐标系下产生步行轨迹,求逆计算关节角空间轨迹。基于精确系统模型的方法可获得满足ZMP轨迹的确切步行解,但轨迹产生较复杂,系统对未建模因素敏感,不易实时实现;基于简化模型法解决了实时步行鲁棒性问题。但是,上述两种方法实现的行走方式属于静态或准动态行走,当步行过程中出现脚部欠驱动相时[7],不再符合ZMP姿态稳定判据的要求。

欠驱动双足机器人的研究给出了一种新的思路,步行过程中单支撑相的支撑域缩为一个点,是完全意义上的动态步

2双足机器人模型

假定双足机器人行走平面设定为矢状面xz平面内,机构

包括躯干和完全相同的两腿,每条腿有两杆通过膝关节链接而成,膝和髋均为一自由度理想(无摩擦)旋转关节。机器人步行过程由单腿支撑阶段和双腿支撑阶段组成。

基金项目:国家自然科学基金(theNationalNaturalScienceFoundationofChinaunderGrantNo.60905053,No.60574076)。

作者简介:刘成军(1980—),男,博士生,主要研究领域为双足机器人步行控制;李祖枢(1945—),男,教授,博士生导师;厚之成(1987—),男,硕士

:lcj_l@http://www.mianfeiwendang.com

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