人类步行启发的半被动双足步行机器人

jiqiren

第42卷第4期

2011年4月

中南大学学报(自然科学版)

JournalofCentralSouth

、,0l-42No.4

University(ScienceandTechnology)

Apr.2011

一种由人类步行启发的半被动双足步行机器人

倪修华,陈维山,刘军考,石胜君

(哈尔滨工业大学机器入技术与系统国家重点实验室,黑龙江哈尔滨,150001)

摘要:针对半被动双足步行机器人所采用的控制方法大多较为复杂,并且缺乏控制参数对机器人性能影响的定量分析,从人类步行的生物力学研究得到启发,提出一种半被动双足步行机器人的控制方法,并定量分析该控制方法各参数对机器人性能的影响。在机器人摆动腿与地发生碰撞后开始于髋关节处施加方波力矩,作为动力输入。采用步态敏感范数衡量机器人的稳定性,采用无量纲步行能耗衡量机器人的步行效率。以稳定性、效率和步行速度作为机器人性能评价指标,通过仿真得到力矩、力矩作用时间和斜坡角度3个参数对机器人性能的影响。由于力矩在1个步行周期中没有做负功,该机器人具有与人类步行相似的高能量效率。该机器人能够实现沿上坡、下坡和平地步行。

关键词:半被动步行;机器人:稳定性;效率:速度中图分类号:TP24

文献标志码:A

文章编号:1672—7207(2011)04-1028-07

Aquasi—passivedynamicwalkerinspiredbyhumanwalking

NIXiu-hua,CHENWei—shah,LIUJun-kao,SHI

Sheng-jun

(StateKeyLaboratoryofRoboticsandSystem,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China)

Abstract:Sincethepresentcontrolofthecontrol

methodsforquasi-passivedynamicwalkersarecomplex,andfewquantitativestudy

parameters

on

theperformanceofquasi-passivedynamicwalkershasbeendone,inspiredbybiomcchanies

inhumanwalking,acontrolmethodforthequasi-passivedynamicwalkerandquantitativecontrolparameters

on

the

performanceofthequasi-passivedynamicwalkerwerestudied.After

of

theimpactbetweenswinglegandground,atorque

noFn'1

squarewavewasappliedatthehipaspowersupply.Thegaitsensitivity

was

used

to

quantifythestability,and

the

dimensionlesscostoftransportwasusedtoquantifythewalkingefficiency.Stability,efficiencyandvelocitywere

as

used

on

three

performancecriteria.Theeffects

criteriawereobtainedby

ofthe

amplitudeoftorque,the

application

timeoftorqueandslopeangle

the

performance

simulations.Since

as

thetorquedoesnot

robot

can

donegativeworkduringthewhole

walkingperiod,thewalkerhas

high

efficiency

humanwalking.The

walkupslope,walkdown

slope

andwalkon

flatground.

Keywords:quasi—passivedynamicwalking;robot;stability;efficiency;velocity

McGeertll于1990年提出了被动步行的理论,并通过仿真和实验验证了无驱动与主动控制的被动步行机器人可以沿斜坡向下稳定行走。根据被动步行的理论,许多学者在踝关节或者髋关节处加入主动驱动与控制[2_3】,研制了多款可沿平地行走的半被动步行机器

收稿日期:2010—04-04:修回日期:2010-06-22基金项目:国家自然科学基金资助项Iil(59705011)

人。与基于零力矩点轨迹规划方法研制的以Asimo为代表的传统机器人相比,被动步行机器人具有更简单的结构和更高的能量效率[4-51,而且被动步行机器人的行走步态更加自然,与人的行走步态更加相似‘61。由于半被动步行机器人不采用轨迹规划与跟踪的控制方

通信作者:倪修华(1980-),男,江西九江人,博士研究生,从事仿生机器人研究:电话:13651830703:E-maihnixitthua@gmail.C01

万方数据

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