小型仿人机器人的设计及步态规划

第17卷 V01．17 第8期 No．8 电子工程 ElectronicDesignEngineering 2009年8月 Aug．2009 小型仿人机器人的设计及步态规划 谭林，鲁守银，刘存根，张伟 (山东建筑大学信息与电气工程学院，山东济南，250101) 摘要：针对现有仿人形机器人造价高的缺点，设计一款低成本的小型双足机器人研究平台。根据人类步行过程及人 体生理结构．依据模糊控制与专家控制相结合的理论提出一种简单的双足机器人模型，并根据仿生学原理确定机 器人的自由度配置及各关节的比例尺寸。然后。利用目前通用的行为规划软件对双足机器人步态规划进行仿真。并 在平坦地面上进行相应行走试验。实验。根据人行走模式对机器人进行步态规划的算法稳定可行，为机器人的 教学和科研提供了良好的实验平台。 关键词：双足机器人；双足步行；规划软件；步态规划 中图分类号：TP242 文献标识码：A 文件编号：1674--6236(2009)08-0079--02 Designofsmallbipedrobotanditsgaitplanning TANLin。叫Shou·yin，UUCun-gen。ZHANGWei (SchoolofInformationandElectricalens洫ering。ShandongJianzhuUniversity，J／’，啪250101，China) Abstract：Aimingatthepresenthighcosthumanoidrobot，alowcostsmallbipedrobotresean!hplatformisdesignedin thispaper．Accordingtothehumanoidwalkingandthephysiologicalstructureofhumanbody，combingtheexpertcontrol andillegiblecontrol，asimplebipedrobotmodelispresented．Andtheassignationofthefreedomofmotionandthescale ofeveryankleoftherobotaleconfirmedaccordingtotheprincipleofbionics．Thentheuniversalmotioneditoremulates thegaitplanningoftherobot。andmakesallexperimentonthefiatground．netestresultsprovethatthearithmeticofas- inghumanoidwalkingmodelisfeasible．Itsuppiesagoodexperimentplatformforrobotteachingandscientificresearch． Keywords：bipedrobot；bipedwalking；motioneditor；gajtplanning l 引言 机器人是一门综合性很强的学科．有着极其广泛的研究 和应用领域。机器人技术是综合计算机技术、信息融合技术、 机构学、传感技术、仿生科学以及人工智能等多学科而形成 的高新技术，它不仅涉及到线性、非线性、基于多种传感器信 息控制以及实时控制技术．而且还包括复杂机电系统的建 模、数字仿真技术及混合系统的控制研究等方面的技术。 仿人形机器人是机器人技术中的一个重要研究课。而 双足机器人是仿人形机器人研究的前奏。步行技术是人与大 多数动物所具有的移动方式。是一种高度自动化的运动，双 足步行系统具有非常复杂的动力学特性，具有很强的环境适 应性。相对轮式、履带式机器人，它具有无可比拟的优越性， 可进入狭窄的作业空间。也可跨越障碍、上下台阶、斜坡及在 不平整的地面上工作。以及护理老人、康复医学和一般家庭 的家政服务。另一方面。由于双足机器人具有多关节、多驱动 器和多传感器的特点．而且一般都具有冗余的自由度，这些 特点对其控制问题带来很大难度，为各种控制和优化方法提 供理想的实验平台．使其成为一个令人瞩目的研究方向。因 此对双足步行机器人行走规划机器控制的研究不仅具有很 收稿日期：2009-03--04稿件编号：200903019 高的学术价值，而且具有一定的现实意义。 以小型双足机器人的设计为重点．介绍一款小型双足机 器人的设计，包括自由度配置．动力源核材料选择，并针对所 设计的机器人进行静态步行规划。 2小型双足机器人本体设计 作为一种双足机器人研究平台．要求所设计的机器人能 够满足研究者对双足机器人的基本要求．即机器人具备稳定 行走的能力。为研究双足机器人的行走方法步态规划提供平 台。图l为所设计的双足机器人的平面图。机器人共有18个 自由度．头部的前方和左右两侧都装有超声波传感器，用来 检测障碍物．头顶装有声敏传感器，用来检测声音。 2．1机器人自由度配置 郑元芳博士111从仿生学的角度研究仿人机器人腿部自由 度配置。得出关节扭矩最小条件下的两足步行结构自由度配 置。他认为髋部和踝部各设置2个自由度，可改变行走 方向．踝关节处再增加一个回转自由度。使得脚板在不规则 的表面落地；膝关节设置1个自由度。方便上下台阶。则每条 腿要设置7个自由度。 根据郑元芳理论，可规划出所设计的类人机器人的运动 过程和行走步骤：重心左移(假设先迈右腿，左脚支撵)、右腿 作者简介：谭林(1982一)。男．山东戚海人，硕士研究生。研究方向：步行机嚣人制作，电机控制。 ．-79-． 万方数据 《电子设计工程)2009年第8期 位置。微型伺服电机马达具有高力矩、高性能、控制简单、装 配灵活、价格低等优点。从各方面因素考虑，本设计选用微型 伺服电机作为驱动元件。该设计选用Robotis公司生产的 AX-12+伺服电机，电机之间通过串口通信，由主控制器打包 传输通信数据。 3双足机器人步态规划 目前双足机器人的步态规划一般采用两种方法：一种是 应用数学手段通过建立机器人的数学模型进行规划．另一种 方法是模拟人的行走过程及人的生理结构。该设计采用后者。 人类步行运动是以一条腿交替地作为支撑．向前摆动另 一条腿，并伴以躯干和手臂的运动而实现的．其过程和机理 图l机器人平面图 非常复杂。研究表明：双足机器人在平稳步行的条件下。能够 抬起、右腿放下、重心移到两腿间、重心右移、左腿抬起、左腿 实现上身躯和下肢的运动解耦，并易于对下身躯的各个关节 放下、重心移到两腿间，共分8个阶段。这里设计的机器人具 角进行角度规划。因此可利用解耦控制分别控制上身躯和下 有避障功能，因此髋关节的侧向旋转自由度必不可少。所设 身躯的运动。并且对下身躯的各个关节角实施规划。因此．分 计的机器人不考虑在不规则地面上行走问题，所以可以不设 析和模拟人类的步行运动时。应重点抓住下肢的主要动作特 置踝关节的侧向旋转自由度。这样设计出的机器人虽然不能 点和要领Im。 站在不规则的地面上．但可以在平地上完成所有的行走过 3．1人体步态周期研究 程，实现前行、后退、转弯等动作。 人体在行走的过程中，其重心不断地周期性移动和改变． 这样设计出的机器人腿部共有12个自由度，每条腿各6 在任何时刻至少有一只脚与地面接触．而其中一段是两只脚 个，即踝关节前向和扭转2个自由度，膝关节前向1个自由 同时着地。单支撑和双支撑交替进行，但只有单支撑和双支 度，髋关节有前向、侧向旋转和转向3个自由度。自由度的设 撑在行走周期中所占比例合理，才能保持身体平衡141。以一个 置如图2所示。 周期为研究对象，比例分配如图3所示。 图2自由度配置图 2．2机器人驱动元件的选择 在驱动元件的选择上．早期研究者曾试图模仿人的肌肉 运动方式用气动人1二肌肉作为双足步行机的驱动元件．这种 气动人工肌肉通过橡胶管充气膨胀引起的收缩来代替人体 肌纤维的收缩运动．但由于技术水平的限制。人工肌肉在体 积和力学特性等方面都与真正肌肉有较大差距，实际效果并 不好。目前．大部分机器人采用伺服电机作为驱动元件。伺服 电机具有速度快、扭矩大的特点，并配备双向接I=1。能够监测 当前电机位置。因此得到广泛应用，并取得良好效果。 微型伺服电机内部包括一个小型直流马达、一组变速齿 轮、一个反馈可调电位器及一块电子控制板．是一种可定位 的直流电机，当接收到一个位置指令时．就会运动到指定的 一8(卜 右 图3行走周期图 3．2根据周期比例利用通用软件规划步态 由图3可知。在一个完整的步态周期里包括2个双支撑 和2个单支撑时间，设置双支撑占周期的20％．单支撑占周 期的80％。对于单腿来说，整个周期里只有一个摆动周期．占 周期的40％，支撑周期由一个单支撑和两个双支撵组成．占 周期的60％。两条腿的髋关节角度必须满足式(1)．才能保持 行走时身体平衡[Sl。 ∑(x广．)(衍) =l 式中，r为髋关节的相关系数，r／,为自由度．毛和氕分别是人类 和机器人在第i次运动的髋关节角度，；和彳分别是人类和机 器人在一个周期内髋关节运动角度的平均值。 根据式(1)利用目前通用的机器人行为编辑软件嘲进行 步态规划．规划结果如图4所示。 根据图4所示的步态规划与仿真图对所设计的机器人 进行行走试验。试验结果表明。机器人在行(下转第83页) 万方数据 宋晓茹．等基于ARM和CPLD的温度控制器的设计 l启动采集信号l锣 铆 执行丛垫动作l I ●一 通过RS232传送上位机 且上传网络，信息共享 图4系统软件流程 图5网络接口模块主程序流程 平台具有广阔的应用前景，可广泛用于工农业检测、智能控 制等控制领域。为以后系统升级提供有益参考。 参考文献： 【l】马忠梅．AT91系列ARM核微控制器结构与开发[M】．北京： 北京航空航天大学出版社．2007． 【2】吴金华，郑耿。李驹光．基于ARM9的无线数据终端的设 计与实现阴．计算机工程，2008，34(14)：253-255． 【3】北京恒颐高科技术有限公司Hvesco9200E用户手册[EB／ OLl．2006．hup：／／www．hyesco．corn． 【41昊亮．DSl8820型数字温度传感器在烟叶烤房检测仪中 的应用【J1．电子设计工程，2005，12(10)：19—21． 【5】罗轶群，代作晓．基于DSP与CPLD的多通道数据采集系 统的设计叨．现代电子技术．2008，32(15)：114-116． 【6】李辉．PLD与数字系统设计【M】．西安：西安电子科技大学 出版社．2005． 【7】韩剑．基于CPLD和89S51的多功能信号测量仪【J】．电子 设计工程．2008，16(7)：43_44． 【81徐平江，庞娜．基于MSCl201型微处理器的温度控制系 统的实J觅tJ]．电子设计工程，2006，14(3)：6“70． ·+一+一+一+-+一+一+-+一+-+-+—+-+一+-+·+-+-'-+---4-----4"---4--一+---6----4---+‘+--4--。+。+。。_‘。—+一。—●一。—+一‘ (上接第80页) 步态规划方法从模仿人的角度很 好反映拟人体生物机械的高效步 行机理。采用模糊控制和专家控 制理论．以步态稳定状态为输入， 非时间参考量轨迹的修正量为输 出．调节机器人的瞬时步行速度 和双脚着地的周期比例，在线实 时修正步态。机器人可在不改变 空间运动路径的情况下实现动态 稳定步行。 参考文献： f11贺廉云．双足机器人的行走模 型及步态规划[J】．信息技术与 信息化，2008(2)：64—66． 【2l郭志攀，杜志江．小型机器人 图4软件步态规划仿真图 走之前要有立正的准备姿势，使其重心与身体所在平面与地 面垂直。通过调整膝关节角度实现机器人的稳定行走，证明 了该算法可行。 4结论 设计了一款结构紧凑、外形美观的小型双足机器人本 体．机器人共18个自由度，每条腿6个．每条臂3个，可用作 科学研究平台，也可用于机器人比赛。使用行为编辑软件步态 规划所设计的机器人。所规划的步态模式具有轨迹可达性和 运动可控性．反映一种连续稳定的自然行走模式。仿人模式的 设计及步态规划【J】．机械工程 师．2007(8)：48—50． f31汤超，刘涛．十七自由度双足机器人的步行稳定性研究 【J】．2006(SI)：556-560． ⋯苗淑杰．王立权．杨新海．双足机器人拟人步行模式研究田． 黑龙江工程学院学报，2008，22(3)：57-62． 【5】DGEHobbelen，MWisse．Adisturbancerejeetionme幽ure forlimitcyclewalkers：Thegaitsensitivitynorm[J1．IEEE TransactionsOIIRobotics，2007，23(2)：l213一l224． 【6】步态规划仿真软件下栽[F．S／OL]．2008．WW'W．robotis．corn． -83- 万方数据 小型仿人机器人的设计及步态规划 作者： 谭林， 鲁守银， 刘存根， 张伟， TAN Lin， LU Shou-yin， LIU Cun-gen， ZHANG Wei 作者单位： 山东建筑大学信息与电气工程学院,山东济南,250101 刊名： 电子设计工程 英文刊名： ELECTRONIC DESIGN ENGINEERING 年，卷(期)： 2009,17(8) 参考文献(6条) 1.D G E Hobbelen;M Wisse A disturbance rejection measure for limit cycle walkers:The gait sensitivity norm 2007(02) 2.步态规划仿真软件下栽 2008 3.苗淑杰;王立权;杨新海 双足机器人拟人步行模式研究[期刊论文]-黑龙江工程学院学报（自然科学版） 2008(03) 4.汤超;刘涛 十七自由度双足机器人的步行稳定性研究 2006(z1) 5.郭志攀;杜志江 小型机器人设计及步态规划[期刊论文]-机械工程师 2007(08) 6.贺廉云 双足机器人的行走模型及步态规划[期刊论文]-信息技术与信息化 2008(02) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_dzsjgc200908030.aspx