楼宇内四足机器人的步态分析

楼宇内四足机器人的步态分析
摘要：对楼宇中两种状态下四足机器人步态做出了规划和描述,然后采用投影分析法、平面
静平衡步态理论的分析方法和静态稳定裕度的判断方法，分别对直行和爬越楼梯两种状态下
步态分析和研究，仿真分析得出可用的最优步态，并实验验证了本文方法的正确性和有效性，同时也为其他不同环境下的四足机器人步态提供了参考依据。

关键词：四足机器人，爬越楼梯，步态，楼宇
中图分类号：TP242 文献标识码：A
1 引言
随着计算机和AI技术的迅速发展，应用于家庭服务、安全保障等多个领域的服务型机器人
被人类广泛研发并投入使用。

本文着眼于人类活动的主要场所楼宇，由于楼宇内道路狭窄，
楼梯错落分布等环境复杂性，传统的轮式及履带机器人便不再适用，因此本文的主要探讨对
象为具有更强移动灵活性和地表适应能力的四足机器人。

本文对四足机器人在楼宇中平面静
态直行和攀爬楼梯这两种状态下的静态稳定性步态进行研究和优化，并采取计算机仿真验证
本文方法的正确性和有效性。

2 四足机器人的静态稳定性衡量
机器人的稳定行走包括静态稳定性步态和动态稳定性步态两种。

静态稳定性步态在低速行走、爬越楼梯时，重心平衡、稳定性好、实用性强，适合楼宇内四足机器人的步态。

机器人的静态稳定性常用静态稳定裕度来衡量。

对于四足机器人来说，静态稳定裕度等于机
器人质心到立足点所形三角形边的最短距离，静态稳定裕度值越大，机器人稳定性越好。

3 四足机器人的直行步态分析
3.1 直行步态分析和描述
四足机器人主体框架结构为长方形，分别为腿1、腿2、腿3和腿4，单足一个步态周期包
括抬腿、落腿等两个事件；下一足开始动作前，上一足的两个事件都已发生。

因此，仅考虑
迈腿次序的排列组合，共计=2种步态。

迈腿次序不同，一个步态周期内不同时刻的静态稳定
裕度也是不同。

对四足机器人做出理想化假设：四条腿的跨距L等长；沿着两侧的两条平行
线前进；同侧足间距离相等；质量分布均匀等。

基于上述假设，四足机器人的迈腿顺序设定
为1-2-3-4 的步态。

3.2静态稳定裕度的研究
L2为前后腿间距；L为单足跨距。

机器人迈腿1时过程，为使该分步静态稳定裕度最大，四
足机器人在迈腿1前需通过躯干调整，此时可能得到的最大稳定裕度为：
四足机器人以1-2-3-4步态行走时，为了使四足机器人在下一次迈腿1时的静态稳定裕度达到最大，四足机器人躯干必须向后调整，其他分步躯干不需调整。

4 四足机器人爬越楼梯步态分析
4.1 爬越楼梯步态描述与规划
四足机器人在爬越楼梯过程中，躯干可保持的状态为水平或平行楼梯斜面两种。

采用躯干平
行楼梯斜面状态，前后腿运动空间趋于一致，可获得最大的静态稳定裕度，更适合于爬越楼梯。

根据不同楼宇环境内的楼梯，确定本文仿真研究的楼梯迈步高度和迈步宽度分别为150 mm，300 mm。

四足机器人爬越楼梯步态的选择可采用以下三个标准:（1）四足机器人的运动空间大小 (在前进方向上前后足的距离)；（2）四足机器人的静态稳定裕度大小；（3）四足机器人的躯体调整协调性 (质心向前或向后单一调整)。

根据上述三个标准，对比2.1所提到的24种步态，可以得出当迈腿顺序为4-1-3-2步态时，该步态在爬越楼梯时最优即最适用。

4.2静态稳定裕度的仿真研究
以4-1-3-2步态为基础，以得到较大的稳定裕度为目的，对爬越楼梯步态规划如下：四足机器人躯干先向前做出调整，迈腿4; 然后四足机器人躯干先向后做出调整,迈腿1; 四足机器人躯干再先向前调整,迈腿3,最后四足机器人躯干先向后调整,迈腿2,实现一个完整步态周期。

机器人在该方式下楼梯爬越的稳定裕度曲线如图2所示。

四足机器人步态仿真数据为：L2等于楼梯迈步宽度的1.5倍，即450 mm；单足跨距L等于迈步宽度，即300 mm；考虑到运动空间最小，L1取为150 mm．机器人迈腿1,2,3时的稳定裕度为92mm, 迈 4 腿时由于需要避免腿部与楼梯碰撞而牺牲部分稳定裕度，稳定裕度为70mm。

4.3爬越楼梯步态的优化
图2曲线可知，四足机器人质心调整的协调性不佳,调整前后出现波动。

将上述4-1-3-2步态做出适量调整: 四足机器人躯干先向前做出调整，迈腿4; 然后迈腿1; 四足机器人躯干再先向前调整,迈腿3,最后迈2腿,实现一个完整步态周期。

同时，对四足机器人的物理结构做出调整。

将最顶部的关节设计为活动范围可以发生变化。

对于不同长度和高度的楼梯，可以通过改变该关节活动范围的大小，使四足机器人的运动与楼梯尺寸更协调。

同时将每条足的大腿(即和最顶部关节相连的部分)伸长60mm,通过改变的长度来增大稳定裕度，弥补因躯干调整造成的稳定裕度损失，此时稳定裕度为85mm。

图3为对应的稳定裕度曲线，此时，稳定裕度，躯干的协调性都达到了最好的状态，且迈腿4时，稳定裕度未牺牲。

5 结论
本文通过对四足机器人两种不同状态下的静态稳定性步态的讨论分析，找出了适合楼宇内四足机器人的行走步态。

首先对两种状态下四足机器人步态做出了规划和描述,然后采用投影分析法、平面静平衡步态理论的分析方法和静态稳定裕度的判断方法，分别对直行和爬越楼梯两种状态下步态分析和研究，仿真分析得出可用的最优步态，并实验验证了本文方法的正确性和有效性，同时也为其他不同环境下的四足机器人步态提供了参考依据。

参考文献
[1] 林砺宗，张松，王启春，李志豪，等。

四足步行机器人步态规划与稳定性分析[J]。

机械与电子，2010，01：53-57。

[2] 朱坚民，李付才，李海伟，等。

轮腿式爬楼梯移动机器人的设计及运动特性分析[J]。

中国机械工程，2013，24(20)：2722-2730
[3] 陈学东，郭鸿勋，渡边桂吾。

四足机器人爬行步态的正运动学分析[ J]。

机械工程学报，2003，41(2)：8-12。

[4] 王新杰，李培根，陈学东，等。

四足步行机器人关节位姿和稳定性研究 [J]．中国机械工程，2005，16(17)：1561-1566。