一种粗糙地形下四足仿生机器人的柔顺步态生成方法_鄂明成

摘 要：传统以刚体动力学为基础的四足机器人运动控制方法对地形误差敏感，无法适应粗糙复杂地形，因 此提出一种基于虚拟模型的运动控制方法用于实现四足机器人在粗糙地形下的行走．建立了以足底接触力为约束 的高层步行任务和底层运动控制的映射关系．采用弹簧－阻尼－质量虚拟模型对四足机器人进行建模，将四足机 器人的步行任务用一系列作用于机体质心的虚拟力去表征，基于各足等效力矩平衡的原则，将笛卡儿空间的虚拟 力矢量分配到各支撑足，利用雅可比矩阵把足端力矢量转换为机器人关节空间的关节转矩．针对崎岖的空间 3 维 粗糙地形，建立了机器人躯干姿态与地形的关联参数，通过调整躯干姿态有效扩大了机器人对粗糙地形的适应程 度．运动仿真结果表明，机器人可以实现粗糙地形下稳定连续的行走，足底接触力平稳、无冲击，证明了该柔顺 步态生成方法的合理性和有效性． 关键词：四足机器人；运动控制；柔顺步态；虚拟模型；粗糙地形 中图分类号：TP242.6 文献标识码：A 文章编号：1002-0446(2014)-05-0584-08
；国家自然科学基金资助项目（61375099） ；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目 基金项目：国家 863 计划资助项目（2011AA040801） （2012JBM088） ． 通信作者：张秀丽，zhangxl@bjtu.edu.cn 收稿／ 录用／ 修回：2013-10-18/2014-02-26/2014-06-16
始研究更适合工程应用的足式机器人简化模型． Raibert[16-17] 使用弹簧负载倒立摆模型（SLIP）实现 单足机器人 Hopper 的稳定控制，并提出虚拟腿的 概念，将 SLIP 方法推广到四足机器人中， BigDog 的控制也是在该模型的基础上发展而来的． Pratt[18] 等利用虚拟模型直觉控制方法实现了双足机器人 Spring Turkey 在平整地面的步行，国内上海交通大 学陈佳品 [19] 等也采用类似的方法实现了四足机器 人 JTUWM-III 的直线步行． 近几年，为了适应足 式机器人运动高速、 高动态性、 高适应性的发展 趋势，更多学者研究柔顺步态控制方法， Buchli[20] 和 Park[21] 等设计了可变阻抗控制策略，针对四足 机器人对角步态的触地、 腾空等不同阶段来改变 阻抗参数，使四足机器人实现柔顺行走，顺利通过 具有多个圆柱体障碍物的非常规地形． Tran[22] 和 Havoutis[23] 建立了四足机器人的虚拟弹簧－阻尼单 腿模型，实现了主动柔顺步态，使机器人顺利通过 崎岖地形并能够抵抗侧向冲击力扰动． 本文针对四足机器人在 3 维崎岖地形下的柔顺 步态行走问题，建立四足机器人整体质量－弹簧－ 阻尼虚拟模型，将机器人的步行任务用一系列作用 于机体质心的虚拟力去表征，引入足力分配策略将 质心虚拟力转换为关节转矩，从而建立高层步行任 务和底层关节转矩的映射关系．通过将躯干姿态与 地形参数关联，实时在线调整虚拟力矢量，使机器 人的姿态适应当前地形，实现了 3 维崎岖地形下的 柔顺步态主动适应性行走．
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四足仿生机器人（The quadruped bionic robot）
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图 1 四足仿生机器人机构模型 Fig.1 The model of the quadruped bionic robot
基于四足哺乳动物骨骼结构设计的四足仿生机 器人如图 1 所示：机器人由躯干和 4 条结构相同的 腿组成，每条腿包括大腿、小腿和足 3 部分，前后 腿关节对称配置，每条腿有髋关节横滚、髋关节俯 仰、膝关节俯仰、踝关节俯仰 4 个主动旋转自由度， 整个机器人共有 16 个主动自由度．
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引言（Introduction）
四足仿生机器人很好地结合了运动的稳定性和 灵活性，具有很强的环境适应能力以及负载能力， 能够在多种特殊环境和场合下稳定高效地行走，在 军事运输、矿山开采、农林采伐、特种救援等许多
领域具有潜在应用前景．四足仿生机器人的研究始 于 20 世纪 60 年代，迄今为止国内外已产生了许多 典型的四足机器人样机 [1]．目前最具有代表性的研 究成果Fra Baidu bibliotek美国波士顿动力公司研发的 BigDog，具 有负载能力高、环境适应性好、行走速度快和续航 能力强的特点，实现了砾石、泥泞、雪地、丛林等
Compliant Gait Generation for a Quadruped Bionic Robot Walking on Rough Terrains
E Mingcheng1 ， LIU Hu1 ， ZHANG Xiuli1 ，FU Chenglong2 ，MA Hongxu3
(1. School of Mechanical, Electronic and Control Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China; 2. Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China; 3. College of Mechatronic Engineering and Automation, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)
第 36 卷第 5 期 2014 年 9 月 DOI：10.13973/j.cnki.robot.2014.0584
机器人
ROBOT
Vol.36, No.5 Sep., 2014
一种粗糙地形下四足仿生机器人的柔顺步态生成方法
鄂明成 1 ，刘 虎 1 ，张秀丽 1 ，付成龙 2 ，马宏绪 3
100084； （1. 北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京 100044； 2. 清华大学机械工程系，北京 3. 国防科学技术大学机电工程与自动化学院，湖南 长沙 410073）
第 36 卷第 5 期
鄂明成，等：一种粗糙地形下四足仿生机器人的柔顺步态生成方法
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多种地形行走，并可以抵抗较大的瞬时外力冲击， 其运动控制能力堪与仿生对象媲美 [2-3]．继 BigDog 之后，该公司又研制了具有高负载能力的 AlphaDog （LS3）以及能快速奔跑的 Cheetah 和 Wildcat．意大 利理工学院研制的电液混合驱动四足机器人 HyQ， 完成了对角小跑、 原地踏步抗冲击等高动态运动 实验，因其控制柔顺性而受到关注 [4-5]．韩国工业 技术研究院开发了由液压马达驱动的 qRT，完成了 崎岖地面稳定行走实验 [6]．中国在 2011 年启动了 “高性能四足仿生机器人” 863 主题项目 [7] ，掀起 了国内四足仿生机器人的研究热潮，包括山东大学 [8] 、国防科学技术大学 [9]、哈尔滨工业大学 [10]、上 海交通大学 [11] 为代表的数十家高校、 研究所和企 业参与了该课题研究，研制成功的若干台四足机器 人样机均成功实现了平坦规则地形下的行走功能， 但对于粗糙地形的适应性还有待提高． 现今，四足机器人的运动正朝着高速、 高负 载、高适应性的方向发展．其中，对复杂崎岖以及 自然地形的适应是四足机器人运动控制领域的研 究热点，也是四足机器人由实验室环境走向实际应 用领域所必须克服的难点．传统的运动控制方法是 基于刚体模型建立四足机器人的动力学模型，并对 环境进行精确建模，通过事先规划机器人躯体的运 动轨迹，以逆运动学和逆动力学求解关节转角以及 关节力矩，底层采用反馈控制来跟踪理想轨迹，并 通过实时轨迹修正来实现平衡控制．这种方法计算 量大，实时性差，难以适应复杂多变或者无法精确 建模的自然环境．四足机器人在粗糙未知地面稳定 行走的最大挑战来自足端与地面非预期碰撞产生的 冲击力，不平稳的足底接触力会导致机器人姿态失 稳，有效地减小冲击力是实现四足机器人在粗糙地 面稳定行走的必要条件． 减小地面冲击力、实现柔顺步态行走有两种实 现途径，在腿部采用被动柔顺机构或者采用合适的 主动柔顺控制策略．波士顿动力公司的四足机器人 及国内多家单位研制的四足机器人都在足端增加了 弹簧约束的踝关节被动移动自由度 [12-14] ， Masuda 等人研制的四足机器人的膝关节为弹簧约束的被动 转动自由度 [15] ，这些弹性结构具有明显的减震缓 冲和储能效果，能够一定程度上减小足部受到的地 面冲击力，但是在复杂的大崎岖地形下，被动柔顺 结构对四足机器人步态柔顺性的提高还很有限． 主动柔顺控制的实现主要是以弹性模型代替 刚体模型对足式机器人进行建模，并基于此施加 力控制算法． 从 20 世纪 80 年代起，一些学者开
Abstract: The conventional dynamic-based motion control for quadruped robots is sensitive to terrain errors and has difficulty in adapting to rough terrains. For this problem, a virtual model based motion control method is proposed for a quadruped robot walking on rough terrains. The mapping relationship between the high level locomotion task and low level motion control is built to satisfy the constraints of feet contact forces. The quadruped robot is built as a spring-damper-mass model. The locomotion task of the quadruped robot is represented using virtual forces acting on the mass centre of the body. A principle that all feet of the quadruped robot have balanced equivalent torques is assumed, based on which the virtual force vectors solved in Cartesian space are distributed to all supporting feet. The Jacobian matrix for each single leg is employed to convert the feet forces in Cartesian space into joint torques in joint space. As for rough terrains with 3D slopes, the trunk posture of the quadruped robot is changed according to the current terrain parameter so as to improve the robot’s ability to adapt to highly-rough terrains. Dynamic simulations results show that the quadruped robot traverses the rough terrains successfully with small trunk undulations and steady ground forces on the feet. Therefore, the effectiveness of the presented compliant gait generation approach is proved. Keywords: quadruped robot; motion control; complaint gait; virtual model; rough terrain