双足机器人步态规划与运动仿真

中 图 分 类 号 ：ＴＰ２４２．６
文 献 标 志 码 ：Ａ
Ｇ ａｉｔ Ｐｌａｎｎｉｎｇ ａｎｄ Ｍ ｏｖｅｍ ｅｎｔ Ｓｉｍ ｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｂｉｐｅｄ Ｒｏｂｏｔｓ
ＬＩＵ Ｚｈｏｎｇ－ｙｉｎ，ＬＩＵ Ｄｏｎｇ－ｄｏｎｇ，ＳＨＩ Ｔｉａｎ－ｌｕ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｗ ｕｙｉ Ｕ ｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉａｎｇｍｅｎ ５２９０２０，Ｃｈｉｎａ）
收 稿 日期 ：２０ｌ ５－０９－０６ 作者简介：刘忠银 （１９９Ｏ一 ），男，山东聊城小 ，在读硕 士生，主要从 事机 器人步 态研 究工作 ；史天录，副教
授 ，博 士 ，硕 士 生 导 师 ，通信 作 者 ，主要 从 事机 电 系统 可 靠性 研 究．
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五 邑大学学报 （自然科 学版 ）
刘 忠 银 ， 刘冬 冬 ， 史 天 录 （五 邑 大 学 机 电 工程 学 院 ， 广 东 江 门 ５２９０２０）
摘 要 ：把 双足 机 器人 步行 过程 划 分为５个阶段 ，通 过正 逆解 方 法求得 行走 过程 中的５个关键姿
态 ，并 对 其 进 行 插 值 ， 到 不 同 步 态 时 各 个 关 节 的 运 动 轨 迹 ；利 用 该 方 法 规 划 出双 足 机 器人
２０ｌ６年
然后 使 用样 条 插 值算 法 求 得 双 足 机器 人 的各 关节 的运 动轨 迹 ．为检 验 该 方 法 的 效果 ，以 ＮＡＯ 双 足机 器 人 为实 验平 台进 行验 证 ．ＮＡＯ机 器 人 是法 国 Ａｌｄｅｂａｒａｎ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ公 司 于 ２０１０年 推 出 的一 款 具 备一 定 程度 人 Ｔ 智能 与 情 感 智 商 的双 足 机 器 人 ，同时 也 是一 款 教 学用 机 器 人 ．ＮＡＯ可 通 过 现 成 的指 令 块 进 行可 视 化编 程 ，允许 用 户 探 索 各 种 领域 、运用 各 种 复杂 程 度 的 编程 程 序 并 达 到 用 户 想要 体 验 的各 种 效 果．另外 ＮＡＯ还 配 有 一套 非 常 理 想 的仿 真 软 件 Ｗｅｂｏｔｓ，其可 以运 行 在 Ｗｉｎｄｏｗｓ、Ｍａｃ及 Ｌｉｎｕｘ 上 ，内建 有 ３Ｄ编 辑 器 ，方便 仿 真 环 境构 建 及 机 器人 运 动 规划 研 究 ．
针对 上 述 步 态规 划 研 究 中存 在 的 问题 ，本 文 主要 对 双 足 机 器 人 多种 步态 以及 步 态 之 间 的转 换进 行 了研 究 ．首 先 构 建 双 足 机 器 人 的 运 动 学模 型 ；其 次 通过 正 逆 运 动 学 的 同时 求 解 ，并 根据 落地 足 的 足迹 位 置 ，求 出双 足机 器 人腿 部各 个 关 节 的 角度 ；再 次 通过 该 方 法 求 取 行 走 过 程 的 ５个 关 键 姿态 ；
双 足机 器 人 的 步 态 规 划 一 直 是 机 器人 领 域 的研 究 热 点 ．步 态 规 划 是机 器 人 的 底层 规 划 任 务 ，是 实 现 机 器人 稳 定 行 走 的基 础 和实 现 类 人 运 动 的关 键 ，其 结 果 表 征 为机 器 人各 向南度 的 运动 轨 迹 ， 目 的是 在 已经 规划 的 足 迹序 列基 础 上 实 现机 器 人 的最 终 移 动 任 务 【ｌｉ．对 于 双 足 机 器 人 的步 态 规 划 主要 研 究 如 何 提 高行 走 速 度 和 稳 定 性 ，降 低 能量 损 耗 以及 不 同 姿态 之 间转 换 等 问题 ．双 足机 器 人 主要 包 括 ３种 基 本步 态 ：直 步 、侧 步 与旋 步 ．目前 ，大 量 的研 究 工 作 集 中 在单 一 步 态规 划 上 １２－４１，然 而单 一 步 态并 不 能满 足 双 足 机 器 人 在 步 态规 划 上 的 要求 ．
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｉｐｅｄ ｒｏｂｏｔｓ’ｗａｌｋｉｎｇ ｉｓ ｄｉｖｉｄｅｄ ｉｎｔｏ ５ ｓｔａｇｅｓ ａｎｄ ５ ｋｅｙ ｐｏｓｔｕｒｅｓ ａｒｅ ｄｅｒｉｖｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｐｏｓｉｔｉｖｅ
ｉｎｖｅｒｓｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ．Ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｗａｌｋｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｙｉｅｌｄｓ ｔｈｅ ｍｏｔｉｏｎ ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ ｏｆ ｅａｃｈ ｊｏｉｎｔ．
第 ３Ｏ卷 第 １期 ２０ １ ６年 ２月
五邑大学学报 （自然科学版 ） ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＷＵＹＩ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ （Ｎａｔｕｒａｌ
文 章 编 号 ： １００６．７３０２ （２０ｌ６） ０１．００２９－０５
Ｖｂ１．３０ Ｎｏ．１ Ｆｅｂ． ２０ｌ６
双 足 机 器 人步 态规 划 与 运 动 仿 真
步行的３种步 态 ，通过 中间过 渡姿 态的 引入 实现 了不 同步 态之 间的 平稳转 换 ；在 Ｗｅｂｏｔｓ仿真 平
台上 实现ＮＡＯ，￣ 器人 ３种步 态行 走及 不 同步态之 间的转换 ，验 证 方法 的可行 性 ．
关 键 词 ：双 足 机 器 人 ；ＮＡＯ机 器人 ；步 态规 划 ；运 动 仿 真
３ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｇａｉｔ ａｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｍ ｅｔｈｏｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｍｉｄｄｌｅ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｐｏｓｔｕｒｅｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ３ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｇａｉｔ ａｃｈｉｅｖｅｓ ｔｈｅ ｓｍｏｏｔｈ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｄｉｆｉｅｒｅｎｔ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｇａｉｔ．Ｔｈｅ ３－ｐｏｓｔｕｒｅ ｗａｌｋｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ＮＡＯ ｒｏｂｏｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｇａｉｔｓ ｏｎ ｔｈｅ Ｗ ｅｂｏｔｓ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｓ ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｂｉｐｅｄ ｒｏｂｏｔｓ；ＮＡＯ ｒｏｂｏｔｓ；ｇａｉｔ ｐｌａｎｎｉｎｇ；ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ