四足寵物機(jī)器狗動(dòng)態(tài)步行規(guī)劃與仿真

第 29 卷 第 3 期2014 年 09 月西 南 科 技 大 學(xué) 學(xué) 報(bào)Journal of Southwest University of Science and TechnologyVol 29 No 3 Sep 2014四足寵物機(jī)器狗動(dòng)態(tài)步行規(guī)劃與仿真權(quán)震華羅亮( 西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院 四川綿陽(yáng) 621010)摘要:以四足寵物機(jī)器狗愛(ài)賽比為研究對(duì)象，分析機(jī)器狗步行機(jī)構(gòu)組成，建立關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)模型，根據(jù)仿生學(xué)原理對(duì)四足 機(jī)器狗的對(duì)角線一致的步態(tài)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了分析與規(guī)劃，利用 Matlab 對(duì)步態(tài)規(guī)劃進(jìn)行了仿真并采用關(guān)節(jié)控制器驗(yàn)證了 對(duì)角線一致的步態(tài)運(yùn)動(dòng)分析與規(guī)劃的正確性。步態(tài)規(guī)劃為四足機(jī)器人實(shí)現(xiàn)高速行走提供了一種可行的方法。 關(guān)鍵詞:機(jī)器人 四足機(jī)器狗 步態(tài)規(guī)劃 對(duì)角線一致步態(tài) 仿真分析中圖分類號(hào):TM 242 6文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):1671 8755(2014)03 0064 04Dynamic Walking Gait Planning and Simulation of Quadruped obotic DogQUAN Zhen hua，LUO Liang( School of Information Engineering，Southwest University of Science and Technology， Mianyang 621010，Sichuan，China)Abstract:In this paper，the research object is i cybie which is a quadruped pet robotic dog Firstly，we analyzed the robotic dog walking institution and established the model of joint structure Secondly，we an- alyzed and planned the robotic dog trot gait according to the principle of bionics The gait simulation was done in Matlab The trot gait analysis and planning are correct from joint controller This article provides a feasible method on the gait of quadruped robotKey words:obot; Quadruped robotic dog; Gait planning; Trot gait; Simulation analysis足式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)是通過(guò)腿( 腳) 的連貫動(dòng)作 來(lái)實(shí)現(xiàn)的。按一定規(guī)則的腿( 腳) 運(yùn)動(dòng)被稱為步態(tài)。 足式機(jī)器人能適應(yīng)非結(jié)構(gòu)環(huán)境，立足點(diǎn)是離散的點(diǎn)， 可以在可能到達(dá)的地面上選擇最優(yōu)的支撐點(diǎn)，能夠 在崎嶇不平等惡劣狀況的路面上行走，多足步行機(jī) 器人技術(shù)一直是國(guó)內(nèi)外機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之 一。四足步行機(jī)器人是機(jī)器人的一個(gè)重要分支，由 于四足機(jī)器人比兩足步行機(jī)器人承載能力強(qiáng)、穩(wěn)定 性好，同時(shí)又比六足、八足步行機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。四 足機(jī)器人能以動(dòng)態(tài)步行方式實(shí)現(xiàn)高速行走，在搶險(xiǎn) 救災(zāi)、排雷、探險(xiǎn)、娛樂(lè)及軍事等方面均有很好的應(yīng) 用前景，其研究工作受到各國(guó)研究人員的重視。在 四足機(jī)器人中，腿部結(jié)構(gòu)是最重要的機(jī)構(gòu)，選擇得當(dāng)可使機(jī)器人機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)方便，大大簡(jiǎn)化控制方 案。本文以四足寵物機(jī)器狗愛(ài)賽比的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為模 型，規(guī)劃四足機(jī)器人的動(dòng)態(tài)步行規(guī)則步態(tài)后，通過(guò) MATLAB 對(duì)機(jī)器人對(duì)角線一致步態(tài)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿 真，得到四足寵物機(jī)器狗典型步態(tài)關(guān)節(jié)相關(guān)物理量 的變化曲線。通過(guò)仿真驗(yàn)證了步態(tài)規(guī)劃的合理性。1 四足機(jī)器狗步態(tài)規(guī)劃1 1 機(jī)器狗結(jié)構(gòu)分析四足寵物機(jī)器狗的步行機(jī)構(gòu)組成如圖 1 所示。 每條腿都有 4 個(gè)關(guān)節(jié)。髖關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)作 為主動(dòng)關(guān)節(jié)。肩關(guān)節(jié)能夠在內(nèi)外方向上擺動(dòng)，髖關(guān) 節(jié)和膝關(guān)節(jié)能夠在前后方向上擺動(dòng)，由直流電機(jī)驅(qū)收稿日期:2014 04 11基金項(xiàng)目:西南科技大學(xué)電氣工程示范實(shí)習(xí)、實(shí)訓(xùn)基地項(xiàng)目(12xjjx79) 。作者簡(jiǎn)介:權(quán)震華(1976) ，女，講師，研究方向?yàn)樾盘?hào)檢測(cè)與處理。E mail:quanzhenhau swust edu cn第 3 期權(quán)震華，等:四足寵物機(jī)器狗動(dòng)態(tài)步行規(guī)劃與仿真65動(dòng)，從而能實(shí)現(xiàn)腿部的立體動(dòng)作?；静綉B(tài)主動(dòng)關(guān) 節(jié)可只使用髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)。踝關(guān)節(jié)作為隨動(dòng)關(guān)節(jié)， 能夠隨著機(jī)器狗足端的角度變化調(diào)整機(jī)器狗腿部著 地面積，使機(jī)器狗足端在力學(xué)與姿態(tài)上更加平衡。四足機(jī)器人完成一個(gè)步態(tài)所需要的時(shí)間，也就 是機(jī)器人所有腿輪番完成一 次“提 起 擺動(dòng) 放 下”的動(dòng)作所花費(fèi)的時(shí)間稱為步態(tài)周期。在此過(guò)程 中機(jī)器人機(jī)體也完成過(guò)渡運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人每條腿接觸 地面的時(shí)間和一個(gè)步態(tài)周期的比為占空系數(shù) ， 的 數(shù)學(xué)表達(dá)式為:腿 i 的支撐期時(shí)間i =腿 i 的周期時(shí)間圖 1 四足寵物機(jī)器狗的步行機(jī)構(gòu)組成Fig 1 Walking institution of quadruped robotic dog根據(jù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，可從機(jī)器狗已知的機(jī)構(gòu) 執(zhí)行器的位置和姿態(tài)求解相應(yīng)的關(guān)節(jié)變量，控制機(jī) 器人末端執(zhí)行部件達(dá)到指定目標(biāo)。為便于分析，建 立如圖 2 所示的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)模型簡(jiǎn)圖。圖 2 機(jī)器狗關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig 2 Joint structure diagram of quadruped robotic dog1 2機(jī)器人步態(tài)分析通過(guò)對(duì)步行機(jī)器人進(jìn)行穩(wěn)定性分析，選擇合理 的擺動(dòng)腿順序，可以生成各種各樣的步態(tài)。要實(shí)現(xiàn) 機(jī)器人的行走就要對(duì)這些關(guān)節(jié)的角度進(jìn)行協(xié)調(diào)控 制，機(jī)器人多軸協(xié)調(diào)控制的理論雖然比較成熟，但技 術(shù)實(shí)現(xiàn)起來(lái)卻有一定的難度。目前研究步態(tài)及步態(tài) 變換的工具均是基于一個(gè)跨步周期的支撐狀態(tài)步 態(tài)圖。四足步行機(jī)器狗在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，各腿交替呈現(xiàn) 2 種不同的狀態(tài)，即支撐狀態(tài)和抬腿狀態(tài)。當(dāng)腿處 于支撐狀態(tài)時(shí)，足端與地面接觸支持機(jī)體重量，并且 推動(dòng)機(jī)體前進(jìn)，稱這種狀態(tài)為支撐相。當(dāng)腿處于抬 腿狀態(tài)時(shí)，足端抬離地面，向前邁步為下一個(gè)支撐相 做準(zhǔn)備，稱這種狀態(tài)為抬腿相。從 的大小和定義知道，機(jī)器狗運(yùn)動(dòng)的任一時(shí) 刻至少有 3 條腿與地面接觸支撐身體，而且身體的 重心必須落在 3 足支撐點(diǎn)構(gòu)成的三角區(qū)域內(nèi)。在這 種情況下 4 條腿才能按一定的順序抬起和落地，實(shí) 現(xiàn)行走。在行走的時(shí)候，身體與重心相對(duì)地面而言 始終做向前的運(yùn)動(dòng)。身體的運(yùn)動(dòng)和腿相對(duì)身體的運(yùn) 動(dòng)必須在任何時(shí)刻保持協(xié)調(diào)一致，才能使身體重心 落在 3 條支撐腿構(gòu)成的三角區(qū)域內(nèi)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定行走。占空系數(shù) 取值有 3 種情況:(1) 0 5，在組 A 和組 B 交替擺起和著地的 過(guò)程中，有過(guò)渡階段，此時(shí)有機(jī)器狗 3 條腿同時(shí)著地 的情況，這種情況下，四足機(jī)器狗穩(wěn)定性更高，但行 走速度就相對(duì)降低，這體現(xiàn)為機(jī)器狗的慢走步態(tài)。(2) = 0 5，在組 A 擺動(dòng)著地的同時(shí)，組 B 立即 擺起，步行時(shí)交替循環(huán)，機(jī)器狗保證在任意時(shí)刻都有 2 條腿支撐地面，2 條腿擺起。這體現(xiàn)為機(jī)器狗的快 走步態(tài)。(3) 0 5，這種情況下，存在組 A 和組 B 同時(shí) 擺動(dòng)的時(shí)刻，即機(jī)器人騰空，這要求機(jī)器人的機(jī)械結(jié) 構(gòu)有很好的彈性和吸振性。這體現(xiàn)為機(jī)器狗的跳躍 步態(tài)。1 3對(duì)角線一致步態(tài)分析 = 0 5 時(shí)，機(jī)器狗處于快步行走狀態(tài)，即對(duì)角 線一致步態(tài)。這種步態(tài)要保證重心始終在對(duì)角線兩 條腿的中心，才能使機(jī)器狗穩(wěn)定行走。四條腿在對(duì) 角上構(gòu)成運(yùn)動(dòng)的關(guān)聯(lián)腳。機(jī)器狗對(duì)角線一致步態(tài)足 端狀態(tài)圖如圖 3 所示。機(jī)器狗對(duì)角線一致步態(tài)足端 軌跡圖如圖 4 所示。 代表足端前移， 代表足端 后移。其步態(tài)過(guò)程是:左前腿和右后腿一起向后擺 動(dòng)，右后腿和左后腿一起向前擺動(dòng)。在到達(dá) B 位置 時(shí)，兩組腿動(dòng)作反向到達(dá) C 位置后繼續(xù)這種動(dòng)作直 至 D 位置。隨后兩組腿再次反向，到達(dá) E 位置后完 成一個(gè)動(dòng)作周期。66西 南 科 技 大 學(xué) 學(xué) 報(bào)第 29 卷圖 3 機(jī)器狗對(duì)角線一致步態(tài)足端狀態(tài)圖Fig 3 Foot state diagram of trot gait圖 4 機(jī)器狗對(duì)角線一致步態(tài)足端軌跡圖Fig 4 Foot track diagram of trot gait2對(duì)角線一致步態(tài)規(guī)劃該種步態(tài)具體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程如下:機(jī)器狗直線行走 步態(tài)的擺腿順序雖可分為 A 組B 組或 B 組A 組， 但其步行的效果是一致的，這里以 A 組B 組的擺腿 順序?yàn)槔?，?guī)劃?rùn)C(jī)器人在一個(gè)步態(tài)周期中的步行。圖5 表明了機(jī)器狗在對(duì)角線一致步態(tài)時(shí)右側(cè)兩條腿的 動(dòng)作方式與順序。左側(cè)兩條腿與關(guān)聯(lián)腿的動(dòng)作相似。 通過(guò)關(guān)聯(lián)腿的聯(lián)動(dòng)達(dá)到步態(tài)的協(xié)調(diào)控制。圖 5 右側(cè)關(guān)節(jié)動(dòng)作示意簡(jiǎn)圖Fig 5 The right side of the joint action schematic diagram對(duì)角線一致的步態(tài)過(guò)程如下:階段 1:機(jī)器狗從圖 5 ( a) 的初始位置，以 圖 5 ( b) 的關(guān)節(jié)動(dòng)作方式動(dòng)作，即右前肩先后轉(zhuǎn)動(dòng)，右前 膝前擺，右后肩后擺，右后膝不動(dòng)。4 個(gè)關(guān)節(jié)分別編號(hào) 1，2，3，4，轉(zhuǎn)動(dòng)以一定關(guān)節(jié)角度后達(dá)到圖 5 ( c) 所 示位置。轉(zhuǎn)動(dòng)量為:1 = ，2 = ，3 = 0，4 = ; 負(fù)號(hào)代表后擺，0 代表不擺動(dòng)。階段 2:從圖 5( c) 按照?qǐng)D 5( d) 的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)方式 運(yùn)動(dòng)到達(dá)圖 5(e) 位置。轉(zhuǎn)動(dòng)變量為:1 = ，2 = ， 3 = 0，4 = 。階段 3:從圖 5( e) 按照?qǐng)D 4( f) 的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)方式運(yùn)動(dòng)到達(dá)圖 5(g) 位置。轉(zhuǎn)動(dòng)變量為:1 = ，2 = 0，3 = ，4 = 。階段 4:從圖 5( g) 按照?qǐng)D 5( h) 的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)方式 運(yùn)動(dòng)到達(dá)圖 5( i) 位置。轉(zhuǎn)動(dòng)變量為:1 = ，2 = 0， 3 = ，4 = 。機(jī)器狗經(jīng)上述 4 個(gè)階段完成一個(gè)對(duì)角線步態(tài)周期。3 對(duì)角線一致步態(tài)仿真通過(guò)前兩節(jié)對(duì)機(jī)器狗典型步態(tài)的分析，在步態(tài) 控制過(guò)程中，依據(jù)轉(zhuǎn)角的變化控制機(jī)器狗的腿部動(dòng) 作順序，從而順利實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的步態(tài)。本節(jié)以四足機(jī) 器人沿 y 軸對(duì)角線一致步態(tài)的直線行走為例，按照 第 2 節(jié)步態(tài)規(guī)劃方法用 Matlab 計(jì)算仿真機(jī)器人在 行進(jìn)中重心位移的軌跡。圖 6 對(duì)角線一致步態(tài) x 軸重心位移軌跡Fig 6 Center of gravity displacement locus on the x axis圖 6 表示四足機(jī)器人重心在 x 軸上的位移軌跡。 從仿真結(jié)果看出，雖然每次前進(jìn)動(dòng)作四足機(jī)器人重心 在 x 軸方向上有較大的偏移，但是在每個(gè)周期 x 方向 偏移大小相同，方向相反，這樣就抵消了四足機(jī)器人整體上在 x 軸上的偏移。四足機(jī)器人首先偏向 x 軸 的負(fù)方向的原因是起步的抬腿順序不同所致。如果 由四足機(jī)器人的左前腿和右后腿起步，則重心軌跡偏 向 x 軸的負(fù)方向;如果由四足機(jī)器人的右前腿和左后 腿起步，則重心軌跡偏向 x 軸的正方向。圖 7 表示四足機(jī)器人重心在 z 軸上的位移軌 跡。從仿真結(jié)果看四足機(jī)器人重心在 z 軸方向上最第 3 期權(quán)震華，等:四足寵物機(jī)器狗動(dòng)態(tài)步行規(guī)劃與仿真67大波動(dòng)幅度為 0 4 mm，說(shuō)明四足機(jī)器人沿 z 軸對(duì)角 線一致步態(tài)的直線行走時(shí)沒(méi)有太明顯的上下波動(dòng)， 比較平穩(wěn)。圖 7 對(duì)角線一致步態(tài) z 軸重心位移軌跡Fig 7 Center of gravity displacement locus on the z axis圖 8 表示四足機(jī)器人重心在 y 軸( 前進(jìn)方向) 上的位移軌跡。仿真結(jié)果表明:四足機(jī)器人在 y 軸 上直線行走了 4 個(gè)周期，步長(zhǎng) = 40 mm，周期 T = 2 s， 占空比 = 0 5，平均速度為 20 mm / s，四足機(jī)器人能 夠比較穩(wěn)定地直線行走。圖 8 對(duì)角線一致步態(tài) y 軸重心位移軌跡Fig 8 Center of gravity displacement locus on the y axis采用 FPGA 作為主控制器制作了控制板，根據(jù) 仿真結(jié)果編制了對(duì)應(yīng)的多路并行 PWM 輸出控制電 路，實(shí)現(xiàn)了對(duì) 4 條腿共 8 個(gè)主動(dòng)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的聯(lián) 動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器狗步態(tài)平穩(wěn)協(xié)調(diào)的運(yùn)動(dòng)，擺動(dòng)腿跨步迅速，腿部運(yùn)動(dòng)軌跡配合準(zhǔn)確，沒(méi)有明顯的左右 搖晃及前后沖擊，從而證明了占空比系數(shù) 取值正 確，并且由于機(jī)器狗在一個(gè)步態(tài)周期后都回復(fù)到初 始姿態(tài)，所以從當(dāng)前步態(tài)周期到下一步態(tài)周期是自 然和連續(xù)的，驗(yàn)證了“對(duì)角線一致”步態(tài)規(guī)劃和設(shè)計(jì) 的正確性。4結(jié)論基于仿生學(xué)原理對(duì)四足機(jī)器狗的對(duì)角線一致的 步態(tài)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了分析與規(guī)劃，利用 Matlab 對(duì)步態(tài)規(guī) 劃進(jìn)行了仿真并采用關(guān)節(jié)控制器驗(yàn)證了對(duì)角線一致 的步態(tài)運(yùn)動(dòng)分析與規(guī)劃的正確性。本文提出的步態(tài) 生成算法與傳統(tǒng)方法相比較，具有以下特點(diǎn):(1) 機(jī) 器人在一個(gè)步態(tài)周期后回到其初始姿態(tài)，所以從當(dāng) 前步態(tài)周期到下一個(gè)步態(tài)周期都是自然和連續(xù)的; (2) 將機(jī)器人腿部運(yùn)動(dòng)規(guī)劃為多個(gè)動(dòng)作短周期分時(shí) 完成，實(shí)現(xiàn)宏觀上動(dòng)作的連續(xù)。參考文獻(xiàn)1 陸衛(wèi)麗，卞新高，等 四足爬行機(jī)器人步態(tài)分析與運(yùn)動(dòng) 控制 J 機(jī)電工程，2012，29(8) :886 8892 林礪宗，張松，王啟春，等 四足步行