双足机器人步态规划与运动学仿真研究.pdf

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1、双足机器人步态规划与运动学仿真研究董金波(黑龙江科技学院机械工程学院，黑龙江哈尔滨150027)ResearchofGaitPlanningandKinematicsSimulationforBipedRobotDONGJin—b0(CollegeofMechanicalEngineering，HeilongjiangInstituteofScienceandTechnology，Harbin150027，China)摘要：针对双足机器人数学描述复杂、机器人运具有较强的越障能力，它的移动盲区很小，此外，双动学分析较为困难的

2、问题，建立了机器人的运动学足机器人与其它足式机器人相比，具有体积小、重量模型，提出了一种基于ZMP判据的两步步态规划轻、动作灵活等特点，并且类似于人类的步行特点，方法，对机器人的前向运动进行了步态规划，采用工因此对环境有最好的适应性l_】]。在实际应用中，人程上广泛应用的三次样条插值的方法得到机器人关形机器人可用于有放射性、危险及其它对人体有害节的运动轨迹。利用Matlab软件中的SimMechan—的环境中取代人类劳动，或把人类从高强度、长时间ics工具箱建立机器人仿真模型，仿真结果验证了步及单调乏味的工作中解脱出来，具

3、有广阔的应用前态规划的可行性，为机器人样机的研制提供理论依景[2]。双足步行机器人在具有上述难以取代的优越据。性的同时，也存在很多的技术难关，双足步行机器人关键词：双足机器人；步态规划；运动学；仿真系统存在着高阶、强耦合、多变量及非线性等特性，中图分类号：TP242．6这些特性使得双足步行机器人的运动学和动力学的文献标识码：A精确求解非常困难，这往往导致了机器人的规划运文章编号：10O1—2257(2011)07—0066—03动与实际运动有较大的出入[3]。步态规划是双足步Abstract：Aimingattheprob

4、lemsofthero—行机器人研究中的一个关键技术，要实现和提高机bot’Scomplexmathematicdescriptionanddifficult器人的行走性能，必须研究实用而有效的步态规划movementanalysis，itskinematicsmodelisbuilt，a方法，从而使机器人实现稳定步行，因此对双足步行methodoftwo—stepgaitplanningisgivenbased机器人步态规划的研究具有很高的学术价值和现实ZMPcriterion，gaitplanningiscarried

5、forforward意义。movementandrobotjointmotiontraceisgottenby1双足机器人运动学模型usingthemethodofthreeordersplineinterpolationfunction．Thesimulationmodeloftherobotisbuilt通过对国内外双足机器人的自由度和人的关节throughSimMechanicstoolboxinMatlabsoft—自由度的分析，设计了具有1O个自由度的下肢机构ware，simulationresultsvalid

6、atefeasibilityofgait(髋关节2个，膝关节1个，踝关节2个)。髋关节和planning，atheoreticalbasisisprovidedforthede—踝关节各有1个自由度负责前向运动，1个自由度velopmentoftheprototype．负责侧向运动；膝关节只有1个自由度负责前向运Keywords：bipedrobot；gaitplanning；kine—动。双足机器人机构各杆件的参数如表1所示。matics；simulation表1双足机器人杆件参数0引言双足机器人与传统的轮式、履带式机器

7、人相比收稿日期：2011一O3—04基金项目：黑龙江科技学院青年基金(07—06)·66·《机械与电子)>2011(7)双足机器人双足机器人腿部10个自由度，全部是转动关f一sO30l1节，采用D—H法建立机器人的齐次坐标系，如图1scO30OT—所示。每个关节建立一个坐标系，其中建立在机器0010人右脚中心的坐标系—X。为参考坐标系，0001建立在机器人躯干中心的坐标系一X。y。Z。和左C04一sO_0Z2脚中心的坐标系0。一x：y1Z为虚拟坐标系，使计54cOd00jT一算结果更为直观的一种参考。OO100001一s一

8、cO5000。——1T一c5一sO50O001000．5l门01001；T=001010001J同理可得到左脚中心至腰部的齐次变换矩阵，设机器人行走过程中上身始终与地面垂直，机器人图l双足机器人腿部齐次坐标系中心到参考坐标系的变换矩阵可表示为：由机器人知识可知：杆件坐标系i相对于i一1100P1的变化记