双足机器人行走的步态规划控制研究--中国期刊网

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双足机器人行走的步态规划控制研究

发表时间：2021/5/27 来源：《基层建设》2021年第2期作者：文志华谭发刚

[导读] 摘要：目前随着全球人工智能大趋势的发展以及装备制造业的转型升级，双足机器人作为目前研究的热门领域之一，代表着行业乃至一个国家最前沿的技术，它集合了机械、电子、计算机、控制和生物学等众多的前沿学科理论。

        广东美的白色家电技术创新中心有限公司广东省佛山市顺德区 528311
        摘要：目前随着全球人工智能大趋势的发展以及装备制造业的转型升级，双足机器人作为目前研究的热门领域之一，代表着行业乃至一个国家最前沿的技术，它集合了机械、电子、计算机、控制和生物学等众多的前沿学科理论。不同于传统的轮式机器人、履带机器人等有相对稳定的运动支撑，双足机器人运动时没有相对稳定的支撑点，故步行稳定性一直是双足机器人需要考虑的难点问题，特别是对于跑步和上下楼梯等复杂的运动环境，双足机器人运动稳定性显得尤为重要，故合理的步态规划对双足机器人研究至关重要。
        关键词：双足机器人；行走；步态规划；控制
        1.人类双腿生理构造及其步行原理
        人的下肢主要由骨骼、神经网络、肌肉等部分组成。腿部骨骼主要有股骨、胫骨和腓骨，相应的关节有髋关节、膝关节和踝关节，这几个部位的功能都不相同。比如说髋关节的优点是稳定性好，具有俯仰、偏摆、滚动功能，缺点是运动范围较少，灵活性较差；膝关节运动范围大且具有俯仰动作；踝关节则具有俯仰和滚动运动。
        人体的结构经过了成千上万年的发展，才造就今天最佳的比例结构。人类上肢和下肢的比例为5：8，满足黄金比例的条件。下肢膝盖的位置也是大腿和小腿的黄金比例分割点。即使人类各个部分的结构为黄金比例的结构，世界上还是找不到完完全全具有同样尺寸的两个人。故对双足机器人的研究可以参考人类的结构比例。
        人在日常生活中走的一步步长为左右腿脚跟着地到另一侧右左腿脚跟落地在前进方向的距离，根据经验，正常人一步的步长大约为500～800mm。步行周期为一侧脚跟落地到该侧脚脚跟再次落地之间的时间，期间左右腿各向前迈出一步，并且支撑腿和摆动腿进行着周期性的转换。
        2.双足机器人行走稳定性研究
        双足机器人在行走的过程中，其双脚与地面进行着周期性的接触，即左腿接触、双腿接触和右脚接触这三种姿态周期性的反复交换。在此期间，机器人只有脚掌与大地相互作用，并且一直处于欠驱动姿态。因此保持机器人支撑脚掌平面与行进平面的固定关系是步态规划及控制至关重要的一点，双足机器人才不会在行进期间发生倾倒等现象。
        ZMP概念最早是由Ⅵlkobratovic等人于1969在一篇文章中率先提出来的。ZMP是机器人支撑脚受到大地作用力的合力点，且大地反力绕该点的合力矩的分量都为0。当机器人处于静平衡姿态（双足机器人在行进的过程一直处于静平衡状态，重心的投影一直位于支撑脚面内）时，ZMP和重心重合。当机器人处于动态行走姿态（机器人在行进过程中不满足静平衡条件，重心的投影不一定分布在支撑脚面内）时，因惯性力的介于，机器人此时的重心在大地上的投影点与ZMP不为同一点，且两点之间有若干距离。
        当重心在大地上的投影点分布在支撑域外，此时机器人处于静态不稳定状态；相反，若ZMP分布在支撑域里面，则处于动态稳定状态。双足机器人在行进期间，ZMP始终分布在支撑脚板所构成的凸多边形有效范围里面。当其保持单腿支撑姿态时，ZMP分布在单腿支撑的有效区域里面；当机器人处于双脚支撑姿态时，ZMP分布在双脚组成的有效区域内且与多边形边界有一定的距离，双足机器人才能实现稳定行走；当ZMP分布在支撑多边形的边界时，此时双足机器人将会出现倾倒或者即将倾倒的现象，此时的机器人姿态处于稳定与倾倒的临界状态；如果ZMP分布在机器人支撑脚有效范围外，机器人就会处于摔倒等动不稳定的姿态，这也称为zMP稳定判定依据。ZMP稳定判定的提出极大的提升了机器人步态规划和控制的理论基础。
        步态规划的目的就是得到合理的行进参数，使ZMP分布在双脚的有效支撑边界里，进而实现稳定行走的状态。我们依据稳定裕度这个指标来评价双足机器人步行稳定性优劣。ZMP的分布愈集中在稳定区域中心，则其稳定裕度愈大，故双足机器人行走稳定性愈好。

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        3.双足机器人行走的步态规划控制研究
        3.1双足机器人平面周期步行步态规划
        周期步行采用倒立摆方法进行规划。这样能充分利用机器人自身的惯性以得到原始合理的步行结果，并且减少了踝关节的驱动力矩，对步行稳定性的干扰也少。在倒立摆的步态规划中，摆动腿摆动时其支撑腿可以简化为绕支撑腿踝关节的摆杆。由于踝关节有两个自由度，因此步态规划的时候就要分开进行规划，即在前向和侧向分别进行步态规划。前向步态规划包括髋、膝和踝关节的两条腿6个俯仰自由度的规划，侧向步态规划包括髋关节和踝关节两条腿4个滚动自由度的规划。
        3.1.1前向摆动腿踝关节的运动规划
        机器人在摆动时，摆动腿在起脚和落脚瞬间都会与地面产生冲击力。如果起步和止步腿的速度过大，机器人的腿会有急动现象，并且如果在摆动期间还伴有不合理的加速度，就会给脚底与地面产生较大的冲击力，故踝关节的规划采用五次样条多项式插值进行规划。在周期步行规划当中，规定步行的开始时刻为摆动腿刚落地的瞬间时刻，由于左右腿周期互换性，因此只规划一个周期T的轨迹，并且以左腿为支撑腿，右腿为摆动腿进行周期规划。Td为一个周期双足支撑所占的时间，根据国内外学者研究，Td一般为周期步行T的十分之一。
        3.1.2中部侧向关节角
        双足机器人在平地行走过程中，为了更好地达到稳定步行，必需满足一定步行条件：上体在行走过程中保持与地面垂直状态，脚板摆动的时候保持与地面的平行关系，那么侧向的4个自由度就简化为一个自由度的规划问题，其它的三个关节角与这个关节角相等或符号相反。因此可以把双足机器人侧向关节角的几何关系进行简化。
        3.1.3步态规划稳定性判定
        对于双足机器人的步行稳定判定主要有静态稳定判定和动态稳定判定两种方法。静态稳定的判定条件是机器人保持静止状态或以很小的速度行走过程中重心落在支撑域里面；而动态稳定判定条件是零力矩点（Zero Moment Point）始终在双足脚掌组成的有效范围内。
        3.2双足机器人起步的步态规划
        起步阶段是机器人从静止站立到稳定行走的一个过渡阶段，机器人从刚开始的速度和加速度都为零的情况下到周期步行以稳定速度步行。为获得中期行走的稳定速度，机器人在开始重心必须下降一定高度。为此利用机械能守恒定理可得：mgzh=1/2m（v2m-v2s），式中：zh—重心下降高度；vm—中部开始速度；vs—起步开始速度。由于起步刚开始 vs=0，vm可由周期步行质心轨迹求得，以此得到质心下降高度。
        3.3双足机器人止步的步态规划
        止步的过程与起步刚好互逆，它是双足机器人从周期平稳行进姿态到静止站立姿态的一个中间时期。此过程当中，双足机器人的动能转化为势能，稳定速度逐渐减小至O，止步过程规划可以参考起步的规划方法进行相反的规划。
        结束语：
        双足机器人目前依旧是人工智能当中比较热门的话题。而且随着智能制造趋势的逐渐蔓延，以及因其拥有类似于人双腿的外形的构造机理，故其对于更好的研究未来人类行为行走领域和人体生物学的运动机理都有着潜在的科研价值。目前机器人的机械本体结构的刚度与强度还不够，为了使双足机器人变得更加轻量化且有更好的刚性，下一步可考虑优化机器人的结构与尺寸，使其进一步美丽和协调。
        参考文献：
        [1]刘述亮.双足直立行走机器人步态规划及其控制研究[D].电子科技大学，2017.
        [2]徐历洪，邹光明，余祥，王文圣.双足机器人平地行走步态规划的研究[J].机械设计与制造，2019（4）.
        [3]时存，李妍缘，王云霞，殷冬冬.行走机器人步态轨迹规划与仿真[J].科技展望，2016，26（31）：124.