四足宠物机器狗动态步行规划与仿真

第 29 卷 第 3 期2014 年 09 月西 南 科 技 大 学 学 报Journal of Southwest University of Science and TechnologyVol 29 No 3 Sep 2014四足宠物机器狗动态步行规划与仿真权震华罗亮( 西南科技大学信息工程学院 四川绵阳 621010)摘要:以四足宠物机器狗爱赛比为研究对象，分析机器狗步行机构组成，建立关节结构模型，根据仿生学原理对四足 机器狗的对角线一致的步态运动进行了分析与规划，利用 Matlab 对步态规划进行了仿真并采用关节控制器验证了 对角线一致的步态运动分析与规划的正确性。步态规划为四足机器人实现高速行走提供了一种可行的方法。 关键词:机器人 四足机器狗 步态规划 对角线一致步态 仿真分析中图分类号:TM 242 6文献标志码:A文章编号: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足式机器人的运动是通过腿( 脚) 的连贯动作 来实现的。按一定规则的腿( 脚) 运动被称为步态。 足式机器人能适应非结构环境，立足点是离散的点， 可以在可能到达的地面上选择最优的支撑点，能够 在崎岖不平等恶劣状况的路面上行走，多足步行机 器人技术一直是国内外机器人领域的研究热点之 一。四足步行机器人是机器人的一个重要分支，由 于四足机器人比两足步行机器人承载能力强、稳定 性好，同时又比六足、八足步行机器人结构简单。四 足机器人能以动态步行方式实现高速行走，在抢险 救灾、排雷、探险、娱乐及军事等方面均有很好的应 用前景，其研究工作受到各国研究人员的重视。在 四足机器人中，腿部结构是最重要的机构，选择得当可使机器人机构简单、设计方便，大大简化控制方 案。本文以四足宠物机器狗爱赛比的运动机构为模 型，规划四足机器人的动态步行规则步态后，通过 MATLAB 对机器人对角线一致步态进行了动力学仿 真，得到四足宠物机器狗典型步态关节相关物理量 的变化曲线。通过仿真验证了步态规划的合理性。1 四足机器狗步态规划1 1 机器狗结构分析四足宠物机器狗的步行机构组成如图 1 所示。 每条腿都有 4 个关节。髋关节、肩关节和膝关节作 为主动关节。肩关节能够在内外方向上摆动，髋关 节和膝关节能够在前后方向上摆动，由直流电机驱收稿日期:2014 04 11基金项目:西南科技大学电气工程示范实习、实训基地项目(12xjjx79) 。作者简介:权震华(1976) ，女，讲师，研究方向为信号检测与处理。E mail:quanzhenhau swust edu cn第 3 期权震华，等:四足宠物机器狗动态步行规划与仿真65动，从而能实现腿部的立体动作。基本步态主动关 节可只使用髋关节和膝关节。踝关节作为随动关节， 能够随着机器狗足端的角度变化调整机器狗腿部着 地面积，使机器狗足端在力学与姿态上更加平衡。四足机器人完成一个步态所需要的时间，也就 是机器人所有腿轮番完成一 次“提 起 摆动 放 下”的动作所花费的时间称为步态周期。在此过程 中机器人机体也完成过渡运动。机器人每条腿接触 地面的时间和一个步态周期的比为占空系数 ， 的 数学表达式为:腿 i 的支撑期时间i =腿 i 的周期时间图 1 四足宠物机器狗的步行机构组成Fig 1 Walking institution of quadruped robotic dog根据机器人运动学原理，可从机器狗已知的机构 执行器的位置和姿态求解相应的关节变量，控制机 器人末端执行部件达到指定目标。为便于分析，建 立如图 2 所示的关节结构模型简图。图 2 机器狗关节结构简图Fig 2 Joint structure diagram of quadruped robotic dog1 2机器人步态分析通过对步行机器人进行稳定性分析，选择合理 的摆动腿顺序，可以生成各种各样的步态。要实现 机器人的行走就要对这些关节的角度进行协调控 制，机器人多轴协调控制的理论虽然比较成熟，但技 术实现起来却有一定的难度。目前研究步态及步态 变换的工具均是基于一个跨步周期的支撑状态步 态图。四足步行机器狗在运动过程中，各腿交替呈现 2 种不同的状态，即支撑状态和抬腿状态。当腿处 于支撑状态时，足端与地面接触支持机体重量，并且 推动机体前进，称这种状态为支撑相。当腿处于抬 腿状态时，足端抬离地面，向前迈步为下一个支撑相 做准备，称这种状态为抬腿相。从 的大小和定义知道，机器狗运动的任一时 刻至少有 3 条腿与地面接触支撑身体，而且身体的 重心必须落在 3 足支撑点构成的三角区域内。在这 种情况下 4 条腿才能按一定的顺序抬起和落地，实 现行走。在行走的时候，身体与重心相对地面而言 始终做向前的运动。身体的运动和腿相对身体的运 动必须在任何时刻保持协调一致，才能使身体重心 落在 3 条支撑腿构成的三角区域内，实现稳定行走。占空系数 取值有 3 种情况:(1) 0 5，在组 A 和组 B 交替摆起和着地的 过程中，有过渡阶段，此时有机器狗 3 条腿同时着地 的情况，这种情况下，四足机器狗稳定性更高，但行 走速度就相对降低，这体现为机器狗的慢走步态。(2) = 0 5，在组 A 摆动着地的同时，组 B 立即 摆起，步行时交替循环，机器狗保证在任意时刻都有 2 条腿支撑地面，2 条腿摆起。这体现为机器狗的快 走步态。(3) 0 5，这种情况下，存在组 A 和组 B 同时 摆动的时刻，即机器人腾空，这要求机器人的机械结 构有很好的弹性和吸振性。这体现为机器狗的跳跃 步态。1 3对角线一致步态分析 = 0 5 时，机器狗处于快步行走状态，即对角 线一致步态。这种步态要保证重心始终在对角线两 条腿的中心，才能使机器狗稳定行走。四条腿在对 角上构成运动的关联脚。机器狗对角线一致步态足 端状态图如图 3 所示。机器狗对角线一致步态足端 轨迹图如图 4 所示。 代表足端前移， 代表足端 后移。其步态过程是:左前腿和右后腿一起向后摆 动，右后腿和左后腿一起向前摆动。在到达 B 位置 时，两组腿动作反向到达 C 位置后继续这种动作直 至 D 位置。随后两组腿再次反向，到达 E 位置后完 成一个动作周期。66西 南 科 技 大 学 学 报第 29 卷图 3 机器狗对角线一致步态足端状态图Fig 3 Foot state diagram of trot gait图 4 机器狗对角线一致步态足端轨迹图Fig 4 Foot track diagram of trot gait2对角线一致步态规划该种步态具体的运动过程如下:机器狗直线行走 步态的摆腿顺序虽可分为 A 组B 组或 B 组A 组， 但其步行的效果是一致的，这里以 A 组B 组的摆腿 顺序为例，规划机器人在一个步态周期中的步行。图5 表明了机器狗在对角线一致步态时右侧两条腿的 动作方式与顺序。左侧两条腿与关联腿的动作相似。 通过关联腿的联动达到步态的协调控制。图 5 右侧关节动作示意简图Fig 5 The right side of the joint action schematic diagram对角线一致的步态过程如下:阶段 1:机器狗从图 5 ( a) 的初始位置，以 图 5 ( b) 的关节动作方式动作，即右前肩先后转动，右前 膝前摆，右后肩后摆，右后膝不动。4 个关节分别编号 1，2，3，4，转动以一定关节角度后达到图 5 ( c) 所 示位置。转动量为:1 = ，2 = ，3 = 0，4 = ; 负号代表后摆，0 代表不摆动。阶段 2:从图 5( c) 按照图 5( d) 的关节运动方式 运动到达图 5(e) 位置。转动变量为:1 = ，2 = ， 3 = 0，4 = 。阶段 3:从图 5( e) 按照图 4( f) 的关节运动方式运动到达图 5(g) 位置。转动变量为:1 = ，2 = 0，3 = ，4 = 。阶段 4:从图 5( g) 按照图 5( h) 的关节运动方式 运动到达图 5( i) 位置。转动变量为:1 = ，2 = 0， 3 = ，4 = 。机器狗经上述 4 个阶段完成一个对角线步态周期。3 对角线一致步态仿真通过前两节对机器狗典型步态的分析，在步态 控制过程中，依据转角的变化控制机器狗的腿部动 作顺序，从而顺利实现相应的步态。本节以四足机 器人沿 y 轴对角线一致步态的直线行走为例，按照 第 2 节步态规划方法用 Matlab 计算仿真机器人在 行进中重心位移的轨迹。图 6 对角线一致步态 x 轴重心位移轨迹Fig 6 Center of gravity displacement locus on the x axis图 6 表示四足机器人重心在 x 轴上的位移轨迹。 从仿真结果看出，虽然每次前进动作四足机器人重心 在 x 轴方向上有较大的偏移，但是在每个周期 x 方向 偏移大小相同，方向相反，这样就抵消了四足机器人整体上在 x 轴上的偏移。四足机器人首先偏向 x 轴 的负方向的原因是起步的抬腿顺序不同所致。如果 由四足机器人的左前腿和右后腿起步，则重心轨迹偏 向 x 轴的负方向;如果由四足机器人的右前腿和左后 腿起步，则重心轨迹偏向 x 轴的正方向。图 7 表示四足机器人重心在 z 轴上的位移轨 迹。从仿真结果看四足机器人重心在 z 轴方向上最第 3 期权震华，等:四足宠物机器狗动态步行规划与仿真67大波动幅度为 0 4 mm，说明四足机器人沿 z 轴对角 线一致步态的直线行走时没有太明显的上下波动， 比较平稳。图 7 对角线一致步态 z 轴重心位移轨迹Fig 7 Center of gravity displacement locus on the z axis图 8 表示四足机器人重心在 y 轴( 前进方向) 上的位移轨迹。仿真结果表明:四足机器人在 y 轴 上直线行走了 4 个周期，步长 = 40 mm，周期 T = 2 s， 占空比 = 0 5，平均速度为 20 mm / s，四足机器人能 够比较稳定地直线行走。图 8 对角线一致步态 y 轴重心位移轨迹Fig 8 Center of gravity displacement locus on the y axis采用 FPGA 作为主控制器制作了控制板，根据 仿真结果编制了对应的多路并行 PWM 输出控制电 路，实现了对 4 条腿共 8 个主动关节驱动电机的联 动控制，实现了机器狗步态平稳协调的运动，摆动腿跨步迅速，腿部运动轨迹配合准确，没有明显的左右 摇晃及前后冲击，从而证明了占空比系数 取值正 确，并且由于机器狗在一个步态周期后都回复到初 始姿态，所以从当前步态周期到下一步态周期是自 然和连续的，验证了“对角线一致”步态规划和设计 的正确性。4结论基于仿生学原理对四足机器狗的对角线一致的 步态运动进行了分析与规划，利用 Matlab 对步态规 划进行了仿真并采用关节控制器验证了对角线一致 的步态运动分析与规划的正确性。本文提出的步态 生成算法与传统方法相比较，具有以下特点:(1) 机 器人在一个步态周期后回到其初始姿态，所以从当 前步态周期到下一个步态周期都是自然和连续的; (2) 将机器人腿部运动规划为多个动作短周期分时 完成，实现宏观上动作的连续。参考文献1 陆卫丽，卞新高，等 四足爬行机器人步态分析与运动 控制 J 机电工程，2012，29(8) :886 8892 林砺宗，张松，王启春，等 四足步行