双足步行机器人的步态规划

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计算机工程与应用

$引言

步态是指在步行运动过程中，机器人的各个关节在时间和

空间上的一种协调关系。步态规划的目标是产生期望步态，即产生在某个步行周期中的实现某种步态的各关节运动轨迹（期望运动轨迹）和期望零力矩点（&’(）轨迹。步态规划是机器人稳定步行的基础)$*。

双足步行机器人的步行可以按静态步行，准动态步行，动态步行进行分类。静态步行和准动态步行可看作动态步行的特例。文章的目标是可以实现双足步行仿人机器人动态步行。

!双足步行机器人的本体结构

图$

下肢机械结构和自由度分配

双足机器人的步行能力在很大程度上依赖于机械结构的

运动学和动力学特征。对于动态步行而言，曾经有过$、!、+、,、

-、$!、$.个自由度的经典机械结构)!*。考虑到项目的具体运动

行为要求：平地行走、斜坡步行，上下台阶等等动作，选用腿部的自由度为$!个；同时，上肢为$+个自由度，腰部%个自由度，颈部!个自由度，共%$个自由度。图$中!!到!$%为$!个实际关节，!$是一个虚拟关节。参考坐标系原点建立在垂直!$与地面的交点。质量分配、

几何尺寸等条件已知。系统输入为：六维力/力矩传感器，接触开关，倾斜度传感器，关节编码器，零参考开关和限制开关。输出为到伺服放大器的数字信号，用来控制关节的角度值。

%数学模型的建立

坐标系系统的建立采用标准0123456和738612918:准

则，采用齐次变换矩阵来描述参照前一连杆的坐标系统来建立下一个连杆的坐标系统：

!"$!!#;<=!!>=52!!;<="!=52!!=52"!$!;<=!!=52!!;<=!!;<="!>;<=!!=52"!$!=52!!"

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!!。

其中：$!为连杆长度；"!为连杆扭曲角；%!为连杆偏移量；!!

为关节角度。由于所有关节都是旋转关节，所以!!为系统变量。其中，需要说明的是虚拟关节!$，

增加了这一在支撑腿的脚底的旋转关节，是为了可以计算支撑脚的质量，并可以方便地统一环境参考坐标系统和关节坐标系系统。

多关节机器人的运动方程由下式给出：

双足步行机器人的步态规划

张

伟

杜继宏

（清华大学自动化系，北京$""",+）

@>A35B ：CD32:E15--FA35B=#6=52:DG3#1HG#;2

摘

要

主要研究了双足步行机器人的基本步态的建立过程，进行了参数化处理，提出了一种简单可行的步态规划方

法，并对数据结果进行了仿真验证。仿真及试验结果表明，该文给出的方法能实现不同步速的连续动态步行。通过标准步态数据的建立，为实时步态规划校正和在线控制补偿算法奠定了基础。关键词

双足步行机器人

步态

步态规划

步行仿真文章编号$""!>,%%$>（!""!）$%>"!$+>"%

文献标识码I

中图分类号J(!+!

#$%&’($))%)*+,$-%./01$(2%)*3+4+&

56$)*1/%789%6+)*

（01K386A126

!4:&;$<&：JD1:356KB32252:K8<9B1A

K8

=/>?+;0:：O5K1H S3BQ52:T<9<6，R356，(B32252:，U5AGB365<2

基金项目：清华大学“-,.”学科规划项目

作者简介：张伟，硕士研究生，研究领域：机器人控制，机器人仿真。杜继宏，教授，研究领域：线性系统理论，计算机控制，机器人控制，

智能控制。

!$+万方数据