人形機器人步態規劃及簡單設計

摘 要：本文先對人形機器人的基本概念進行簡要闡述，以5連桿機器人步態模型為例，通過正逆運動學建模來說明其步態規劃，其次介紹了人形機器人的基本部件及其作用。最后以實例分析來說明人形機器獲得的巨大成就。

關鍵詞：人形機器人；步態規劃；建模

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 16-0000-01

機器人技術是電子、機械、人工智能等各個領域新技術的結晶，人形機器人的研究作為機器人學的一個分支，無疑對機器人研究的技術和思想提出了更高的要求。目前對人形機器人步態規劃及優化的方法很多，本文旨在從簡單的概念，清晰的算法及實例來介紹其步態規劃的基礎，讓對機器人感興趣的讀者對人形機器人有所了解并引起普通讀者對機器人發展的關注。

一、基本概念

（一）靜態步行與動態步行。靜態步行是始終保持靜平衡的步行，步行過程中重心的投影始終在支撐區域內。而在動態步行過程中重心的投影則可跨出支撐區域，因而步行速度可更快[1]。

（二）姿態與步態。姿態是指機器人在步行運動過程中某一時刻各組件相對于參考坐標系的空間位置，可由步行運動過程中某一時刻各關節的廣義坐標表示。步態是姿態的變化過程，可由步行運動過程中各關節的運動軌跡描述。姿態動態平衡條件是零力矩點ZMP位于不包括邊界的支撐區域內，步態穩定的條件是在步行運動過程中機器人的步行軌跡在某極限環上具有穩定性。

（三）穩定性判據（ZMP）。ZMP是所受力矩之和在水平面達到平衡的點，可以在腳底安裝壓力傳感器，通過計算得來，對其控制可以由改變關節間夾角來實現。假若機器人失去平衡有可能跌倒時，可以通過下述三個控制系統來防止跌倒并繼續行走：（1）地面反作用力控制；（2）目標ZMP控制：機器人可模仿人行走過程中通過上肢反方向運動同時加快步速來保持平衡，避免即將產生的摔跤；（3）落腳點控制。

二、5連桿機器人模型的建立

如圖1，通過對坐標定義，機器人的位姿可唯一確定。在建模中把影響較小的腳忽略作為小腿的一部分。通常在行走過程中，腳與地面平行設計，但是在新近的一些機器人中，則采用“企鵝式”的走法，使雙腳隨行走相對于垂直面左右擺動，利用慣性節省和循環利用能量。5連桿機器人徑向平面運動步態圖的符號及意義為：mi：第i部分的重量；di：第i部分重心和它下端之間距離；Ii：第i部分對通過重心和運動面垂直的軸的轉動慣量；Li：第i部分的長度；θi：第i部分和豎直軸之間的夾角；Ve：為擺動腿踝關節的速度；（xe，ye）：為擺動腿踝關節的坐標；（xb，yb）：為支撐腿踝關節的坐標；（cgx，cgy）：機器人重心在固定坐標系中的坐標；（xci，yci）：第i部分的重心在固定坐標系中的坐標。

（一）基于正運動學的建模。正運動學建模就是已知兩足步行機器人的θi，Li，求解機器的Ii和擺動腿末端的位置參數。設連桿與豎直軸夾角為左負右正。得：xe=xb+L1sinθ1+L2sinθ2-L4sinθ4-L5sinθ；ye=yb+L1cosθ1+L2cosθ2-L4cosθ4-L5cosθ （1）

通過將上式對時間t微分，可以得到擺動腿踝關節的速度：

（2）

同理可得：xc1=d1sinθ1；yc1=d1cosθ1；xc2=L1sinθ1+d2sinθ2；yc2=L1cosθ1+d2cosθ2 （3）

由以上可得： ； （4）

（二）基于逆運動學的建模。其逆運算即給定機器人的上體和擺動腿末端的位置，來求θi。通過對θi添加約束條件，可以得到唯一解，其中θi的約束條件（i=1，4）為：Xe=Xh-Lisinθi-Li+1sinθi；Ye=Yh-Licosθi-Li+1cosθi；0°<θi<90°，-90°<θi+1<90° （5）

解得： ； （6）

； （7）

（三）機器人靜態行走流程簡要設計。模仿人行走的動作及考慮機器人本身的機械特點，機器人動作流程簡單設計為：站立→左側身+抬右腿→抬右腿前進→右側身+落右腿→右側身+抬左腿→抬左腿前進→左側身+落左腿（循環N次）。

三、人形機器人基本部件

（一）舵機。早期人們是用人造肌肉來完成對機器人關節伸縮變化的控制，現使用舵機來產生機器人的骨骼結構。一般舵機為180。

（二）傳感器。機器人的傳感器就如同人的感覺器官?；叶葌鞲衅骺煽醋鰴C器人的眼睛。通過不同顏色的檢測面對光的吸收反射的不同，灰度傳感器的光敏電阻返回的電阻值不同來識別顏色深淺不一的檢測面。

四、實例介紹

阿特拉斯為美軍研制的世界最先進的人形機器人。這個“終結者”身高188公分，重約149.7公斤，它的腦袋包括立體照相機和一個激光測距儀，機身包含28個液壓關節以及各式各樣的感應器，他的動力來源設置在一個場外的電源上。其可以在傳送帶上大步前進，利用傳感器躲開傳送帶上突然出現的木板；從高處跳下而穩穩落地，兩腿分開從陷阱兩邊走過，然后跑上樓梯；單腿站立，被從側面而來的球重撞而不倒。

五、結束語

本文是基于自己在實驗室對機器人的研究，通過對人型機器人步態規劃及簡單設計的概述，旨在讓初學機器人的讀者對機器人有所了解。

參考文獻：

[1]邊琦.基于雙足機器人的步行研究[D].北京郵電大學，2009.

[作者簡介]盧學燕（1991.05-），女，甘肅臨夏人，西北師范大學，2011級本科生，研究方向：電子信息工程。