四足機器人步態規劃研究

呂莉莉 于澤濤

沈陽市高新區艾維聲光電電子經銷商行，遼寧 沈陽 110179

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四足機器人步態規劃研究

呂莉莉*于澤濤*

沈陽市高新區艾維聲光電電子經銷商行，遼寧 沈陽 110179

四足機器人是目前比較普遍的一種機器人，本文研究的是四足機器人的步態規劃，通過模仿四足動物的步態，設計了四足機器人在靜平衡狀態下四足之間相互協調的步態規劃，并通過用NorthSTAR圖形化開發環境軟件模擬四足機器人，設置并調試四足機器人舵機的角度與速度，將理論與實際結合，把設計的應用程序下載到四足機器人的控制器中，用來實現機器人運動步態的控制。最后，觀察它運動時的穩定性，通過反復的調試與修改，讓四足機器人在靜平衡狀態下能夠穩定的前進、后退、左轉、右轉。在此基礎上把四足機器人的四足步態協調組合，接上紅外接近傳感器，實現四足機器人的光源跟蹤。

四足機器人；靜平衡狀態；穩定性；重心；步態規劃

本論文主要仿照四足動物搭建四足機器人平臺，根據四足動物的步態方式開展四足機器人的步態分析與設計，先分析四足機器人在靜態平衡下的穩定性，設計能使四足機器人在平坦的環境中能穩定行走的步態，通過NorthSTAR圖形化開發環境軟件對機器人舵機進行參數調試，使四足機器人能穩定的進行前進、后退、左轉、右轉等基本步態，以完成四足機器人的基本步態規劃，最后通過連接紅外接近傳感器，設計一個會追光的四足機器人。

一、四足機器人穩定性分析

在此需要明確什么叫靜平衡，在機器人研究中，將不需要依靠運動過程中產生的慣性力而實現的平衡叫做靜平衡。四足機器人是最典型的足式機器人研究平臺，四足機器人如果在任何時刻都只有一條腿邁動，就可以保持平衡。

例如我們接下來對四足機器人的前移進行簡單的步態設計，將機器人簡化成一個四邊形ABCD，重心是四邊形的交點，A、B、C、D分別模擬四足機器人的四條腿，對四足機器人進行步態規劃，使其能穩定的行走。四足機器人的前移就是其重心的前移，重心位于四個支點的正中心，失去任何支點，重心都將處于其他3個支點所構成的三角形的一條邊上，機體會有向一側傾斜的危險，為了讓機體能夠平穩地抬起一只腳并且前移的過程中必須保證有1條腿抬起，其余3條腿支撐地面組成一個三角形區域，并且重心在三角區域內。四足機器人前進的步態設計如下：

(1)四足機器人靜止狀態是一個正四邊形，因為要前進，D足向前蹬地，將重心前移。A足向前，C足蹬地，重心在ABC區域，D足抬起邁出。

(2)D足落地，B足向前，重心在BCD區域，A足抬起邁出。

(3)A足落地，C足向前，重心在ACD區域，B足抬起邁出。

(4)B足落地，D足向前，重心在ABD區域，C足抬起邁出。

(5)C足落地，A足向前，重心在ABC區域，D足抬起邁出。

這樣就完成了一個前進的運動流程。這只是一周的步態圖，要想實現前進的步態就需將這一周循環運行。四足機器人的后退、左轉、右轉的原理等同于前進的步態設計，以此類推設計出所有步態規劃。

二、四足機器人的步態研究實現實驗

(一)編寫程序并調試使四足機器人達到穩定的步態

根據之前所分析的步態圖，在NorthSTAR圖形化開發環境中對機器人舵機角度與速度的調試，使其達到穩定行走的狀態。

(二)設計四足機器人步態程序

根據前面的分析，觀察NorthSTAR軟件中舵機模塊屬性中的機器人三維立體圖，通過修改機器人舵機角度來調整機器人行走的方向，通過調整機器人舵機的速度配合機器人行走的方向，使機器人的四足之間能相互協調，從而達到穩定想走的最佳步態。并且在每個舵機之間加上延時模塊，使機器人的邁步能連接的更穩定。最后再加一個while循環語句，最后將各模塊連接起來，在對其進行編譯，如果沒有錯誤就可以下載到機器人的控制器中，這樣四足機器人基本步態就完成了。

(三)基本步態設計下的四足機器人光源跟蹤

簡單的步態設計完成之后將其組合起來，并與紅外接近傳感器連接，根據紅外接近傳感器的工作原理，設計一個能夠跟蹤光源的四足機器人。當四足機器人在前進的過程中，機器人的傳感器檢測到正前方10cm處有障礙物的時候，四足機器人將選擇后退；當機器人的傳感器檢測到左側10cm處有障礙物的時候，四足機器人選擇接近光源的一側，即機器人向右轉；當機器人的傳感器檢測到右側10cm處有障礙物的時候選擇向左轉。傳感器與四足機器人的步態融合在一起，實現四足機器人的光源跟蹤。

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呂莉莉，本科，沈陽市高新區艾維聲光電電子經銷商行，研究方向：自動化；于澤濤，專科，沈陽市高新區艾維聲光電電子經銷商行，研究方向：建筑電氣工程技術(電氣設備安裝及自動化方向)。

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1006-0049-(2017)10-0290-01