仿人機(jī)器人運動步態(tài)策略研究

季可兒

摘 要：隨著科技進(jìn)步，人工智能發(fā)展日新月異，其中機(jī)器人集合了包括電子工程、自動控制工程、機(jī)械工程、計算機(jī)工程以及多種人工智能技術(shù)。機(jī)器人的研究代表了當(dāng)代科學(xué)機(jī)電一體化的最高標(biāo)準(zhǔn)，同時也是目前全世界最活躍的科技發(fā)展前沿領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人；運動；步態(tài)

機(jī)器人擁有多種類別，其中仿人機(jī)器人的發(fā)展尤為迅速。仿人機(jī)器人是依據(jù)人類外形結(jié)構(gòu)特征，能夠雙足步行，按照指令完成一些繁雜、危險等嚴(yán)酷環(huán)境下的任務(wù)，或者為人類提供各種服務(wù)。由于仿人機(jī)器人相對于其他機(jī)器人的運動方式不同，是采用雙腳離散、交替地支撐地面，并且能夠自主選擇腳與地面最佳的支撐點，因此可以減少環(huán)境對仿人機(jī)器人的限制，具有較高的靈活性。

一、零點力矩原理

仿人機(jī)器人的穩(wěn)定性包括靜態(tài)穩(wěn)定性和動態(tài)穩(wěn)定性。其中靜態(tài)穩(wěn)定強(qiáng)調(diào)的是以重心作為穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，這種穩(wěn)定性指標(biāo)適用于靜止或者移動十分緩慢的雙足機(jī)器人。在機(jī)器人的實際應(yīng)用過程中，可以運動的雙足機(jī)器人更能滿足人類的需求，因此仿人機(jī)器人動態(tài)穩(wěn)定性研究相對來說更為流行。

仿人機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，機(jī)器人腳掌與地面的接觸面稱之為支撐面。兩個支撐面構(gòu)成的多邊形面積稱之為支撐面積，如圖2所示。

機(jī)器人具有兩種行走方式，第一種是靜態(tài)行走，這種行走方式是指機(jī)器人在運動過程中，機(jī)器人左右腳掌交替支撐，可以形成一個不斷變化和移動的支撐面，并且機(jī)器人的重心始終在其腳掌與地面相接處的支撐面內(nèi)。第二種行走方式為動態(tài)行走，這種行走方式是指在機(jī)器人行走過程中由于其機(jī)械臂等各個“關(guān)節(jié)”的擺動，會使機(jī)器人產(chǎn)生慣性力，從而使得機(jī)器人的重心可能會周期性落在支撐面以外，重心到地面的投影落在支撐腳所圍成的多邊形外部時，機(jī)器人處于不穩(wěn)定狀態(tài)。許多學(xué)者將零點力矩作為仿人機(jī)器人動態(tài)穩(wěn)定性的判定標(biāo)準(zhǔn)，其主要原理如下：零點力矩原理就是確保機(jī)器人的重力和慣性力的合力在地面上的投影，這個投影點的合力的力矩為零。

二、仿人機(jī)器人運動步態(tài)規(guī)劃策略

仿人機(jī)器人是以人類肢體結(jié)構(gòu)為參照對象進(jìn)行設(shè)計的，其動作也主要是模仿人類的行走方式。但由于機(jī)器人所具有的自由度與人類相差較大，所以不能完全按照人類的行為舉止來規(guī)劃機(jī)器人的行走姿態(tài)。必須結(jié)合機(jī)器人自身的結(jié)構(gòu)特點，通過設(shè)定一些假設(shè)和約束條件使機(jī)器人實現(xiàn)穩(wěn)定步行。

（一）機(jī)器人肢體直立規(guī)劃策略

仿人機(jī)器人的支撐主要靠其面積較大的腳掌，與人類正常行走時相同，機(jī)器人在整體設(shè)計中應(yīng)保證機(jī)器人在行走過程中身體始終與地面垂直。機(jī)器人行走過程中的姿態(tài)越接近人類的行走方式時，其穩(wěn)定性越好，協(xié)調(diào)性更強(qiáng)。

圖3給出了仿人機(jī)器人運動時各個關(guān)節(jié)處的夾角，為保證機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的運動，并保證機(jī)器人身體與地面垂直，則必須滿足以下規(guī)劃條件：

α1+α2+α3=0（1）

（二）機(jī)器人腳掌落地規(guī)劃策略

從人類行走過程中可以發(fā)現(xiàn)：人類運動時，一只腳抬起向前邁步時，腳后跟先著地，然后轉(zhuǎn)化到整個腳掌，與地面接觸的腳掌是腳后跟先離開地面，然后過渡到整個腳掌。這種行走方式取決于人類的腳有肌肉和骨架構(gòu)成，腳掌具有較多的自由度，而機(jī)器人在設(shè)計過程中其腳掌只是一個剛性平面。如果完全按照人類的行走方式進(jìn)行步態(tài)規(guī)劃，就會使機(jī)器人在行走過程中腳掌與地面之間為線接觸，接觸面積過小，會嚴(yán)重影響機(jī)器人的穩(wěn)定性，因此在進(jìn)行步態(tài)設(shè)計時，應(yīng)考慮使機(jī)器人的腳掌與地面接觸時腳掌與地面平行。

根據(jù)圖3所示的機(jī)器人運動模型，機(jī)器人運動時，機(jī)器人的腳掌與地面平行的規(guī)劃條件為：

α4+α5+α6=0（2）

三、總結(jié)

通過對仿人機(jī)器人行走步態(tài)策略研究，給出機(jī)器人在靜態(tài)行走和動態(tài)行走的滿足身體與地面垂直，腳掌與支撐面水平的規(guī)劃策略時，機(jī)器人能夠很好地、擬人化地進(jìn)行行走。通過合理設(shè)計機(jī)器人的骨架結(jié)構(gòu)，機(jī)器人可以完成前進(jìn)、后退，左右移動等多種動作，并且機(jī)器人系統(tǒng)具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。因此，目前仿人機(jī)器人大多數(shù)為動態(tài)行走策略，仿人機(jī)器人穩(wěn)定性分析可以為未來研究機(jī)器人奔跑步態(tài)的研究提供一定的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

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