六自由度平面雙足機器人的步態規劃

李 彬，李界家

（沈陽建筑大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110168）

0 引言

雙足機器人具有多關節連接的腿部結構，相比輪式、履帶式機器人就能很容易的越過較高的障礙物，雙足機器人對行走的地形環境要求更低，效率很高。這些顯著的優勢使雙足機器人在軍事領域、地形探測和、抗震救災這些復雜多變的環境下，能夠在短時間內完成各種復雜的動作，從而達到所規定的任務指標。所以對雙足機器人的步態規劃研究具有很大的潛在價值。

雙足步態的實現需要解決非常復雜的控制難題。雙足系統不僅是非線性的，而且對于開環和閉環模型都是不連續的而且還受地面約束。本文對六自由度雙足機器人進行正逆運動學分析，基于三次樣條差值對雙足機器人的步態進行合理規劃。

1 雙足步行機器人運動學建模

由于雙足機器人具有復雜的運動學、動力學和控制特性，我們需要提取機器人的具體特征進行建模，這樣一來可以有效的降低步態規劃和步行控制的難度，從而實現穩定的步行和控制。

建立運動學方程我們需要建立坐標變換方程，把一系列的坐標系建立在連接連桿的關節上，這些坐標之間的相對位置和方向用齊次坐標變換來描述，就可以建立起機器人的運動學方程。但我們需要解決的問題是如何在每個關節上確定坐標系的方向、如何確定相鄰兩個坐標系之間的相對平移和旋轉量，因此需要采用一種合適的方法來描述相鄰連桿之間的坐標方向和參數。在這里我們運用D－H 參數法。根據運動學模型列出D－H 參數表1。

圖1 雙足機器人參考坐標系Fig.1 The reference frame of a biped robot

表1 雙足機器人運動學參數表Tab.1D-HParametersforbipedrobot

1.1 正運動學建模

根據上述D－H 法則的坐標變換規則，各個坐標之前的齊次變換表示：

根據以上矩陣，對于此雙足機器人來講，如果各個關節角度給定我們可以通過正運動學模型來確定其具體的位置和方向。齊次變換矩陣從坐標i 到坐標j 可以通過，i＜j 得到。用xiyizi分別表示坐標系i 對應坐標系r 的軸xyz。根據齊次坐標變換矩陣的定義得到各個坐標值的部分表達式如下：

其中：

1.2 逆運動學分析

逆運動學解決的問題是根據關節位置求出關節角度，根據機器人的幾何約束，求解機器人的膝關節、髖關節等受約束的關節角。注意到右腳踝和左腳踝分別用由坐標（x1，y1，z1），（x8，y8，z8）和轉動角度θ0和θ7來確定。這里使機器人便于直立行走，上肢和豎直平面常常設置為0。考慮到雙足機器人的機械結構特點其表達式：

由－θ0+θ'1+θ2+θ3=0 可以得到θ3的值。又由于兩腿的對稱性，根據上式可得到：

為了方便計算我們進行如下符號替換：

我們可以對上述寫成：

根據求導上式得到：

我們先進行下列定義：

由于兩條腿的對稱性，同理得到右腿關的表達式：

這樣我們就可以通過預設關節角度和步態規劃，得到準確的轉動角度。

2 雙足步行機器人的步態規劃

仿人雙足機器人是集移動功能,操作作業功能以及人際交互功能與一體的多功能機器人。要實現仿人雙足機器人在人類所處的環境下獨立工作或者協助人類工作，從機械結構的觀點來看，雙足機器人本身就是不穩定的，因為在行走的大部分時期重心是在腳支撐區域以外的。對于雙足機器人來說穩定性可以分為兩種：第一種為外在干擾下每個步行階段都需要動力結構的穩定，這意味著，在支撐階段機器人可以保持穩定的姿態。另一種是機器人需要步態穩定，這說明的是可以通過合適的步態規劃和調整使雙足機器人在復雜的環境中穩定連續的行走。這里說的穩定性是指雙足機器人可以持續保持預設期望的步態而不摔倒。

2.1 步態的選擇

步態規劃要模仿人類的行走特點，再根據機器人特有的結構進行，常用的步態有下列幾種：

第一種步態如圖2（a）所示，雙腳支撐期和單腳支撐期之間是緊接著出現的，擺動腳在離開和接觸地面時都是和地面平行，但由于具有主動驅動的關節，我們完全可以通過轉動允許的關節角度使ZMP 保持在支撐腳與地面接觸的區域。我們可以認為這種步態在雙腳支撐期的初始階段由于是整個腳掌同時著地可能會不穩定。

第二種步態如圖2（b）所示，是在第一種基礎上，加上了擺動腳的關節角度，擺動腳離開和接觸地面時都有特定的角度，腳跟先著地然后是整個腳掌，后腳跟抬起，下一步落地時，后腳跟先著地，等到全部著地的同時，支撐腳的后腳跟抬起。大多研究表明這種步態符合人類自然性走步態對提高穩定性有很大的幫助。

圖2 步態模式類型Fig.2 Types of walking patterns

第三種步態如圖3 所示，第三種步態考慮到雙足機器人與人類結構上的差別，在單腿支撐期和雙腿支撐期之間加入一個過度子階段，在第一個過度子階段，后腳從抬起，擺動到完全落地，支撐腳不動，等完全落地后支撐腳才變為擺動腳，以這樣的方式周期性運動。增加了穩定性。

由于本研究中的機器人屬于平面雙足步行機器人，腳踝在側向平面內不做左右轉動，所以雙腳在y 方向的坐標是定值。我們可以用三個參數來表示腳的軌跡，左腳：（xla（t），zla（t），θla（t）），右腳（xra（t），zra（t），θra（t））。其中x 和z 代表的是坐標值；θ 代表腳在離開和接觸地面時都有特定的角度。

圖3 步態模式優化圖Fig 3 The optimized Types of walking patterns

2.2 踝關節軌跡規劃

根據第三種步態的特性和步行的周期性我們可以這樣完整的描述一個周期的步行過程：假設奇數步從右腳的離地開始到右腳第一次與地面接觸結束，與此同時偶數步從左腳離開地面開始到左腳與地面接觸后結束。用T 表示步行周期，D 表示步長，設N 代表步數，用Td表示單腿支撐的時間，如圖所示：第N 步開始于雙腿支撐期，此時左腳作為之前的擺動腳剛好完全與地面接觸，此時右腳后腳跟正要向上抬起直到達到與地面夾角θ 后離開地面在t=（T+Td）/2 時腳開始擺動, 在這里假設擺動腳在t=NT+（Td+Ts）/2 時達到軌跡的最高點，t=T+Ts時單腿支撐階段結（以雙腳支撐期開始）在這里假設擺動腳在t=NT+（Td+Ts）/2 時達到軌跡的最高點，在t=T+Ts時單腿支撐階段結束且右腳后腳跟以角度θ 與地面接觸，然后逐步全部接觸，這一過程左腳始終與地面接觸，完成了一個步行周期。之后進入下一個步行周期的雙腳支撐階段的中間階段。此時t=（N+1）T 步時過程是一樣的只是左右腳的動作互換。根據上述分析，擺動腳的轉角方程如下：

擺動腳垂直方向的軌跡方程：

擺動腳的水平軌跡方程：

在步行周期開始時也是上一個步行周期結束時，要實現平穩過渡此時的擺動叫轉動的角加速度為零，而且由于右腳腳底作為支撐腳相對于地面是靜止不動的，所以應該滿足下列條件：

前向和縱向平面內的抬腳和落腳點的速度最低為0，可以是震動和沖擊力減小到最小，我們使其一階導數為零。

為了生成一條光滑的軌跡，必須滿足一階導數時可微的和二階導數時連續的，再把上述的約束條件帶入固定邊界求出系數矩陣，在將踝關節各個關鍵時刻的位置、角度帶入插值函數就可以生成右腳的軌跡。最后我們可以根據調節角度、抬腳高度等生成不同的腳踝軌跡。

2.3 髖關節軌跡規劃

同踝關節規劃一樣，因為是平面雙足步行機器人，髖關節只會繞y 方向進行轉動，左右髖關節在y 方向的坐標值保持固定不變。髖關節的雙足結構特點且受地形的制約，在水平地面上行走最理想的狀況是使軀干與地面保持垂直，方便起見、使髖關節軌跡保持成一條水平的直線。這樣做的目的也是避免重心在豎直方向擺動幅度太大造成機器人的不穩定性。我們設為髖關節在z 方向為定值。

我們用Xs 表示在單腿支撐期開始時髖關節到支撐腳的踝關節在X 方向的距離、用Xe表示在單腿支撐期結束時髖關節到支撐腳的踝關節在X 方向的距離，我們可以設定X 方向的約束條件：

因為單腳支撐期相對于雙腳支撐期的不穩定性，我們可以讓髖關節在雙腳支撐期間進行快移動，而在單腳支撐期相對進行較慢移動。注意到Xs，Xe對于步行機器人的穩定性重要的參數，根據參考文獻[2]提出了允許的最大穩定范圍，在這里我們設髖關節和踝關節之間0.5 個步長。

2.4 步態仿真實驗

如上分析雙足機器人的軌跡由兩部分組成，腳踝軌跡和髖關節，知道了這兩個軌跡我們就可以通過逆運動學確定所有關節的軌跡。通過上述軌跡計算并在Matlab中仿真進行演示結果如下，其中步態仿真的圖4 中，其后腳跟和前腳與地面接觸最大30°，而步態仿真的圖5 中是60°。

圖4 步態仿真圖Fig.4 Gait simulation

3 結論

本文通過運動學建模，然后運用逆運動學的求解，最后基于三次樣條線性差值完成了雙足機器人的步態規劃。考慮到單腳支撐到雙腳支撐的光滑過度的重要性，設計了合適的步模式，最后通過仿真實驗進行了驗證。

[1]Gouwanda D, Senanayake S, Marasinghe M, etal. Real time force sensing mat for human gait analysis[J]. World Acad. Sci. Eng. Technol, 2008，15.

[2]A.Goswami,Postural Stability of Biped Robots and the Foot-Rotation Indicator (FR1) Point, The International Journal of Robotics Research，18，6，pp.523-533，1999.

[3]李國棟，李光日同，田玉敏.一種用于測量機器人ZMP 的多點壓力傳感器[J].微計算機信息，2010，17.

[4]Shuuji Kajita，Hirohisa Hirukawa,Kensuke Harada, Introductiont to Humanoid Robotics.

[6]Q.Huang and S.Kajita.Planning Walking Patterns for a Biped Robot，IEEE Transactions on Robotics and Automation,Vol.17，No.3，200.