液壓四足機(jī)器人自碰撞檢測及其運(yùn)動(dòng)規(guī)劃

邵俊鵬 遲涵威 孫桂濤

摘 要：針對四足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中存在的自碰撞問題，采用距離函數(shù)法，通過對腿部選取特征點(diǎn)，并對特征點(diǎn)之間的距離檢測，進(jìn)行足端的軌跡規(guī)劃。研究過程中，建立了四足機(jī)器人的三維模型，并給出了四種自碰撞位置檢測模型，對腿部運(yùn)動(dòng)空間的分析，每條腿上選取兩個(gè)特征點(diǎn)，用距離函數(shù)法對特征點(diǎn)間距離進(jìn)行控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對腿部的控制。經(jīng)過仿真分析和實(shí)驗(yàn)得出，應(yīng)用距離函數(shù)法可以將兩足端的最小距離控制在34.72mm處，有效的避免機(jī)器人在行進(jìn)過程中腿部之間存在的碰撞問題。

關(guān)鍵詞：四足機(jī)器人;運(yùn)動(dòng)規(guī)劃;自碰撞;碰撞檢測;距離函數(shù)法

DOI：10.15938/j.jhust.2020.05.010

中圖分類號(hào)： TP242

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1007-2683（2020）05-0068-07

Abstract：Aiming at the self-collision problem in the motion of four-legged robots， the distance function method is adopted， the feature points are selected for the legs， and the distance between the feature points is detected to plan the trajectory of the foot. In the research process， the three-dimensional model of the quadruped robot was established， and four self-collision position detection models were given. The analysis of the leg motion space was performed. Two feature points were selected on each leg， and the feature points were used to solve the feature points. Control the distance between the legs to control the legs. Through simulation analysis and experiment， the distance function method can be used to control the minimum distance between the two ends at 34.72mm， effectively avoiding the collision problem between the legs during the running of the robot.

Keywords：quadruped robot; motion planning; self collision; collision detection; distance function method

0 引 言

目前，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式主要有輪式、履帶式和足式3種[1-2]。在應(yīng)用方面，輪式和履帶式機(jī)器人技術(shù)已相對成熟，但是存在著明顯的不足，輪式機(jī)器人面對過于崎嶇的路面或高度大于車輪半徑的障礙物時(shí)，輪式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)就會(huì)受到限制;履帶式機(jī)器人存在移動(dòng)速度慢，能量利用率低等缺陷[3-4]。相對于輪式和履帶式機(jī)器人，足式機(jī)器人落足點(diǎn)是離散的，在足的可達(dá)空間內(nèi)選擇最優(yōu)支撐點(diǎn)[5-6]，跨越障礙，提高了對崎嶇地面的適應(yīng)能力，通過對運(yùn)動(dòng)步態(tài)的控制，進(jìn)而控制運(yùn)動(dòng)速度，提高能量利用率[7]。采用液壓方式驅(qū)動(dòng)，可以使機(jī)器人具有更大的負(fù)載能力，并可在極短的時(shí)間內(nèi)為機(jī)器人提供足夠大的驅(qū)動(dòng)力矩，用電液伺服作動(dòng)器作為關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)單元，通過控制腿部機(jī)構(gòu)在擺動(dòng)相和支撐相間的切換實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)[8-9]。四足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃既要考慮其身體部位與外界的碰撞，又要避免其自身身體部位的碰撞，而且機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中腿部相對位置是時(shí)變的[10]，相對于外界環(huán)境的碰撞，自碰撞運(yùn)動(dòng)的規(guī)劃更為復(fù)雜，故本文從四足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中，避免腿部之間的碰撞這一問題出發(fā)，進(jìn)行規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)自身的避碰。

在機(jī)器人自碰撞檢測和規(guī)劃方面已有許多成果，如吳長征，岳義等[11]針對雙臂機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃過程中的自碰撞問題，提出了基于空間向量幾何距離的機(jī)械臂自碰撞檢測方法，并驗(yàn)證了該算法的有效性;Kwak，Park. [12]提出了一種基于反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)自碰撞檢測方法，該法能明顯減少自碰撞檢測計(jì)算時(shí)間，但準(zhǔn)確性仍有待提升。Dietrich A等[13]提出了一種基于人工排斥勢場的避碰算法，為了提高運(yùn)動(dòng)的安全性，在控制器無法避免自碰撞的情況下，引入了基于動(dòng)能考慮的附加緊急制動(dòng)策略。Tanaka M，Tanaka K.[14]控制輸入的關(guān)節(jié)角度用于關(guān)節(jié)限制和自碰撞避免。TuomoKivel等[15]提出了一種生成冗余機(jī)械手關(guān)節(jié)軌跡的方法，如果存在碰撞風(fēng)險(xiǎn)，控制器計(jì)算即將發(fā)生碰撞的確切點(diǎn)與碰撞對象間的最短距離，通過修改關(guān)節(jié)軌跡以避免碰撞。

以上方法均能在一定程度上控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)中自身的碰撞問題，但也存在一定問題。基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的搜索算法過于復(fù)雜;人工勢場法無法避開局部極小值的問題;對于軌跡規(guī)劃法需要綜合考慮運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)等多方面因素的基礎(chǔ)上來設(shè)計(jì)機(jī)器人軌跡規(guī)劃曲線。而距離函數(shù)法具有方法簡單、易使用的優(yōu)點(diǎn)，它的基本原理是：控制機(jī)器人連桿與障礙物之間的距離，并避免計(jì)算的復(fù)雜性，而且能夠保證機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性和連續(xù)性[16]。

目前，對四足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)研究大多集中在walk、trot和bound步態(tài)上[17-21]，并未考慮到機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)中自身腿部的干涉問題，但在實(shí)際運(yùn)動(dòng)過程中，確實(shí)存在腿部與腿部之間的碰撞，而且一旦發(fā)生，將嚴(yán)重影響運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。對于這一問題，本文首先提出了對腿部間碰撞的檢測，在運(yùn)動(dòng)過程中，通過距離函數(shù)法進(jìn)行規(guī)劃，達(dá)到腿部之間避免碰撞的目的。

1 四足機(jī)器人的自碰撞檢測

四足機(jī)器人的自碰撞主要是指左右腿和前后腿之間的碰撞。在單條腿中，由于各關(guān)節(jié)具有運(yùn)動(dòng)極限，所以不考慮單腿中連桿間的碰撞。四足機(jī)器人的整體模型如圖1所示。

2.2 足端避碰規(guī)劃

機(jī)器人通過控制四條腿的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)機(jī)器人整體運(yùn)動(dòng)，建立四足機(jī)器人空間模型及相應(yīng)的關(guān)節(jié)坐標(biāo)系如圖4所示。

4 結(jié) 論

本文將距離函數(shù)法應(yīng)用到四足機(jī)器人的無碰撞運(yùn)動(dòng)規(guī)劃當(dāng)中，通過對機(jī)器人結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)的分析，總結(jié)了四種自碰撞檢測模型，對機(jī)器人單腿建立了動(dòng)力學(xué)方程和運(yùn)動(dòng)學(xué)求解，通過在ADAMS軟件上的仿真和實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的驗(yàn)證，證明了應(yīng)用距離函數(shù)法可以實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人腿部的避碰運(yùn)動(dòng)。

參 考 文 獻(xiàn)：

[1] 蘇磊，侯宇，吳飛，等.輪足式機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及越障性能分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2016（8）：46.

SU Lei， HOU Yu， WU Fei， et al. Design of Wheel-foot Robotic Mechanism and Analysis of Obstacle-crossing Performance[J]. Mechanical Design and Manufacturing， 20168）： 46.

[2] 帥立國，鄭麗媛，費(fèi)燕瓊.輪-履混合式移動(dòng)機(jī)器人爬坡運(yùn)動(dòng)研究[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，37（2）：266.

SHUAI Liguo， ZHENG Liyuan， FEI Yanqiong.Study on the Climbing Movement of Wheel-track Hybrid Mobile Robot[J].Journal of Harbin Engineering University， 2016，372）： 266.

[3] 王朝陽，胡淼，湯永紅.輪履復(fù)合式移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)及越障功能分析[J].機(jī)械傳動(dòng)，2010，34（4）：38.

WANG Chaoyang， HU Miao， TANG Yonghong. Design of Wheel Track Compound Mobile Robot and Analysis of Obstacle-crossing Function[J]. Mechanical Transmission， 2010， 344）： 38

[4] 王鵬，李鑫，江文浩.地震搜救機(jī)器人構(gòu)型設(shè)計(jì)綜述[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，17（1）：15.

WANG Peng， LI Xin， JIANG Wenhao. Overview of the Configuration Design of Earthquake Search and Rescue Robots[J]. Journal of Harbin University of Science and Technology， 2012， 171）： 15.

[5] XU Yilin，GAO Feng，PAN Yang，et al.Method for Six-Legged Robot Stepping on Obstacles by Indirect Force Estimation[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering，2016，29（4）：669.

[6] CHUNG J W，LEE I H，CHO B K，et al. Posture Stabilization Strategy for a Trotting Point-foot Quadruped Robot[J]. Journal of Intelligent & Robotic Systems，2013，72（3/4）：325.

[7] 劉慶運(yùn)，景甜甜.六足步行機(jī)器人及其步態(tài)規(guī)劃研究進(jìn)展[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)），2015，29（7）：87.

LIU Qingyun， JING Tiantian. Advances in Research on Hexapod Walking Robot and Its Gait Planning[J].Journal of Chongqing University of TechnologyNatural Science）， 2015，297）： 87.

[8] 邵俊鵬，李中奇，孫桂濤，等.液壓四足機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)節(jié)能[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，21（2）：53.

SHAO Junpeng， LI Zhongqi， SUN Guitao， et al. Energy Saving of Hydraulic Quadruped Robot Joint Drive[J].Journal of Harbin University of Science and Technology， 2016，212）： 53.

[9] 于艦，孫桂濤，高炳微，等.液壓四足機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器CAN總線通信[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，18（2）：77.

YU Jian， SUN Guitao， GAO Bingwei， et al. CAN Bus Communication of Hydraulic Quadruped Robot Driver[J]. Journal of Harbin University of Science and Technology， 2013， 182）： 77.

[10]李滿宏，張明路，張建華，等.六足機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)綜述[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2015，32（10）：1.

LI Manhong， ZHANG Minglu， ZHANG Jianhua， et al. Summary of Key Technologies of Hexapod Robot [J]. Mechanical Design， 2015， 3210）： 1.

[11]吳長征，岳義，韋寶琛，等.雙臂機(jī)器人自碰撞檢測及其運(yùn)動(dòng)規(guī)劃[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2018，52（1）：45.

WU Changzheng， YUE Yi， WEI Baochen， et al. Self-collision Detection and Motion Planning of Dual-arm Robot[J].Journal of Shanghai Jiaotong University， 2018，521）： 45.

[12]KWAK，PARK. Back Propagation Neural Network Based Real-time Self-collision Detection Method for Humanoid Robot[C]// IEEE 2011 11th International Conference on Control，Automation and Systems， 2011：1505.

[13]DIETRICH A，WIMBCK，THOMAS，TUBIG，HOLGER，et al. Extensions to Reactive Self-Collision Avoidance for Torque and Position Controlled Humanoids[C]// IEEE International Conference on Robotics &Automation.IEEE，2011：3455.

[14]TANAKA M，TANAKA K. Shape Control of a Snake Robot With Joint Limit and Self-Collision Avoidance[J]. IEEE Transactions on Control Systems Technology，2016（99）：1.

[15]TUOMO Kivel，MATTILA J，PUURA J，et al. Redundant Robotic Manipulator Path Planning for Real-Time Obstacle and Self-Collision Avoidance[C]// International Conference on Robotics in Alpe-Adria Danube Region. Springer，Cham，2017：208.

[16]賈慶軒，戰(zhàn)強(qiáng)，孫漢旭.雙冗余度機(jī)器人的避碰運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法研究[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2004（4）：349.

JIA Qingxuan， ZHAN Qiang， SUN Hanxu. Research on Collision Avoidance Motion Planning Method of Dual-redundancy Robot [J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics， 20044）： 349.

[17]勾文浩，袁立鵬，宮赤坤，等.基于足端軌跡的仿生四足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與步態(tài)規(guī)劃[J].現(xiàn)代制造工程，2017（7）：37.

GOU Wenhao， YUAN Lipeng， GONG Chikun， et al. Kinematic Analysis and Gait Planning of Bionic Quadruped Robot Based on Foot Trajectory [J] .Modern Manufacturing Engineering， 20177）： 37.

[18]高炳微，王思凱，高元鋒.液壓四足機(jī)器人單腿豎直跳躍步態(tài)規(guī)劃[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2017，38（5）：1086.

GAO Bingwei， WANG Sikai， GAO Yuanfeng. Single Leg Vertical Jump Gait Planning for Hydraulic Quadruped Robot[J].Chinese Journal of Scientific Instrument， 2017，385）： 1086.

[19]鄭建華，牛軍川，江民圣，等.基于Trot步態(tài)的四足機(jī)器人彈簧腿動(dòng)力學(xué)分析與仿真[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，46（8）：2877.

ZHENG Jianhua， NIU Junchuan， JIANG Minsheng， et al. Dynamic Analysis and Simulation of Spring Leg of Quadruped Robot Based on Trot Gait[J].Journal of Central South UniversityNatural Science Edition）， 2015，468）： 2877.

[20]王立鵬，王軍政，汪首坤，等.基于足端軌跡規(guī)劃算法的液壓四足機(jī)器人步態(tài)控制策略[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2013，49（1）：39.

WANG Lipeng， WANG Junzheng， WANG Shoukun， et al. Gait Control Strategy of Hydraulic Quadruped Robot Based on Foot Trajectory Planning Algorithm [J] .Chinese Journal of Mechanical Engineering， 2013，491）： 39.

[21]李貽斌，李彬，榮學(xué)文，等.液壓驅(qū)動(dòng)四足仿生機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和步態(tài)規(guī)劃[J].山東大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2011，41（5）：32.

LI Yibin， LI Bin， RONG Xuewen， et al. Structural Design and Gait Planning of Hydraulically Driven Quadruped Bionic Robot[J].Journal of Shandong UniversityEngineering Science）， 2011，415）： 32.

[22]張國騰，榮學(xué)文，李貽斌，等.基于虛擬模型的四足機(jī)器人對角小跑步態(tài)控制方法[J].機(jī)器人，2016，38（1）：64.

ZHANG Guoteng， RONG Xuewen， LI Yibin， et al. A Control Method for a Quadruped Robot Based on Virtual Model in Diagonal Jogging [J] .Robot， 2016，381）： 64.

[23]蔡自興.機(jī)器人學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007：51.

[24]莊未，黃用華.基于螺旋理論的冗余液壓驅(qū)動(dòng)四足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2011，28（11）：15.

ZHUANG Wei， HUANG Yonghua. Kinematics Analysis of Redundant Hydraulic Driving Quadruped Robot Based on Spiral Theory [J]. Mechanical Design， 2011，2811）： 15.

（編輯：王 萍）