仿人機器人步態(tài)補償算法介紹與分析

　　仿人機器人 THBIP-I及其步態(tài) （HumanoldrobotTHBIP，Iandits@alkinggait）’ 清華大學(xué) 自主研制的仿人機器人 呻 IP--重約 130kg，高 172cm，有 32個主要自由度，包括6x2=12 個自由度的雙腿、6×2=12個自由度的雙臂 4×2= 8個自由度的雙手等，此外頭部有 2個主自由度和 5 個手動調(diào)節(jié)雙眼自由度．它裝備有直流電源和一系列肢體姿態(tài)檢測裝置（包括六維力／力矩傳感器、三軸陀螺儀及三軸加速度計），腿部各關(guān)節(jié)設(shè)計運動范圍大，可實現(xiàn)較復(fù)雜的動作，如下蹲、轉(zhuǎn)彎、跨障和上下臺階等運動，上肢可實現(xiàn)點頭 搖頭、抓握水杯等運動 ．根據(jù)清華大學(xué)仿人機器人樣機THBIP—I的實際結(jié)構(gòu)，把機器人分為 15個大小不同的質(zhì)量塊，每個質(zhì)量塊上均有與之固結(jié)的剛體坐標(biāo)系來表示它的方位和朝向，除支撐足質(zhì)量塊與地面保持靜止，其他 l4個質(zhì)量塊的結(jié)體坐標(biāo)系的原點都在仿人機器人的運動關(guān)節(jié)上，如圖1所示，Z軸是該自由度的轉(zhuǎn)動軸，x軸指向下一個自由度，坐標(biāo)系滿足右手規(guī)則；前后依次的兩個坐標(biāo)系的原點相對位置不變，僅發(fā)生圍繞各自z軸的相對旋轉(zhuǎn)．

圖 1 仿人機器人系統(tǒng)體坐標(biāo)系 Fig．
1 Bodycoordinatesofthehumanoidrobot

所有轉(zhuǎn)角的初始狀態(tài)都如圖 1中所示，滿足右手轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)角 0為正，反之為負(fù)； 和 i的正負(fù)定義與 0的正負(fù)定義保持一致．用多剛體系統(tǒng)動力學(xué)即可建立起其力學(xué)模型和ZMP位置表達(dá)式．根據(jù)仿人機器人 THBIP-I樣機的系統(tǒng)描述，基于 ZMP‘穩(wěn)定移動的原則，多組平地行走的步態(tài)被規(guī)劃出來．現(xiàn)列舉步態(tài)名稱為 G3GA的一組步態(tài)，其步態(tài)參數(shù)為步長300ram、步態(tài)周期 8s（一個單腿支撐期和一 個雙腿支撐期共耗時 8s）．G3GA步態(tài)的各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)如圖2中左側(cè)部分黑色虛線所示． 3 理論步態(tài)的行走效果 （Walking~ectsof thetheoreticgaits） 將步態(tài) G3GA用于實際的行走實驗：仿人機器人行走不太穩(wěn)定也不太柔順 ，需要人在旁扶持，但扶持力不是很大，只是沒有完全失穩(wěn)，仿人機器人擺動足落地有比較明顯的沖擊現(xiàn)象；在單腳支撐期剛剛開始的一段時間內(nèi)，擺動足沒有離地，機器人出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，左腳支撐向左拐，右腳支撐向右拐．圖2左側(cè)為仿人機器人步態(tài) G3GA及其實際跟蹤曲線，其中黑色虛線為 G3GA，即理論曲線；黑色實線為 G3GAA1，即為機器人在懸掛狀態(tài)下的關(guān)節(jié)跟蹤曲線 ；灰色虛線為 G3GAG1，為機器人第一次落地行走實驗下的關(guān)節(jié)跟蹤曲線；灰色實線為 G3GAG2，為機器人第二次落地行走實驗下的關(guān)節(jié)跟蹤曲線．其中 G3GAG1和 G3GAG2幾乎重疊 ，說明問題是重 復(fù)出現(xiàn)的，系統(tǒng)的復(fù)現(xiàn)性是比較好的．圖2右側(cè)上方為仿人機器人足底六維力傳感器的力測量數(shù)據(jù)，其中左足垂直方向的受力曲線為經(jīng)過 F1、硯 、乃 的黑色實線 ，右足垂直方向的受力曲線為經(jīng)過 E1、 、躬 的灰色虛線．圖2右側(cè)下方為仿人機器人足底六維力傳感器的力矩測量數(shù)據(jù)．而機器人在步行過程中有外力的扶持 ，ZMP測量不準(zhǔn)確 ，這里沒有列舉其 ZMP測量曲線．從圖2中可以分析出仿人機器人在該理論步態(tài)下的行走特點． （1）仿人機器人在行走中，擺動足不能及時地抬離地面．在圖2的曲線中表現(xiàn)為，踝關(guān)節(jié)側(cè)擺的跟蹤相應(yīng)明顯低于其他關(guān)節(jié)，在跟蹤曲線上的圖中J4 處和 B處形成非常明顯的滯后；在擺動腿提離地面的過程中，在支撐踝側(cè)擺關(guān)節(jié)上的負(fù)載突然顯著增加，而踝側(cè)擺的抗負(fù)載干擾的能力比較弱，在跟蹤曲線的 J4處和 B處再次顯著地 向下 ，并形成更加滯后的下凹曲線；同時，在仿人機器人的支撐髖上反映為跟蹤曲線形成如 C處和 D處的超調(diào)（同時也與擺動髖和擺動踝側(cè)擺的跟蹤曲線 的誤差相互影響 ）．在 足