某六足機器人的步態(tài)規(guī)劃分析案例概述目錄TOC\o"1-3"\h\u20745某六足機器人的步態(tài)規(guī)劃分析案例概述 1205101.1六足機器人步態(tài)的基本概念 1289611.2機器人的運動學分析 2279061.3三角步態(tài)的原理 4285661.4四足步態(tài)的原理 631691.5穩(wěn)定性分析 7六足機器人步態(tài)的基本概念步態(tài)是機器人的行走方式，即機器人在行走時的腿部動作。而由于研究機器人的需要，McGhee在前人研究機器人的基礎上，對機器人行走步態(tài)給出了一系列的定義。目前，機器人步態(tài)的研究常用到的術語如下[13]步態(tài):步態(tài)是其所指運動即與其他步行運動機器人一樣具有關于人體腿部擺動位置和身體擺動的順序和字符或極其相似時間長度相序等動態(tài)特征的一種人體步行動態(tài)模型。支撐相、擺動相:步行機器人腿部著地的狀態(tài)叫做支撐相或站立相。支撐性多邊形:即一個步行式的機器人就是通過利用支撐性在腳的和踏足著的兩個地方用凸型圖形輪廓的直線連接構(gòu)成的一個凸形多邊形在一個凸型水平面上的圖形投射。動態(tài)性的儲蓄步行、準的和動態(tài)的穩(wěn)定步行、動態(tài)性的儲蓄步行:一個電動機器人在其動態(tài)步行的整個過程中特殊運動時期某段不能同時繼續(xù)地能夠保持其各種靜態(tài)和穩(wěn)定的動態(tài)步行過程稱為是準動態(tài)性的儲蓄步行或者稱為是準的和動態(tài)性的儲蓄步行,在這段動態(tài)步行中完全可以有個個人能夠同時地為了滿足其各種靜態(tài)和穩(wěn)定的步行條件而繼續(xù)進行的的儲蓄性動態(tài)步行的過程稱為是準動態(tài)性的儲蓄步行。跨步:一種走向機器人在大腦和肢體之間的一個周期性運動，也就是說叫做跨步;在一個單位時間周期內(nèi),機器人以重心轉(zhuǎn)向移動的距離稱為步長幾乎所有的人類動物都通常是可以采用正常的有規(guī)則的測量步態(tài),而且善于走路的人類機器人通常也大都是以此規(guī)則作為步態(tài)測量的一個基準。β一般定義是在0和1之間可以進行整數(shù)取代的值。對于六足型的機器人而言,其飛行步態(tài)可能會因β的角度變化而只會發(fā)生輕微改變。當0腿的運動相位:一種步行運動機器人在我們進行這種腿部運動周期性步行運動的的過程中大都是從第-條腳是腿然后開始腿部運動,第--條腳是腿然后開始腿部運動的說到底是從i一條腿然后開始腿部運動的這個運行過程中每運動一條腳和腿的腿部運動時間周期長度之比就被我們稱為第一和i--一條腿的運動相位,用腿的φi和φ來乘數(shù)表示[14]。步態(tài)的基本設計使用方法步態(tài)是我們能夠?qū)崿F(xiàn)一個人類正常社會中的生活目標中的重要技術關鍵之一,為了能夠達到比較理想的實現(xiàn)人類正常社會中的步行,考慮下列幾個因素:(1)凡是人類正常社會中的步行平穩(wěn)、協(xié)調(diào),進退自如,無左右腳的搖晃及前后的橫向沖擊;(2)凡是當?shù)貢r機體和各個運動關節(jié)之間沒有較大的橫向摩擦力而受沖擊,特別指凡是由于當機體擺動人的雙腳或彎曲腿部而著地時,與體內(nèi)空氣及其中的水和血液相互發(fā)生接觸而使其身體變得柔軟或緩慢容易著陸:(3)凡是當機體與各個地面之間保持相對平行,目.始終以等高運動速度方向運動,沒有明顯的關節(jié)上下方向旋轉(zhuǎn)或大幅度方向波動;(4)由于腿部快速擺動關節(jié)跨步迅速,腿部的快速運動關節(jié)軌跡速度呈現(xiàn)圓滑,關節(jié)減慢移動軌跡速度與腿部加快移動軌跡速度均為穩(wěn)定畸點;(5)對于一個占空面積系數(shù)大于β的合理地圖可取得數(shù)值[15]。機器人的運動學分析六足機器人單腿結(jié)構(gòu)簡圖如圖8所示[16]圖8六足機器人單腿結(jié)構(gòu)簡圖三個關節(jié)的轉(zhuǎn)動副分別為e、f、g,把機身作為參考系，建立出坐標系，以機器人運動反向為x軸，它的轉(zhuǎn)動副軸線的方向就是z軸，以其為基準分別建立坐標系、、。其中軸與軸夾角為；軸與軸夾角為；軸與軸夾角為；足末端Ｐ在坐標系中的坐標為。根據(jù)運動學理論，坐標系相對于坐標系的齊次變換陣為則足末端Ｐ在坐標系中的坐標為從而，足末端坐標與關節(jié)轉(zhuǎn)角及桿長之間的關系為根據(jù)運動學逆解［17］，得關節(jié)Ｅ、Ｆ、Ｇ的轉(zhuǎn)角為以六足機器人運動學為依據(jù)，可以的得到六足機器人各個部件的輸入的變化規(guī)律。把它的運動規(guī)律帶入機器人的運動方程，然后再利用六足機器人結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)用遺傳算法對六足機器人進行優(yōu)化分離求解。最后，再對其進行集成優(yōu)化設計求解，算法參數(shù)見表1。表1遺傳算法參數(shù)Matlab仿真結(jié)果輸出：圖9集成、分離設計的末端執(zhí)行器X（左）、Y（右）方向跟蹤誤差對比三角步態(tài)的原理六足機器人身上分別具有兩組腿,其中每一組人的腿分別在其表現(xiàn)意義為:它與身體一側(cè)的中間前腿、另一個兩側(cè)的中間后腿以及它與身體同時一側(cè)的兩個后腿,并且在一起支撐這個立體三角形上的每一組腿之間的任何動作都可以說是幾乎完全相同的,也可以說是處于一種支撐性的相或者一種擺動性的相互關系。"在同一段特定時間內(nèi)只有一組三條腿再次單獨行走的運動過程中后腿能夠單獨起到一定的支撐作用:然而后腿則仍然可以用來推動自己的整個身體和腿部重心向一側(cè)前進,中間的腿仍然可以直接用來用于支撐和幫助舉起其物體所屬一側(cè)的整個身體,前腿則在固定了一個物體后并可以拉動其腿的重心向一側(cè)前進,同時中腿可以用來使得腿的重心同時轉(zhuǎn)向,在一個能夠完全保證整個運動機體穩(wěn)定的條件情況下,行走時腿的重心仍然可以繼續(xù)向前并略微地向外左右旋轉(zhuǎn),三條腿同時行走能夠單獨執(zhí)行一個運動,然后再與.另一組的三條腿交替進行,兩組腿如此交替地擺動和支撐,從而實現(xiàn)六足機器人的快速運動,其行走的軌跡線是一條“鋸齒狀曲線”[18]機器人采用三角步態(tài)的運動示意運動圖如下：圖10機器人三角步態(tài)示意圖機器人在開始運動時，左側(cè)的2號腿、右側(cè)的4、6號腿抬起準備向前擺動，另外的三條腿處于支撐狀態(tài)，這三條腿支撐機器人確保機器人的重心處于這三條腿所構(gòu)成的三角形中，使機器人不會摔倒，接下來，機器人的2、4、6號運動腿抬腿向前跨步，而1、3、5號腿在支撐機器人的同時在電動機和傳動機構(gòu)的作用下向前運動半個s長。機器人在經(jīng)過以上運動到位后，移動腿2、4、6號腿立即進入支撐狀態(tài)，使得機器人的重心位于以上三條腿所構(gòu)成的三角形內(nèi)，而此時的1、3、5號腿抬腿向前進行跨步，而此時的2、4、6號腿一邊支撐機器人，一邊抬腿向前運動半個s長，如此周而復始的進行上面的運動，使得機器人向前行走[19]。下圖是三角步態(tài)相位圖，黑色支撐相，白色擺動相圖11三角步態(tài)相位圖四足步態(tài)的原理六足機器人初始狀態(tài)為(a)，隨后1,5號腿首先在舵機的驅(qū)動下抬腿前跨后落地支撐;同時2,4號腿與3，6號腿髓關節(jié)反轉(zhuǎn)推動機身調(diào)整位姿(b);然后2.6號腿也拍起向前跨步，同時1,5號腿與3,4號腿髓關節(jié)反轉(zhuǎn)推動機身調(diào)整位姿如圖(c),方便下一步行動2，6號腿落地；3,4號腿拍腿前跨后落地支撐，最后，機器人通過1，5號腿和2，4號腿的髓關節(jié)反轉(zhuǎn)扭動使機身回到最初的狀態(tài)如圖(e)[20]圖12機器人四足步態(tài)示意圖下圖是四足步態(tài)相位圖，黑色支撐相，白色擺動相圖13四足步態(tài)相位圖穩(wěn)定性分析對機器人穩(wěn)定性的分析主要可以劃分為兩種類型,即靜態(tài)穩(wěn)定性與動態(tài)穩(wěn)定性,兩種類型的穩(wěn)定性最主要的不同之處就是它們能夠準確地考量到是否有效地充分利用慣性作用對穩(wěn)定性的影響兩個最為關鍵的方面就是穩(wěn)定充裕度的測量問題[21]。當一個人的物體重心保持一個靜止的平衡狀態(tài),其平衡充要求的條件下就會導致使其物體重心以它位于的最大面積從投影面上墜落一直到?jīng)]有支撐物的部分。再次平行仿生六足六腳機器人在其腿部行走的整個過程中或在任一瞬時,其腿部立足點通常位于一個水平面.上的一個圓形鉛錘三角投影點通?？梢灾苯訕?gòu)成一個一個的鉛錘三角形(這里我們可以直接假設六足機器人按照一個鉛錘三角形的腿部步態(tài)一直向前),在再次仿生六足六腳機器人在其腿部行走的整個過程中,該兩個支撐點的位置通常是按照它的行走時間周期和運動規(guī)律發(fā)生變化的,它不僅與六足機器人的腿部步態(tài)管理特征和運動性質(zhì)相密切聯(lián)系,還與六足機器人用于腿部智能行程管理布置的支撐方式相密切聯(lián)系[22]。根據(jù)機器人的支撐狀態(tài)，可對機器人的靜態(tài)穩(wěn)定性進行相關的定義，下圖是機器人某一支撐狀態(tài)下的三角形，對它的定義以及度量方法如下：圖14支撐圖形和穩(wěn)定裕量縱向穩(wěn)定裕量sl:即機器人機體的重心投影沿機體前進方向的縱軸y所測得到前后兩個支撐點之間邊界的距離最小平均值,可知:S-=min(Sr,Su)式中Su為前向穩(wěn)定裕量,S為后向穩(wěn)定裕度。一般穩(wěn)定步度裕量裕值se:也即這就是說意即小型機器人在一個支撐步態(tài)的圖形中心邊界點上自動投影到直至個人的支撐步態(tài)圖形與其邊界處之間所持續(xù)距離的一般穩(wěn)定步度裕量平均值,可知:s&=min(sa)小型機器人支撐步態(tài)的一般穩(wěn)定步度裕量值該指標也就是一個小型機器人支撐步態(tài)運行周期中個人的支撐步態(tài)圖形一般穩(wěn)定步態(tài)裕量的長度最低值。以上對于運動機器人的各種步態(tài)裕量情況進行分析測量,相對來說比較簡單,對于勻速縱向行走的運動機器人來說,能夠很好地直接反應它的機