基于連桿機(jī)構(gòu)的雙足機(jī)器人起立方法分析

1、基于連桿機(jī)構(gòu)的雙足機(jī)器人起立方法分析微計(jì)算機(jī)信息查看最近90天中添加的最新產(chǎn)品 最新電子元器件資料免費(fèi)下載 派睿電子TI有獎(jiǎng)問答 - 送3D汽車鼠標(biāo) IR推出采用焊前金屬的汽車級絕緣柵雙極晶體管 全球電子連接器生產(chǎn)商samtec 最新斷路器保護(hù)套 摘要：雙足機(jī)器人的起立動(dòng)作是雙足機(jī)器人步行之前重要的基本準(zhǔn)備動(dòng)作，本文通過連桿結(jié) 構(gòu)分析一種雙足機(jī)器人的起立方法，主要分析了起立過程的動(dòng)作規(guī)劃，分階段計(jì)算出使機(jī)器 人穩(wěn)定不發(fā)生傾倒所要滿足的各種條件，最后實(shí)際驗(yàn)證了這一起立方法分析的正確性。1 引言機(jī)器人技術(shù)是電子、機(jī)械、人工智能等各個(gè)領(lǐng)域新技術(shù)的結(jié)晶，雙足機(jī)器人的研究作為 機(jī)器人學(xué)的一個(gè)分支，無疑對

2、機(jī)器人研究的技術(shù)和思想提出了更高的要求。 雙足機(jī)器人的起立動(dòng)作是雙足機(jī)器人的基本動(dòng)作之一，在雙足機(jī)器人進(jìn)行雙足步行之 前，首先要保證機(jī)器人處于站立狀態(tài)。而從俯臥到站立的過程就是機(jī)器人的自起立的過程， 在這個(gè)過程中要保證機(jī)器人不發(fā)生傾倒，就需要規(guī)劃機(jī)器人的整個(gè)動(dòng)作。在這里我可以通過 將機(jī)器人簡化為連桿結(jié)構(gòu)。通過平面連桿的相關(guān)理論進(jìn)行分析，對整個(gè)動(dòng)作進(jìn)行規(guī)劃。2 連桿模型本文的研究對象是一臺(tái)至少具有13 關(guān)節(jié)自由度(不考慮手指的自由度)的雙足步行機(jī)構(gòu), 每條腿各有3 個(gè)自由度, 即：踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)分別具有一個(gè)前向自由度；腰部有一 個(gè)轉(zhuǎn)彎自由度；每個(gè)肩關(guān)節(jié)具有二個(gè)自由度, 包括前向和側(cè)向度；

3、每個(gè)手臂的肘關(guān)節(jié)具有一 個(gè)前向自由度。機(jī)器人的起立規(guī)劃運(yùn)動(dòng)，由三個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和八個(gè)前向關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)， 由于起立動(dòng)作所涉及的自由度大都集中在側(cè)向的平面內(nèi)，所以可以用連桿機(jī)構(gòu)來分析機(jī)器人 的起立動(dòng)作,并用D-H 方法建立模型。3 起立過程分析起立過程主要是保證機(jī)器人從俯臥狀態(tài)轉(zhuǎn)換到雙足站立的狀態(tài)，并在起立過程中不發(fā)生 傾倒，那就要滿足在靜態(tài)運(yùn)動(dòng)時(shí)重心保持在機(jī)器人的支撐范圍內(nèi)。根據(jù)這一基本原理，可以 將起立過程分為三個(gè)階段，如圖1 所示，第一個(gè)階段機(jī)器人從俯臥狀態(tài)開始，雙腿開始彎曲 同時(shí)雙臂向前伸直形成跪立狀態(tài)。第二階段機(jī)器人從跪立狀態(tài)開始重心不斷后移到雙腳支撐 范圍內(nèi)形成雙腳支撐的下蹲狀態(tài)。

4、第三階段從下蹲狀態(tài)開始向上站立，直到雙腿伸直形成直 立狀態(tài)。在三個(gè)階段中，第一個(gè)階段由于在雙臂和雙膝的支持下，只要保持雙臂和雙膝動(dòng)作 一致就不會(huì)發(fā)生傾倒。而第二三階段由于重心的不斷移動(dòng)則容易發(fā)生傾倒，下面將具體分析。3.1 第二階段分析在這個(gè)階段，機(jī)器人要從跪立狀態(tài)轉(zhuǎn)換到下蹲狀態(tài)，這里可以用連桿結(jié)構(gòu)來分析。首先 建立連桿模型，如圖2 所示。由于小腿著地所以整體分析手臂、身體、大腿這三個(gè)連桿，這里取膝關(guān)節(jié)所在位置為基 坐標(biāo)系（即坐標(biāo)系0）原點(diǎn)，三個(gè)連桿長度分別為1、2 、3 ，夾角為1 、2 、 3。根據(jù) Denavit-Hartenberg 法則建立個(gè)連桿的坐標(biāo)系，其齊次變換通式為齊次變換通式

5、描述了坐標(biāo)系i 相對于坐標(biāo)系i-1 的位置關(guān)系。這樣可以求出每個(gè)連桿相對于基坐標(biāo)系的位置關(guān)系，假設(shè)連桿的質(zhì)量分布均勻密度相似，則每個(gè)連桿的重心位置為連 桿的中點(diǎn)，這樣通過齊次變換矩陣，每個(gè)連桿的重心在基坐標(biāo)系上的坐標(biāo)x1, x2 , x 3可求：也就是不會(huì)發(fā)生傾倒。從而完成從下蹲狀態(tài)到站立狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。4 實(shí)際應(yīng)用根據(jù)上述分析，可以保證靜態(tài)平衡條件，通過適當(dāng)?shù)膸缀渭s束即可求解機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的各 關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)和關(guān)節(jié)軌跡,將各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角信息寫入數(shù)據(jù)文件,使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)起立運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。而 且這種起立方法不但適用于四連桿結(jié)構(gòu)的機(jī)器人，還適用于四個(gè)以上連桿機(jī)構(gòu)的起立動(dòng)作。 由于多連桿機(jī)構(gòu)可以轉(zhuǎn)換成四連桿機(jī)構(gòu)。只要將幾個(gè)連桿當(dāng)作軀干部分的連桿，其他連桿作 為手臂和大腿和小腿部分，則通過上述起立方法一樣可以完成起立動(dòng)作。 這個(gè)起立動(dòng)作已經(jīng)在實(shí)際的機(jī)器人平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了，實(shí)際試驗(yàn)選用的機(jī)器人硬件平臺(tái)共有 17 個(gè)舵機(jī)和17 個(gè)自由度 (leg 5× 2, waist 1, arm 3× 2)，內(nèi)置控制電路板及電池。機(jī)器人通過 RS232 串口線直接和計(jì)算機(jī)連接,在這一平臺(tái)上根據(jù)上述分析實(shí)現(xiàn)了起立動(dòng)作。5 結(jié)論本文介紹了一種機(jī)器人自起立的方法，并通過連桿結(jié)構(gòu)加以分析，總結(jié)出了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的 不發(fā)生傾倒的起立動(dòng)動(dòng)作時(shí)，機(jī)器人所要滿足的基本條件。通過適當(dāng)