仿人機器人運動步態(tài)策略研究

季可兒

（哈爾濱市第三中學群力校區(qū)高三19班，黑龍江 哈爾濱）

機器人擁有多種類別，其中仿人機器人的發(fā)展尤為迅速。仿人機器人是依據(jù)人類外形結(jié)構(gòu)特征，能夠雙足步行，按照指令完成一些繁雜、危險等嚴酷環(huán)境下的任務(wù)，或者為人類提供各種服務(wù)。由于仿人機器人相對于其他機器人的運動方式不同，是采用雙腳離散、交替地支撐地面，并且能夠自主選擇腳與地面最佳的支撐點，因此可以減少環(huán)境對仿人機器人的限制，具有較高的靈活性。

一、零點力矩原理

仿人機器人的穩(wěn)定性包括靜態(tài)穩(wěn)定性和動態(tài)穩(wěn)定性。其中靜態(tài)穩(wěn)定強調(diào)的是以重心作為穩(wěn)定標準，這種穩(wěn)定性指標適用于靜止或者移動十分緩慢的雙足機器人。在機器人的實際應(yīng)用過程中，可以運動的雙足機器人更能滿足人類的需求，因此仿人機器人動態(tài)穩(wěn)定性研究相對來說更為流行。

仿人機器人整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，機器人腳掌與地面的接觸面稱之為支撐面。兩個支撐面構(gòu)成的多邊形面積稱之為支撐面積，如圖2所示。

圖1 仿人機器人結(jié)構(gòu)圖

圖2 機器人支撐面積

機器人具有兩種行走方式，第一種是靜態(tài)行走，這種行走方式是指機器人在運動過程中，機器人左右腳掌交替支撐，可以形成一個不斷變化和移動的支撐面，并且機器人的重心始終在其腳掌與地面相接處的支撐面內(nèi)。第二種行走方式為動態(tài)行走，這種行走方式是指在機器人行走過程中由于其機械臂等各個“關(guān)節(jié)”的擺動，會使機器人產(chǎn)生慣性力，從而使得機器人的重心可能會周期性落在支撐面以外，重心到地面的投影落在支撐腳所圍成的多邊形外部時，機器人處于不穩(wěn)定狀態(tài)。許多學者將零點力矩作為仿人機器人動態(tài)穩(wěn)定性的判定標準，其主要原理如下：零點力矩原理就是確保機器人的重力和慣性力的合力在地面上的投影，這個投影點的合力的力矩為零。

二、仿人機器人運動步態(tài)規(guī)劃策略

仿人機器人是以人類肢體結(jié)構(gòu)為參照對象進行設(shè)計的，其動作也主要是模仿人類的行走方式。但由于機器人所具有的自由度與人類相差較大，所以不能完全按照人類的行為舉止來規(guī)劃機器人的行走姿態(tài)。必須結(jié)合機器人自身的結(jié)構(gòu)特點，通過設(shè)定一些假設(shè)和約束條件使機器人實現(xiàn)穩(wěn)定步行。

（一）機器人肢體直立規(guī)劃策略

仿人機器人的支撐主要靠其面積較大的腳掌，與人類正常行走時相同，機器人在整體設(shè)計中應(yīng)保證機器人在行走過程中身體始終與地面垂直。機器人行走過程中的姿態(tài)越接近人類的行走方式時，其穩(wěn)定性越好，協(xié)調(diào)性更強。

圖3給出了仿人機器人運動時各個關(guān)節(jié)處的夾角，為保證機器人能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的運動，并保證機器人身體與地面垂直，則必須滿足以下規(guī)劃條件：

圖3 機器人穩(wěn)定步行規(guī)劃條件

（二）機器人腳掌落地規(guī)劃策略

從人類行走過程中可以發(fā)現(xiàn)：人類運動時，一只腳抬起向前邁步時，腳后跟先著地，然后轉(zhuǎn)化到整個腳掌，與地面接觸的腳掌是腳后跟先離開地面，然后過渡到整個腳掌。這種行走方式取決于人類的腳有肌肉和骨架構(gòu)成，腳掌具有較多的自由度，而機器人在設(shè)計過程中其腳掌只是一個剛性平面。如果完全按照人類的行走方式進行步態(tài)規(guī)劃，就會使機器人在行走過程中腳掌與地面之間為線接觸，接觸面積過小，會嚴重影響機器人的穩(wěn)定性，因此在進行步態(tài)設(shè)計時，應(yīng)考慮使機器人的腳掌與地面接觸時腳掌與地面平行。

根據(jù)圖3所示的機器人運動模型，機器人運動時，機器人的腳掌與地面平行的規(guī)劃條件為：

三、總結(jié)

通過對仿人機器人行走步態(tài)策略研究，給出機器人在靜態(tài)行走和動態(tài)行走的滿足身體與地面垂直，腳掌與支撐面水平的規(guī)劃策略時，機器人能夠很好地、擬人化地進行行走。通過合理設(shè)計機器人的骨架結(jié)構(gòu)，機器人可以完成前進、后退，左右移動等多種動作，并且機器人系統(tǒng)具有較強的穩(wěn)定性。因此，目前仿人機器人大多數(shù)為動態(tài)行走策略，仿人機器人穩(wěn)定性分析可以為未來研究機器人奔跑步態(tài)的研究提供一定的借鑒意義。