仿人机器人步态补偿算法介绍与分析

　　仿人机器人 THBIP-I及其步态 （HumanoldrobotTHBIP，Iandits@alkinggait）’ 清华大学 自主研制的仿人机器人 呻 IP--重约 130kg，高 172cm，有 32个主要自由度，包括6x2=12 个自由度的双腿、6×2=12个自由度的双臂 4×2= 8个自由度的双手等，此外头部有 2个主自由度和 5 个手动调节双眼自由度．它装备有直流电源和一系列肢体姿态检测装置（包括六维力／力矩传感器、三轴陀螺仪及三轴加速度计），腿部各关节设计运动范围大，可实现较复杂的动作，如下蹲、转弯、跨障和上下台阶等运动，上肢可实现点头 摇头、抓握水杯等运动 ．根据清华大学仿人机器人样机THBIP—I的实际结构，把机器人分为 15个大小不同的质量块，每个质量块上均有与之固结的刚体坐标系来表示它的方位和朝向，除支撑足质量块与地面保持静止，其他 l4个质量块的结体坐标系的原点都在仿人机器人的运动关节上，如图1所示，Z轴是该自由度的转动轴，x轴指向下一个自由度，坐标系满足右手规则；前后依次的两个坐标系的原点相对位置不变，仅发生围绕各自z轴的相对旋转．

图 1 仿人机器人系统体坐标系 Fig．
1 Bodycoordinatesofthehumanoidrobot

所有转角的初始状态都如图 1中所示，满足右手转动的转角 0为正，反之为负； 和 i的正负定义与 0的正负定义保持一致．用多刚体系统动力学即可建立起其力学模型和ZMP位置表达式．根据仿人机器人 THBIP-I样机的系统描述，基于 ZMP‘稳定移动的原则，多组平地行走的步态被规划出来．现列举步态名称为 G3GA的一组步态，其步态参数为步长300ram、步态周期 8s（一个单腿支撑期和一 个双腿支撑期共耗时 8s）．G3GA步态的各关节转角数据如图2中左侧部分黑色虚线所示． 3 理论步态的行走效果 （Walking~ectsof thetheoreticgaits） 将步态 G3GA用于实际的行走实验：仿人机器人行走不太稳定也不太柔顺 ，需要人在旁扶持，但扶持力不是很大，只是没有完全失稳，仿人机器人摆动足落地有比较明显的冲击现象；在单脚支撑期刚刚开始的一段时间内，摆动足没有离地，机器人出现旋转现象，左脚支撑向左拐，右脚支撑向右拐．图2左侧为仿人机器人步态 G3GA及其实际跟踪曲线，其中黑色虚线为 G3GA，即理论曲线；黑色实线为 G3GAA1，即为机器人在悬挂状态下的关节跟踪曲线 ；灰色虚线为 G3GAG1，为机器人第一次落地行走实验下的关节跟踪曲线；灰色实线为 G3GAG2，为机器人第二次落地行走实验下的关节跟踪曲线．其中 G3GAG1和 G3GAG2几乎重叠 ，说明问题是重 复出现的，系统的复现性是比较好的．图2右侧上方为仿人机器人足底六维力传感器的力测量数据，其中左足垂直方向的受力曲线为经过 F1、砚 、乃 的黑色实线 ，右足垂直方向的受力曲线为经过 E1、 、躬 的灰色虚线．图2右侧下方为仿人机器人足底六维力传感器的力矩测量数据．而机器人在步行过程中有外力的扶持 ，ZMP测量不准确 ，这里没有列举其 ZMP测量曲线．从图2中可以分析出仿人机器人在该理论步态下的行走特点． （1）仿人机器人在行走中，摆动足不能及时地抬离地面．在图2的曲线中表现为，踝关节侧摆的跟踪相应明显低于其他关节，在跟踪曲线上的图中J4 处和 B处形成非常明显的滞后；在摆动腿提离地面的过程中，在支撑踝侧摆关节上的负载突然显著增加，而踝侧摆的抗负载干扰的能力比较弱，在跟踪曲线的 J4处和 B处再次显著地 向下 ，并形成更加滞后的下凹曲线；同时，在仿人机器人的支撑髋上反映为跟踪曲线形成如 C处和 D处的超调（同时也与摆动髋和摆动踝侧摆的跟踪曲线 的误差相互影响 ）．在 足