CN111177850A - 基于zmp稳定性理论的多足机器人的步态优化应用 - Google Patents
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Abstract
基于ZMP稳定性理论的多足机器人的步态优化应用，它涉及多足机器人领域。多足机器人包含主体、机械足，主体左右两侧分别连接三条机械足，机械足由根关节、髋关节、膝关节构成，根关节固定连接在主体根部，且每个根关节、髋关节、膝关节均由独立电机驱动。采用上述技术方案后，本发明的有益效果为：解决了不能同时兼顾摆动腿轨迹、机身运动轨迹和步态参数的机器人步态优化问题。
Description
技术领域
本发明涉及多足机器人领域，具体涉及基于ZMP稳定性理论的多足机器人的步态优化应用。
背景技术
步行机器人是模仿动物的运动形式、采用腿式结构来完成多种移动功能的一类特种机器人。参照工业机器人的标准定义，可以把步行机器人理解为“一种由计算机控制的用足机构推进的地面移动装置”，以区别于行走式机械玩具及固定行走模式的机械装置。通常足数多于或等于四的步行机器人称为多足步行机器人，该类机器人能够在不平的路面上稳定地行走，可以取代轮式车完成在一些复杂环境中的运输作业，因此多足步行机器人在军用运输、矿山开采、水下建筑、核工业、星球探测、农业及森林采伐、教育、艺术及娱乐等行业有着非常广阔的应用前景。长期以来，多足步行机器人因为应用前景良好、使用价值高，一直是国内外研究的热点，而步态优化研究作为研究多足步行机器人的关键技术之一自然也备受关注。多足步行机器人的步态规划是与所应用的机器人步行机构特点及运动特征紧密相连的。本发明的目标为提出一种基于仿生学原理的能耗最优多足机器人综合步态优化研究，以解决以往研究中不能同时兼顾摆动腿轨迹、机身运动轨迹和步态参数的机器人步态优化问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供基于ZMP稳定性理论的多足机器人的步态优化应用，解决了不能同时兼顾摆动腿轨迹、机身运动轨迹和步态参数的机器人步态优化问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案是：基于ZMP稳定性理论的多足机器人的步态优化应用包括以下步骤：步骤一，通过对昆虫腿部结构进行仿生学分析，建立多足机器人的运动原理结构图并进行坐标系的建立；步骤二，根据所建立的数学模型进行关键参数的计算和结构设计，设计完成多足机器人的机械结构；步骤三，利用三维建模软件对所设计结构进行三维建模和优化，对关键零部件进行ANSYS分析，优化材质选择与结构设计，化繁为简，形成最优结构模型；步骤四，建立多足机器人机身运动轨迹规划方案和周期性步态优化方案，利用ADAMS软件进行动力学仿真，验证假设参数并对参数进行优化分析，实现对多足机器人的步态优化；所述多足机器人包含主体1、机械足2，主体1左右两侧分别连接三条机械足2，机械足2由根关节21、髋关节22、膝关节23构成，根关节21固定连接在主体1根部，且每个根关节21、髋关节22、膝关节23均由独立电机驱动。
所述的步骤一中坐标系的建立中x轴方向满足右手坐标系法则。
所述的步骤三中最优结构模型为六足机器人结构。
所述的步骤四中步态优化过程可转换为两个嵌套的子优化问题：a，一种基于AMP稳定性理论的机身运动轨迹规划方法；b，一种基于能耗指标的周期性步态参数优化方法。
所述的步骤四中多足机器人的自由步态规划方法利用局部规则和中枢模式发生器原理。
采用上述技术方案后，本发明有益效果为：解决了不能同时兼顾摆动腿轨迹、机身运动轨迹和步态参数的机器人步态优化问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是昆虫腿部结构示意图；
图2是昆虫足部位置示意图；
图3是本发明多足机器人模型的结构示意图；
图4是本发明多足机器人的坐标建立示意图；
图5是本发明中三角步态示意图；
图6是本发明的实施技术路线示意图。
附图标记说明：主体1、机械足2、根关节21、髋关节22、膝关节23。
具体实施方式
参看图1-图6所示，本具体实施方式采用的技术方案是：基于ZMP稳定性理论的多足机器人的步态优化应用包括以下步骤：步骤一，通过对昆虫腿部结构进行仿生学分析，建立多足机器人的运动原理结构图并进行坐标系的建立；步骤二，根据所建立的数学模型进行关键参数的计算和结构设计，设计完成多足机器人的机械结构；步骤三，利用三维建模软件对所设计结构进行三维建模和优化，对关键零部件进行ANSYS分析，优化材质选择与结构设计，化繁为简，形成最优结构模型；步骤四，建立多足机器人机身运动轨迹规划方案和周期性步态优化方案，利用ADAMS软件进行动力学仿真，验证假设参数并对参数进行优化分析，实现对多足机器人的步态优化；所述多足机器人包含主体1、机械足2，主体1左右两侧分别连接三条机械足2，机械足2由根关节21、髋关节22、膝关节23构成，根关节21固定连接在主体1根部，且每个根关节21、髋关节22、膝关节23均由独立电机驱动。
所述的步骤一中坐标系的建立中x轴方向满足右手坐标系法则。
所述的步骤三中最优结构模型为六足机器人结构。
所述的步骤四中步态优化过程可以转换为两个嵌套的子优化问题：a，一种基于AMP稳定性理论的机身运动轨迹规划方法，针对给定的下一步落足点和支撑多边形，利用优化的方法规划出机身运动轨迹，在保证机身轨迹连续平滑的同时，确保机器人在迈步过程中的稳定性；b，一种基于能耗指标的周期性步态参数优化方法，建立机器人虚拟样机模型作为步态优化模型，对步态参数、摆动腿足端轨迹和机身运动轨迹同时进行优化，得到使机器人前进单位距离能耗最优的步态。
所述的步骤四中多足机器人的自由步态规划方法利用局部规则和中枢模式发生器原理。
通过仿生学原理研究和分析多足昆虫的腿部结构，建立腿部结构数学模型和机械运动模型，利用利用SolidWorks软件进行三维建模，利用ANSYS软件对模型关键零部件进行结构强度分析和校核，求出最有解。
本发明的工作原理：通过观察大量的“六足纲”昆虫（蟑螂，蚂蚁等），容易发现昆虫的六足成对称分布，每条腿有4个关节，分别为根关节、髋关节、膝关节和踝关节，其中前3个关节为驱动关节，各关节之间的连杆分别称为基节、股节和胫节，如图1所示，自然界六足昆虫的腿的分布情况往往如图2所示，足部大多落在画出的椭圆上。故本设计基于六足昆虫的外形，经过合理的简化，把六足步行机器人设计成如图3所示的模型。
针对多足机器人模型结构，经过合理设计，完成六足机器人三维模型的建立，所建立模型中机器人共有六条腿，每个腿部有三个关节，分别为根关节（偏航自由度）、髋关节（俯仰自由度）和膝关节（俯仰自由度），并且每个关节都有独立的电机驱动。
为了建立进六足机器人步态规划的数学模型，需要先进行坐标系的研究 ，本发明设定两个坐标系如图4所示，机体坐标系｛B｝固连于机器人身体，原点位于机器人身体中心，x轴指向机器人右方，y轴指向机器人正前方，z轴垂直于身体 向上；轨迹规划坐标系｛O｝原点位于机器人身体中心在地面的投影点，y轴为机体坐标系的y轴在水平面的投影方向，z轴垂直向上，x轴方向满足右手坐标系法则。
保证多足机器人步态的稳定性是步态优化过程中的必要约束条件，本研究将利用零力矩点（Zero Moment Point，ZMP）稳定性理论进行多足机器人步态的稳定性分析。ZMP稳定性理论已广泛应用于双足机器人的平衡控制问题中，有学者指出，该理论并非双足机器人步态稳定的充分条件，只是机器人脚板不发生偏转的充分条件；对于多足机器人若把机器人的支撑区域理解为脚板，那么脚板不发生偏转与机器人不发生倾倒是相一致的，因此ZMP稳定性理论适用于多足机器人步态的研究是可行的。零力矩点理论是指地面上的一点，作用于机器人的重力和惯性力所产生的合力矩在该点水平分量为0。研究表明，在机器人运动时，若ZMP位于机器人足底与地面形成的支撑多边形内，将保证机器人运动过程的稳定性。
在仿生学的理论基础上，基于对生物体结构特点以及运动步态的稳定性分析，利用局部规则和中枢模式发生器( Central Pat-tern Generators，CPG)原理的自由步态规划方法，从生物体步态形态出发，依据足端与环境的相互影响的关系，通过设定简单规则来模拟生物步态，对机器人步态规划进行仿真，生成机器人的步态。
本发明所研究的六足步行机器人的移动方式为静态步行，所采用的步态方式为三角步态，即自始至终有三条腿着地行走，即占空系数 β=1/2。这种行走方式的特点是：在行走的过程中把六条腿分为两组，以身体一侧的前足、后足与另一侧的中足为一组，剩余的三条腿为另一组。每一组的动作一致，或处于摆动相或处于支撑相。由于两组足交替地摆动和支撑，在每个时刻总有三条腿着地，保持身体的平衡，所以这种步态的稳定裕度大。腿的每一个支撑过程使身体前进一个步长。如图5所示，大腿关节在平坦无阻的地面上运动。此时，黑色的脚为摆动脚，白色的脚原地不动，只是支撑身体向前。
本发明中机器人步态规划关键问题在于优化过程中同时兼顾优化摆动腿轨迹、机身运动轨迹和步态参数，并且保证机器人的步态稳定性。针对该问题采取如下解决方案：将优化过程转换为两个嵌套的子优化问题。首先，采用一种基于ZMP稳定性理论的机身运动轨迹规划方法，针对给定的下一步落足点和支撑多边形，利用优化的方法规划出机身运动轨迹，在保证机身轨迹连续平滑的同时，确保机器人在迈步过程中的稳定性。其次，提出一种基于能耗指标的周期性步态参数优化方法，建立机器人虚拟样机模型作为步态优化模型，对步态参数、摆动腿足端轨迹和机身运动轨迹同时进行优化，得到使机器人前进单位距离能耗最优的步态。因此同时兼顾摆动腿轨迹、机身运动轨迹和步态参数的机器人步态优化方案是可行的。
本发明的开展主要采用文献研究法、经验总结法以及仿真分析法。
文献研究法。通过广泛查阅书籍、技术资料、研究报告、已有研究论文等资料，对课题涉及文献资料进行严谨的归纳和分析，充分把握多足机器人步态优化研究的前沿，为“基于仿生学原理的多足机器人步态优化研究”提供理论参考和借鉴。
经验总结法。根据自身积累的技术经验结合相关理论研究对研究对象进行分析，并从大量的研究信息中总结规律，形成假设。并通过研究成果对假设进行验证和提升。
仿真分析法。研究分析多足昆虫的腿部结构，建立腿部结构数学模型和机械运动模型，对多足机器人结构进行设计。利用SolidWorks软件进行三维建模和仿真分析，剔除昆虫腿部多余关节干扰因素，使机器人结构简洁、高效，将所设计好的三维模型导入ANSYS分析软件，对模型关键零部件进行结构强度分析和校核，使所设计的多足机器人腿部结构安全稳固，利用ADAMS软件进行动力学仿真分析，对假设进行仿真研究，寻找多足机器人稳定步态最优参数。
对于多足机器人步态的稳定性研究，当前最常用的是基于机器人重心的静稳定性方法，以四足机器人慢走步态为例，该方法要求机器人重心时刻保持在支撑区域内，而为了保证一定的稳定裕度，支撑区域需要进行一定的收缩处理，这会导致连续行走时稳定支撑区域不连续，因此需要加入四足支撑阶段用于将机器人重心从上一个稳定支撑区域移动至下一个稳定支撑区域，影响机器人行走的连续性。而零力矩点（Zero Moment Point，ZMP）稳定性理论已广泛应用于双足机器人的平衡控制问题中，有学者指出，该理论并非双足机器人步态稳定的充分条件，只是机器人脚板不发生偏转的充分条件；对于多足机器人若把机器人的支撑区域理解为脚板，那么脚板不发生偏转与机器人不发生倾倒是相一致的，因此ZMP稳定性理论适用于多足机器人步态的研究是可行的。
机器人步态规划的关键优化过程可转换为两个嵌套的子优化问题。首先，采用一种基于ZMP稳定性理论的机身运动轨迹规划方法，针对给定的下一步落足点和支撑多边形，利用优化的方法规划出机身运动轨迹，在保证机身轨迹连续平滑的同时，确保机器人在迈步过程中的稳定性。其次，提出一种基于能耗指标的周期性步态参数优化方法，建立机器人虚拟样机模型作为步态优化模型，对步态参数、摆动腿足端轨迹和机身运动轨迹同时进行优化，得到使机器人前进单位距离能耗最优的步态。因此同时兼顾摆动腿轨迹、机身运动轨迹和步态参数的机器人步态优化方案是可行的。
在开展本发明研究之前，发明团队已经开展了相关技术的开发和研究工作。发明组成员前期开展了“基于蟑螂种群自组织行为的仿生算法研究及其应用（16KJB520049）”和市财政科技计划资助项目“基于机器学习的普适仿生算法研究及其应用（HAB201709）”，积累了丰富的仿生学研究经验，对本发明中应用仿生学原理分析研究六足昆虫腿部结构与运动姿态奠定了基础；在本发明研究中三维建模技术与仿真分析技术的应用贯穿研究始终，对于该技术，团队成员也有丰富的实践和科研经验，如开展“基于有限元分析的手术缝合针自动折弯机的研发（HAG2014040）”等，同时团队成员还发表和申请了多个相关研究的学术论文和专利，如《机器人信号传输技术方法的研究》、《船舶除锈机器人驱动控制系统优化设计》，《教学用双足步行机器人前向运动建模与研究》等，在机器人的信号传输、控制算法、步态分析、运动模型建立等领域也有较好的研究基础。
采用上述技术方案后，本发明有益效果为：解决了不能同时兼顾摆动腿轨迹、机身运动轨迹和步态参数的机器人步态优化问题。
以上所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.基于ZMP稳定性理论的多足机器人的步态优化应用，其特征在于它包括以下步骤：步骤一，通过对昆虫腿部结构进行仿生学分析，建立多足机器人的运动原理结构图并进行坐标系的建立；步骤二，根据所建立的数学模型进行关键参数的计算和结构设计，设计完成多足机器人的机械结构；步骤三，利用三维建模软件对所设计结构进行三维建模和优化，对关键零部件进行ANSYS分析，优化材质选择与结构设计，化繁为简，形成最优结构模型；步骤四，建立多足机器人机身运动轨迹规划方案和周期性步态优化方案，利用ADAMS软件进行动力学仿真，验证假设参数并对参数进行优化分析，实现对多足机器人的步态优化；所述多足机器人包含主体(1)、机械足(2)，主体(1)左右两侧分别连接三条机械足(2)，机械足(2)由根关节(21)、髋关节(22)、膝关节(23)构成，根关节(21)固定连接在主体(1)根部，且每个根关节(21)、髋关节(22)、膝关节(23)均由独立电机驱动。
2.根据权利要求1所述的基于ZMP稳定性理论的多足机器人的步态优化应用，其特征在于：所述的步骤一中坐标系的建立中x轴方向满足右手坐标系法则。
3.根据权利要求1所述的基于ZMP稳定性理论的多足机器人的步态优化应用，其特征在于：所述的步骤三中最优结构模型为六足机器人结构。
4.根据权利要求1所述的基于ZMP稳定性理论的多足机器人的步态优化应用，其特征在于：所述的步骤四中步态优化过程可转换为两个嵌套的子优化问题：a，一种基于AMP稳定性理论的机身运动轨迹规划方法；b，一种基于能耗指标的周期性步态参数优化方法。
5.根据权利要求1所述的基于ZMP稳定性理论的多足机器人的步态优化应用，其特征在于：所述的步骤四中多足机器人的自由步态规划方法利用局部规则和中枢模式发生器原理。
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