CN112163287A - 四足步行机器人的建模方法 - Google Patents

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CN112163287A CN202010825997.XA CN202010825997A CN112163287A CN 112163287 A CN112163287 A CN 112163287A CN 202010825997 A CN202010825997 A CN 202010825997A CN 112163287 A CN112163287 A CN 112163287A
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厉冯鹏
刘玮
经成
林鑫焱
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Yancheng Institute of Technology
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Abstract

本发明的目标是用MATLAB创建一个四足步行机器人。首先，建立一个三轴机械臂，作为机器人的一条腿，并且设计合理的步态轨迹，使它能够正常地运动起来。然后通过复制腿的代码，并将它们串联起来，组成一个完整的四足步行机器人。运用plot方法可以绘制出机器人各个关节，各腿与地面接触的点的运动轨迹图。通过更改参数，反复对比实验，便可以找到最优的运行轨迹，使机器人能够行走的更加流畅，平稳，这将会有利于我国工业的发展，提高工业生产效率，增加施工安全以及降低生产成本，为制造业转型提供了动能，本发明具有可以使建模更方便地用于运动学研究和步态分析的特点。

Description

四足步行机器人的建模方法
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，具体为四足步行机器人的建模方法。
背景技术
随着社会的进步和技术的发展，机器人的运用对现代工业的发展起到了至关重要的作用，人们对机器人的需求也越来越高。现在，各大制造业都在进行升级改造，逐渐淘汰传统人力劳动，改为流水线作业。机器臂以及全自动机器人的需求逐渐扩大。
在一些不适合人类工作的场景，比如核辐射污染区，矿井，救灾区等，机器人显得十分重要。相比于其他机器人，如轮式机器人、履带式机器人，四足式机器人明显具有高机动性，可以克服各种恶劣条件，适应复杂的地形环境，已经成为机器人领域研究的重点。
目前机器人的发展还不够完善，还存在许多关键性技术亟待解决，大多数机器人还停留在实验室研究阶段，我国机器人事业发展较晚，四足步行机器人事业想要发展，必须在结构设计和末端执行器设计方面取得重大突破；因此，设计可以用于运动学研究和步态分析的四足步行机器人的建模方法是很有必要的。
发明内容
本发明的目的在于提供四足步行机器人的建模方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：基四足步行机器人的建模方法，包括
步骤一，在MATLAB软件中建立一个三轴机械臂，作为机器人的一条腿；
步骤二，建立航空坐标体系，其中x轴指向前，z轴指向下，y轴指向右侧。
根据上述技术方案，所述步骤二中，腿的第一个关节将实现髋关节的前后转动，将会绕着z轴旋转，即Rz(q1)。第二关节是实现髋关节的上下摆动，将绕着x轴旋转，即Rx(q2)。因为上面两个旋转轴相交，于是就形成了一个球髋关节。膝盖位于沿着y轴方向平移L1的位置，即Ty(L1)。第三个关节实现膝关节运动，即Rx(q3)。脚尖位于沿着z轴方向平移L2的位置，即Tz(L2)。该机器人从髋关节到脚尖的变换顺序为Rz(q1)Rx(q2)Ty(L1)Rx(q3)Tz(L2)。
根据上述技术方案，该方法还包括
步骤三，在MATLAB的命令行窗口中输入以下代码：
>>s＝'Rz(q1).Rx(q2).Ty(L1).Rx(q3).Tz(L2)'；长度常数以L为开始，这个字符串将会自动转化为D-H因子：
>>dh＝DHFactor(s)
DH(q1+90,0,0,90).DH(q2,0,L1,0).DH(q3-90,0,-L2,0).Rz(+90).Rx(-90).Rz(-90)；
因子序列中最后三项是一个工具变换：
>>dh.tool
ans＝
trotz(pi/2)*trotx(-pi/2)*trotz(-pi/2)。
步骤四，利用dh.command命令生成一个工具箱字符窜，来创建一个SerialLink对象：
>>dh.command('leg')
ans＝
SerialLink([0,0,0,pi/2,0；0,0,L1,0,0；0,0,-L2,0,0；],'name','leg','base',eye(4,4),'tool',trotz(pi/2)*trotx(-pi/2)*trotz(-pi/2),'offset',[pi/2 0-pi/2])；
步骤五，在MATLAB的工作区中将退的各个部分都设置成0.1m后，将SerialLink对象输入MATLAB的eval命令中：
>>L1＝0.1；L2＝0.1；
>>leg＝eval(dh.command('leg'))
leg(3axis,RRR,stdDH,fastRNE)
根据上述技术方案，还包括：
步骤六，用plot方法绘制出零角度位置，
命令机器人的z轴要指向下方：
>>set(gca,'Zdir','reverse')；view(137,48)；
步骤七，逐步测试其他关节是否可以顺利运动。增加参数q1,q2,q3:
>>transl(leg.fkine([0.2,0,0])')
ans＝0 0 0
>>transl(leg.fkine([0,0.2,0]))
ans＝-0.0000 0.0781 0.1179
>>transl(leg.fkine([0,0,0.2]))'
ans＝-0.0000 0.0801 0.0980
步骤八，定义腿的末端执行器的运行路径。机器人行走地轨迹是由所有途经点所决定的：
>>xf＝50；xb＝-xf；y＝50；zu＝20；zd＝50；
>>path＝[xf y zd；xb y zd；xb y zu；xf y zu；xf y zd]*1e-3；；
步骤九，以100Hz的频率多短路径进行采样处理：
p＝mstraj(path,[],[0,3,0.25,0.5,0.25]',path(1,:),0.01,0)；；
步骤十，使用广义逆运动学ikine，并通过设置遮盖向量以只求解末端执行器的平移：
qcycle＝leg.ikine(transl(p),[],[1 1 1 0 0 0])；
步骤十一，按control+c键来停止循环。
根据上述技术方案，所述步骤八中，xf和xb分别是x方向上腿部前进和后退的极限距离，y是y方向上脚到身体的距离，而zu和zd分别是在z方向上抬起和放下脚时的高度。在这个列子中，脚是从髋部前面50毫米运动至后面50毫米。当放下脚时，它位于髋部下方50毫米，而在复位期间脚提升到髋部下方20毫米处。在path中的点包括一个完整的周期，对应于站立的开始阶段、站立的结束阶段、脚尖抬起阶段、脚尖返回阶段、最后回到站立的开始。
根据上述技术方案，该方法还包括
步骤十二，定义机器人的宽度和长度分别为0.1米和0.2米，在工作区内输入代码：
W＝0.1；L＝0.2；
步骤十三，复制3段代码，然后在输入不同基座转换，将4条腿都连接到机器人的身体上：
Figure BDA0002636188160000041
Figure BDA0002636188160000051
步骤十四，输入行走代码：
Figure BDA0002636188160000052
根据上述技术方案，所述步骤十四中，通过使每条腿的运动轨迹有一个或多个相位偏移来实现顺序复位，该位移的时间为总循环周期的1/4。由于总周期有400个点，因此每条腿的相对位移为100个点。使用模运算来模拟每条腿的循环步态。
根据上述技术方案，该方法还包括：
步骤十五，对一条腿进行运动分析，设置频率为100Hz，运动时间为4s。将机器人末端执行器与地面接触点作为研究对象，我们将会得到400个坐标点。为了直观的了解它的行走路线，我们在工作区里选中path这一项，点开之后选中一列参数，运动plot方法画出机器人一条腿在4s内的时间步；
步骤十六，分析机器人的整体运动。假设机器人的行走周期为一个行走步态。对于行走周期，机器人腿的行走步态为0～1，并且当行走周期开始时，行走步态为0且周期结束行走步态为1。不同的步态，相位差将有所不同，跟随机器人的腿部结构有关。例如，最简单的对角线行走步态，机器人的右后腿和左前腿具有相同的步行距离，右前腿和左后腿有相同的步态距离。在相同的步行过程中，通过更改两腿之间的相位差，就会获得不同的步态图
根据上述技术方案，所述步骤十六中，可以在MATLAB中更改机器人的各项参数，比如L1和L2的长度，机器人身体的宽度W和长度L。将L1和L2增加到0.2米，W增至0.2米，重新做出一个新的机器人的仿真，利用plot方法得到他的循环步态图，经过对比发现，更改数据之后，四条腿相互之间变得独立，毫无规律可循，没有重叠的步态，机器人行走地十分困难，给人的机械感十分强烈，颠簸的非常厉害，四条腿与地面之间的受力大小各不相同，完全是一个失败的仿真。由此可见，机器人各项参数的设定必须依据机器人身体的尺寸进行设计，要进行反复的实验，才能得到一个最优的循环步态。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明，
(1)通过plot方法，对工作区里面路径参数进行绘图，得到单腿运动轨迹和各个方向的步态，验证了算法的正确性，为四足步行机器人的运动学分析提供了理论依据；
(2)通过使用一种基于高次多项式的零冲击足端轨迹规划算法，并且验证了该算法的合理性和有效性，为进一步研究四足机器人的步态规划和运动控制奠定了基础；
(3)通过MATLAB编程，可以利用工具箱中现成的函数模块完成机器人的运动与控制仿真，从而节省大量的时间，有利于快速验证和掌握所学的知识，也为下一步用其他语言编程打下了坚实的基础。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明的整体建模流程示意图；
图2是本发明的机械臂建模示意图；
图3是本发明的四足建模示意图；
图4是本发明的步态分析示意图；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-4，本发明提供技术方案：四足步行机器人的建模方法，包括
步骤一，在MATLAB软件中建立一个三轴机械臂，作为机器人的一条腿；
步骤二，建立航空坐标体系，其中x轴指向前，z轴指向下，y轴指向右侧上述步骤一中，URDF是ROS中一个描述机器人模型的一个文件，称为机器人的动力系统，帮助人们直接完成工作的主要部分，URDF由link、joint和robot标签，其中link称为连杆标签；joint它称为关节标签；robot包含了link标签和joint标签；
步骤二中，腿的第一个关节将实现髋关节的前后转动，将会绕着z轴旋转，即Rz(q1)。第二关节是实现髋关节的上下摆动，将绕着x轴旋转，即Rx(q2)。因为上面两个旋转轴相交，于是就形成了一个球髋关节。膝盖位于沿着y轴方向平移L1的位置，即Ty(L1)。第三个关节实现膝关节运动，即Rx(q3)。脚尖位于沿着z轴方向平移L2的位置，即Tz(L2)。该机器人从髋关节到脚尖的变换顺序为Rz(q1)Rx(q2)Ty(L1)Rx(q3)Tz(L2)；
该方法还包括：
步骤三，在MATLAB的命令行窗口中输入以下代码：
>>s＝'Rz(q1).Rx(q2).Ty(L1).Rx(q3).Tz(L2)'；长度常数以L为开始，这个字符串将会自动转化为D-H因子：
>>dh＝DHFactor(s)
DH(q1+90,0,0,90).DH(q2,0,L1,0).DH(q3-90,0,-L2,0).Rz(+90).Rx(-90).Rz(-90)；
因子序列中最后三项是一个工具变换：
>>dh.tool
ans＝
trotz(pi/2)*trotx(-pi/2)*trotz(-pi/2)
步骤四，利用dh.command命令生成一个工具箱字符窜，来创建一个SerialLink对象：
>>dh.command('leg')
ans＝
SerialLink([0,0,0,pi/2,0；0,0,L1,0,0；0,0,-L2,0,0；],'name','leg','base',eye(4,4),'tool',trotz(pi/2)*trotx(-pi/2)*trotz(-pi/2),'offset',[pi/2 0-pi/2])；
步骤五，在MATLAB的工作区中将退的各个部分都设置成0.1m后，将SerialLink对象输入MATLAB的eval命令中：
>>L1＝0.1；L2＝0.1；
>>leg＝eval(dh.command('leg'))
leg(3axis,RRR,stdDH,fastRNE)
步骤六，用plot方法绘制出零角度位置，
命令机器人的z轴要指向下方：
>>set(gca,'Zdir','reverse')；view(137,48)；
步骤七，逐步测试其他关节是否可以顺利运动。增加参数q1,q2,q3:
>>transl(leg.fkine([0.2,0,0])')
ans＝0 0 0
>>transl(leg.fkine([0,0.2,0]))
ans＝-0.0000 0.0781 0.1179
>>transl(leg.fkine([0,0,0.2]))'
ans＝-0.0000 0.0801 0.0980
步骤八，定义腿的末端执行器的运行路径。机器人行走地轨迹是由所有途经点所决定的：
>>xf＝50；xb＝-xf；y＝50；zu＝20；zd＝50；
>>path＝[xf y zd；xb y zd；xb y zu；xf y zu；xf y zd]*1e-3；；
步骤九，以100Hz的频率多短路径进行采样处理：
p＝mstraj(path,[],[0,3,0.25,0.5,0.25]',path(1,:),0.01,0)；；
步骤十，使用广义逆运动学ikine，并通过设置遮盖向量以只求解末端执行器的平移：
qcycle＝leg.ikine(transl(p),[],[1 1 1 0 0 0])；；
步骤十一，按control+c键来停止循环；
步骤八中，xf和xb分别是x方向上腿部前进和后退的极限距离，y是y方向上脚到身体的距离，而zu和zd分别是在z方向上抬起和放下脚时的高度。在这个列子中，脚是从髋部前面50毫米运动至后面50毫米。当放下脚时，它位于髋部下方50毫米，而在复位期间脚提升到髋部下方20毫米处。在path中的点包括一个完整的周期，对应于站立的开始阶段、站立的结束阶段、脚尖抬起阶段、脚尖返回阶段、最后回到站立的开始；
该方法还包括：
步骤十二，定义机器人的宽度和长度分别为0.1米和0.2米，在工作区内输入代码：
W＝0.1；L＝0.2；
步骤十三，复制3段代码，然后在输入不同基座转换，将4条腿都连接到机器人的身体上，如图3-4所示：
Figure BDA0002636188160000101
步骤十四，输入行走代码：
Figure BDA0002636188160000111
步骤十四中，通过使每条腿的运动轨迹有一个或多个相位偏移来实现顺序复位，该位移的时间为总循环周期的1/4。由于总周期有400个点，因此每条腿的相对位移为100个点。使用模运算来模拟每条腿的循环步态；
该方法还包括：
步骤十五，对一条腿进行运动分析，设置频率为100Hz，运动时间为4s。将机器人末端执行器与地面接触点作为研究对象，我们将会得到400个坐标点。为了直观的了解它的行走路线，我们在工作区里选中path这一项，点开之后选中一列参数，运动plot方法画出机器人一条腿在4s内的时间步；
步骤十六，分析机器人的整体运动。假设机器人的行走周期为一个行走步态。对于行走周期，机器人腿的行走步态为0～1，并且当行走周期开始时，行走步态为0且周期结束行走步态为1。不同的步态，相位差将有所不同，跟随机器人的腿部结构有关。例如，最简单的对角线行走步态，机器人的右后腿和左前腿具有相同的步行距离，右前腿和左后腿有相同的步态距离。在相同的步行过程中，通过更改两腿之间的相位差，就会获得不同的步态图：
步骤十六中，可以在MATLAB中更改机器人的各项参数，比如L1和L2的长度，机器人身体的宽度W和长度L。将L1和L2增加到0.2米，W增至0.2米，重新做出一个新的机器人的仿真，利用plot方法得到他的循环步态图，经过对比发现，更改数据之后，四条腿相互之间变得独立，毫无规律可循，没有重叠的步态，机器人行走地十分困难，给人的机械感十分强烈，颠簸的非常厉害，四条腿与地面之间的受力大小各不相同，完全是一个失败的仿真。由此可见，机器人各项参数的设定必须依据机器人身体的尺寸进行设计，要进行反复的实验，才能得到一个最优的循环步态。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.四足步行机器人的建模方法，其特征在于：包括
步骤一，在MATLAB软件中建立一个三轴机械臂，作为机器人的一条腿；
步骤二，建立航空坐标体系，其中x轴指向前，z轴指向下，y轴指向右侧；
2.根据权利要求1所述的四足步行机器人的建模方法，其特征在于：上述步骤二中，腿的第一个关节将实现髋关节的前后转动，将会绕着z轴旋转，即Rz(q1)。第二关节是实现髋关节的上下摆动，将绕着x轴旋转，即Rx(q2)。因为上面两个旋转轴相交，于是就形成了一个球髋关节。膝盖位于沿着y轴方向平移L1的位置，即Ty(L1)。第三个关节实现膝关节运动，即Rx(q3)。脚尖位于沿着z轴方向平移L2的位置，即Tz(L2)。该机器人从髋关节到脚尖的变换顺序为Rz(q1)Rx(q2)Ty(L1)Rx(q3)Tz(L2)。
3.根据权利要求1所述的四足步行机器人的建模方法，其特征在于：还包括
步骤三，在MATLAB的命令行窗口中输入以下代码：
>>s＝'Rz(q1).Rx(q2).Ty(L1).Rx(q3).Tz(L2)'；长度常数以L为开始，这个字符串将会自动转化为D-H因子：
>>dh＝DHFactor(s)
DH(q1+90,0,0,90).DH(q2,0,L1,0).DH(q3-90,0,-L2,0).Rz(+90).Rx(-90).Rz(-90)；
因子序列中最后三项是一个工具变换，它改变了脚部坐标系的方向；
步骤四，利用dh.command命令生成一个工具箱字符窜，来创建一个SerialLink对象；
步骤五，在MATLAB的工作区中将退的各个部分都设置成0.1m后，将SerialLink对象输入MATLAB的eval命令中；
4.根据权利要求3所述的四足步行机器人的建模方法，其特征在于：还包括
步骤六，用plot方法绘制出零角度位置，命令机器人的z轴要指向下方；
步骤七，逐步测试其他关节是否可以顺利运动，增加参数q1,q2,q3；
步骤八，定义腿的末端执行器的运行路径。机器人行走地轨迹是由所有途经点所决定的；
步骤九，以100Hz的频率多短路径进行采样处理；
步骤十，使用广义逆运动学ikine，并通过设置遮盖向量以只求解末端执行器的平移；
步骤十一，按control+c键来停止循环；
5.根据权利要求4所述的四足步行机器人的建模方法，其特征在于：所述步骤八中，xf和xb分别是x方向上腿部前进和后退的极限距离，y是y方向上脚到身体的距离，而zu和zd分别是在z方向上抬起和放下脚时的高度。在这个列子中，脚是从髋部前面50毫米运动至后面50毫米。当放下脚时，它位于髋部下方50毫米，而在复位期间脚提升到髋部下方20毫米处。在path中的点包括一个完整的周期，对应于站立的开始阶段、站立的结束阶段、脚尖抬起阶段、脚尖返回阶段、最后回到站立的开始。
6.根据权利要求4所述的四足步行机器人的建模方法，其特征在于：还包括
步骤十二，定义机器人的宽度和长度分别为0.1米和0.2米；
步骤十三，复制3段代码，然后在输入不同基座转换，将4条腿都连接到机器人的身体上；
步骤十四，输入行走代码；
7.根据权利要求6所述的四足步行机器人的建模方法，其特征在于：所述步骤十四中，通过使每条腿的运动轨迹有一个或多个相位偏移来实现顺序复位，该位移的时间为总循环周期的1/4。由于总周期有400个点，因此每条腿的相对位移为100个点。使用模运算来模拟每条腿的循环步态。
8.根据权利要求6所述的四足步行机器人的建模方法，其特征在于：
步骤十五，对一条腿进行运动分析，设置频率为100Hz，运动时间为4s。将机器人末端执行器与地面接触点作为研究对象，我们将会得到400个坐标点。为了直观的了解它的行走路线，我们在工作区里选中path这一项，点开之后选中一列参数，运动plot方法画出机器人一条腿在4s内的时间步；
步骤十六，分析机器人的整体运动。假设机器人的行走周期为一个行走步态。对于行走周期，机器人腿的行走步态为0～1，并且当行走周期开始时，行走步态为0且周期结束行走步态为1。不同的步态，相位差将有所不同，跟随机器人的腿部结构有关。例如，最简单的对角线行走步态，机器人的右后腿和左前腿具有相同的步行距离，右前腿和左后腿有相同的步态距离。在相同的步行过程中，通过更改两腿之间的相位差，就会获得不同的步态图；
9.根据权利要求8所述的四足步行机器人的建模方法，其特征在于：所述步骤十六中，可以在MATLAB中更改机器人的各项参数，比如L1和L2的长度，机器人身体的宽度W和长度L。将L1和L2增加到0.2米，W增至0.2米，重新做出一个新的机器人的仿真，利用plot方法得到他的循环步态图，经过对比发现，更改数据之后，四条腿相互之间变得独立，毫无规律可循，没有重叠的步态，机器人行走地十分困难，给人的机械感十分强烈，颠簸的非常厉害，四条腿与地面之间的受力大小各不相同，完全是一个失败的仿真。由此可见，机器人各项参数的设定必须依据机器人身体的尺寸进行设计，要进行反复的实验，才能得到一个最优的循环步态。
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