呂莉莉 于澤濤

沈陽市高新區(qū)艾維聲光電電子經(jīng)銷商行，遼寧 沈陽 110179

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四足機器人步態(tài)規(guī)劃研究

呂莉莉*于澤濤*

沈陽市高新區(qū)艾維聲光電電子經(jīng)銷商行，遼寧 沈陽 110179

四足機器人是目前比較普遍的一種機器人，本文研究的是四足機器人的步態(tài)規(guī)劃，通過模仿四足動物的步態(tài)，設(shè)計了四足機器人在靜平衡狀態(tài)下四足之間相互協(xié)調(diào)的步態(tài)規(guī)劃，并通過用NorthSTAR圖形化開發(fā)環(huán)境軟件模擬四足機器人，設(shè)置并調(diào)試四足機器人舵機的角度與速度，將理論與實際結(jié)合，把設(shè)計的應(yīng)用程序下載到四足機器人的控制器中，用來實現(xiàn)機器人運動步態(tài)的控制。最后，觀察它運動時的穩(wěn)定性，通過反復(fù)的調(diào)試與修改，讓四足機器人在靜平衡狀態(tài)下能夠穩(wěn)定的前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)。在此基礎(chǔ)上把四足機器人的四足步態(tài)協(xié)調(diào)組合，接上紅外接近傳感器，實現(xiàn)四足機器人的光源跟蹤。

四足機器人；靜平衡狀態(tài)；穩(wěn)定性；重心；步態(tài)規(guī)劃

本論文主要仿照四足動物搭建四足機器人平臺，根據(jù)四足動物的步態(tài)方式開展四足機器人的步態(tài)分析與設(shè)計，先分析四足機器人在靜態(tài)平衡下的穩(wěn)定性，設(shè)計能使四足機器人在平坦的環(huán)境中能穩(wěn)定行走的步態(tài)，通過NorthSTAR圖形化開發(fā)環(huán)境軟件對機器人舵機進行參數(shù)調(diào)試，使四足機器人能穩(wěn)定的進行前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等基本步態(tài)，以完成四足機器人的基本步態(tài)規(guī)劃，最后通過連接紅外接近傳感器，設(shè)計一個會追光的四足機器人。

一、四足機器人穩(wěn)定性分析

在此需要明確什么叫靜平衡，在機器人研究中，將不需要依靠運動過程中產(chǎn)生的慣性力而實現(xiàn)的平衡叫做靜平衡。四足機器人是最典型的足式機器人研究平臺，四足機器人如果在任何時刻都只有一條腿邁動，就可以保持平衡。

例如我們接下來對四足機器人的前移進行簡單的步態(tài)設(shè)計，將機器人簡化成一個四邊形ABCD，重心是四邊形的交點，A、B、C、D分別模擬四足機器人的四條腿，對四足機器人進行步態(tài)規(guī)劃，使其能穩(wěn)定的行走。四足機器人的前移就是其重心的前移，重心位于四個支點的正中心，失去任何支點，重心都將處于其他3個支點所構(gòu)成的三角形的一條邊上，機體會有向一側(cè)傾斜的危險，為了讓機體能夠平穩(wěn)地抬起一只腳并且前移的過程中必須保證有1條腿抬起，其余3條腿支撐地面組成一個三角形區(qū)域，并且重心在三角區(qū)域內(nèi)。四足機器人前進的步態(tài)設(shè)計如下：

(1)四足機器人靜止?fàn)顟B(tài)是一個正四邊形，因為要前進，D足向前蹬地，將重心前移。A足向前，C足蹬地，重心在ABC區(qū)域，D足抬起邁出。

(2)D足落地，B足向前，重心在BCD區(qū)域，A足抬起邁出。

(3)A足落地，C足向前，重心在ACD區(qū)域，B足抬起邁出。

(4)B足落地，D足向前，重心在ABD區(qū)域，C足抬起邁出。

(5)C足落地，A足向前，重心在ABC區(qū)域，D足抬起邁出。

這樣就完成了一個前進的運動流程。這只是一周的步態(tài)圖，要想實現(xiàn)前進的步態(tài)就需將這一周循環(huán)運行。四足機器人的后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)的原理等同于前進的步態(tài)設(shè)計，以此類推設(shè)計出所有步態(tài)規(guī)劃。

二、四足機器人的步態(tài)研究實現(xiàn)實驗

(一)編寫程序并調(diào)試使四足機器人達到穩(wěn)定的步態(tài)

根據(jù)之前所分析的步態(tài)圖，在NorthSTAR圖形化開發(fā)環(huán)境中對機器人舵機角度與速度的調(diào)試，使其達到穩(wěn)定行走的狀態(tài)。

(二)設(shè)計四足機器人步態(tài)程序

根據(jù)前面的分析，觀察NorthSTAR軟件中舵機模塊屬性中的機器人三維立體圖，通過修改機器人舵機角度來調(diào)整機器人行走的方向，通過調(diào)整機器人舵機的速度配合機器人行走的方向，使機器人的四足之間能相互協(xié)調(diào)，從而達到穩(wěn)定想走的最佳步態(tài)。并且在每個舵機之間加上延時模塊，使機器人的邁步能連接的更穩(wěn)定。最后再加一個while循環(huán)語句，最后將各模塊連接起來，在對其進行編譯，如果沒有錯誤就可以下載到機器人的控制器中，這樣四足機器人基本步態(tài)就完成了。

(三)基本步態(tài)設(shè)計下的四足機器人光源跟蹤

簡單的步態(tài)設(shè)計完成之后將其組合起來，并與紅外接近傳感器連接，根據(jù)紅外接近傳感器的工作原理，設(shè)計一個能夠跟蹤光源的四足機器人。當(dāng)四足機器人在前進的過程中，機器人的傳感器檢測到正前方10cm處有障礙物的時候，四足機器人將選擇后退；當(dāng)機器人的傳感器檢測到左側(cè)10cm處有障礙物的時候，四足機器人選擇接近光源的一側(cè)，即機器人向右轉(zhuǎn)；當(dāng)機器人的傳感器檢測到右側(cè)10cm處有障礙物的時候選擇向左轉(zhuǎn)。傳感器與四足機器人的步態(tài)融合在一起，實現(xiàn)四足機器人的光源跟蹤。

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呂莉莉，本科，沈陽市高新區(qū)艾維聲光電電子經(jīng)銷商行，研究方向：自動化；于澤濤，?？?，沈陽市高新區(qū)艾維聲光電電子經(jīng)銷商行，研究方向：建筑電氣工程技術(shù)(電氣設(shè)備安裝及自動化方向)。

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1006-0049-(2017)10-0290-01