吳艷花，叢恩博

（1.湖北文理學院 機械與汽車工程學院，湖北 441053；2.哈爾濱工業(yè)大學 機器人技術與系統(tǒng)國家重點實驗室，哈爾濱 150001；3.汽車零部件制造裝備數(shù)字化湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 441053）

基于非常規(guī)步態(tài)的六足機器人運動控制方法研究

吳艷花1，叢恩博2

（1.湖北文理學院 機械與汽車工程學院，湖北 441053；2.哈爾濱工業(yè)大學 機器人技術與系統(tǒng)國家重點實驗室，哈爾濱 150001；3.汽車零部件制造裝備數(shù)字化湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 441053）

重型六足機器人慣性大，行走在凸包或凹坑地形時易發(fā)生失穩(wěn)，需要機器人在觸障或踏空后結合本體傳感器信息快速進行反射運動避免失穩(wěn)。利用非常規(guī)步態(tài)，改變機器人的邁腿相序，規(guī)劃反射運動軌跡，并利用阻抗控制對受到力沖擊的足進行動態(tài)力位調(diào)整，實現(xiàn)機器人的順利越障跨溝，保證機器人的穩(wěn)定行走。仿真結果驗證了基于非常規(guī)步態(tài)的控制方法可以有效地實現(xiàn)六足機器人的越障和跨溝運動。

步態(tài)；軌跡規(guī)劃；阻抗控制

0 引言

與輪式機器人和履帶式機器人相比，足式機器人可以依靠非連續(xù)的落足點支撐，具備非常強的環(huán)境適應性[1]。其中，大型六足機器人憑借著支撐點多、承載力強等特點，逐漸被用于在野外山地環(huán)境下進行貨物運輸[2]。對于重型機器人，它的慣性大，采用常規(guī)的步態(tài)方式在山地環(huán)境行走遇到凸包和凹溝時發(fā)生觸障和踏空現(xiàn)象，易引發(fā)失穩(wěn)狀況，因此，本文對六足機器人在此種情況下的運動進行合理規(guī)劃，仿真實現(xiàn)機器人在此類地形下的順利通過。

目前機器人主要有兩種方式獲取自身與環(huán)境的交互信息，一種是利用環(huán)境信息傳感器，如美國的Little Dog機器人利用視覺傳感器對所處環(huán)境進行三維地形建模并識別環(huán)境信息，規(guī)劃合理路徑實現(xiàn)避障、避溝[3]，但激光雷達、視覺傳感器等獲取環(huán)境信息的傳感器易受到野外環(huán)境的風沙、光照干擾，造成獲取信息的不準確；另一種方式是借助自身的足力傳感器獲取環(huán)境信息，當機器人觸障、探溝時，足底力的三維力傳感器會反饋力信號，機器人將傳感器信號與自身狀態(tài)相結合作出相應的運動調(diào)整，例如日本的四足機器人Tekken利用中樞模式控制器（CPG）調(diào)整機器人的邁腿節(jié)拍實現(xiàn)越障[4]，德國宇航中心研制的六足機器人DLR-Crawler利用分布式神經(jīng)網(wǎng)絡完成了崎嶇地形的行走[5]，這兩種方法計算量大，不適用于對大型機器人的實時控制。

本文介紹一種基于非常規(guī)步態(tài)的六足機器人運動控制方法，機器人根據(jù)自身狀態(tài)和足力傳感器信息，可以實時地對當前運動狀況進行判斷，并對運動方式進行相應調(diào)整，從而使大型六足機器人順利地完成越障、探溝運動。

1 常規(guī)步態(tài)分析

步態(tài)是指足式機器人腿按照一定順序和軌跡的運動方式，由相位和占空比以及足相對于機體的位置關系表示。相位表示各腿的邁腿相序，占空比表示支撐相占一個步態(tài)周期的比值。根據(jù)足的狀態(tài)不同，每條腿在一個周期內(nèi)可分為擺動相和支撐相兩個階段，通過相位和占空比規(guī)劃各腿的邁腿相序和支撐時間，從而實現(xiàn)機器人的有序運動。常規(guī)的六足機器人的步態(tài)包括三角步態(tài)、對角步態(tài)、波動步態(tài)，在運動過程中，常規(guī)步態(tài)的相位、占空比和軌跡曲線始終保持不變，不隨環(huán)境的變化而發(fā)生改變，如表1所示。常規(guī)步態(tài)多適用于足式機器人平地行走的步態(tài)研究中。

表1 常見六足步態(tài)相位表

2 六足機器人非常規(guī)步態(tài)控制方法

與常規(guī)步態(tài)相對應，足式機器人的非常規(guī)步態(tài)是指機器人的邁腿相序、占空比、擺動軌跡不發(fā)生周期性改變。機器人在觸障、探溝過程中，探溝足的運動軌跡會加長，因此應延長觸障、探溝足的擺動時間，增加其他足的支撐時間，改變機器人的固有相序，利用非常規(guī)步態(tài)，使機器人有充分長的時間完成觸障、探溝運動。

2.1 步態(tài)相序調(diào)整策略

為了解決上述問題，應在擺動相和支撐相之外對機器人各腿的運動狀態(tài)進行擴展，增加“擺動保持”和“支撐保持”狀態(tài)。

當處于擺動相的足的三維足底力傳感器檢測水平力contact_x或contact_y不為0后，表明此足觸障，觸障腿進入“擺動保持”狀態(tài)，直到足底力傳感器檢測到縱向力contact_z，此時足與地面接觸，再轉(zhuǎn)化為支撐相，如圖1所示；同理，當擺動足在擺動相末端足底力傳感器的豎直力contact_z為0時，表明此足踏空，觸發(fā)探溝運動，此足應轉(zhuǎn)為“擺動保持”狀態(tài)，直到足底力傳感器檢測到縱向力contact_z，此時足與地面接觸，再轉(zhuǎn)化為支撐相，如圖2所示。

圖1 觸障腿的相位變化

圖2 觸障腿的相位變化

在觸障、探溝足處于“擺動保持”狀態(tài)的時間內(nèi)，為保證機器人的穩(wěn)定性，其他足應始終處于著地狀態(tài)，即“支撐保持”狀態(tài)，如圖3所示。機器人在發(fā)生觸障、探溝的情況下合理地調(diào)整各腿的相位關系，可以保證反射腿有充分的時間完成越障、探溝運動，并保證機器人的穩(wěn)定行走。

圖3 觸障探溝運動時各腿的相位調(diào)整

2.2 足端越障與越溝軌跡規(guī)劃

對于大型機器人，當足端由擺動相轉(zhuǎn)化為支撐相，應盡量減小速度的不連續(xù)所產(chǎn)生的沖擊，同時足端的軌跡應具備靈活可變、柔順平滑、可設置初末速度等特點。本文采用貝塞爾曲線進行觸障反射曲線的軌跡規(guī)劃，貝塞爾曲線多用于矢量圖形軟件的曲線繪制中，具有計算量小、曲線平滑、易于控制初末速度及加速度等特點。

給定n+1個控制點Pi(i=0,1,2,…,n)后，代入貝塞爾方程，便可生成一條始于P0、終于Pn、內(nèi)切與n+1個點圍成的多邊形的n階貝塞爾曲線。典型的n階貝塞爾方程如式(1)所示：

貝塞爾曲線的特點是，可以通過初末控制點的選取控制軌跡的初末位置速度，為滿足重型機器人換相沖擊小的要求，本文建立8點貝塞爾曲線并滿足如下要求：

1）控制點的選取應滿足足端在觸障后應迅速后撤并上抬；

2）觸障反射軌跡應盡量平滑；

3）足在觸地時產(chǎn)生的速度應與規(guī)劃的支撐相速度相等，在式(2)中，對Q(t)微分即可得到軌跡的速度公式，當t=1時對應軌跡的末端速度為：

此速度應與支撐相速度vst相等。特別地，由于支撐相的z向速度為0，兩個控制點的z坐標應為0。故軌跡末端的兩個控制點的選取應滿足式(3)。

4）滿足上述要求下，軌跡曲線應盡量縮短，這樣可以節(jié)約能耗。

若機器人正常行走的軌跡曲線邁腿高度為h，步長為S，觸障點坐標為（x_collision, z_collision），則8點可設計為表2所示。

表2 貝塞爾曲線插值點

將8點代入式(1)中，利用MATLAB可數(shù)值擬合得到越障軌跡曲線如圖4所示，軌跡的速度曲線如圖5和圖6所示，可發(fā)現(xiàn)軌跡相對平滑，在5s時進行換相，x方向速度突變?yōu)椤?00mm/s，z方向幾乎無速度突變，有效地緩和了換相沖擊。

圖4 MATLAB仿真足端越障軌跡

圖5 MATLAB仿真足端水平方向速度

圖6 MATLAB仿真足端豎直方向速度

機器人的探溝運動發(fā)生在單腿擺動相末期，當機器人沿著前進方向行走踏空后，記錄足端在前進方向的平面上的踏空位置坐標(x_ditch, z_ditch)，x方向的軌跡利用勻速直線擬合，z方向的軌跡利用半正弦曲線擬合，如式(4)所示：

式中：

T0為曲線的擺動周期；

x_ditch為踏空時足的x方向坐標；

z_ditch為踏空時足的z方向坐標。

圖7為利用MATLAB數(shù)值擬合出的前進方向的探溝運動過程，機器人正常行走時的落足點在機體坐標系下z方向坐標為-1820mm，向下探地的最大深度為115mm，若機器人在此深度仍未觸地，則繼續(xù)向前搜索落足點，直至再次觸地，完成探溝運動的軌跡規(guī)劃。

圖7 機器人探溝軌跡的MATLAB仿真

2.3 基于阻抗控制的軌跡補償

重型六足機器人在觸障或探溝時，由于受到?jīng)_擊力，會造成機體的傾翻失穩(wěn)，為了保證步態(tài)轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定性，需動態(tài)調(diào)節(jié)觸障足的足端的位置，實時保證機器人的穩(wěn)定性。

常用的柔順控制方法為阻抗控制，如圖8所示，通過足端的動態(tài)力位調(diào)節(jié)，使足端快速地遠離障礙，緩和足力沖擊。

圖8 阻抗控制示意圖

圖8 中，F(xiàn)為機器人的目標足力，在擺動過程中目標足力應為0，F(xiàn)r為傳感器測得的實際足力，通過阻抗控制器可得到ΔP，阻抗控制公式如式(5)所示：

式中：

ΔP為觸障足在三維方向的位置補償量；

ΔF為觸障足足底力傳感器水平力的變化；

Md, Cd, Kd為阻抗控制器的三個參數(shù)。

調(diào)節(jié)Md、Cd、Kd三個參數(shù)，可以補償足端的位置，減小觸障帶來的沖擊，將位置補償與軌跡規(guī)劃的足端位置疊加，作為足進行觸障、探溝運動時的最終軌跡。

3 仿真實驗

3.1 觸障仿真實驗

利用ADAMS建立仿真環(huán)境，如圖9所示，機器人總質(zhì)量5噸，足與地面摩擦系數(shù)為0.9，機器人的行進方向上的左右兩側(cè)分別布置凸包障礙物，左側(cè)腿所遇障礙的寬度和高度分別為200mm和604.34mm，右側(cè)腿所遇障礙的寬度和高度分別為130mm和580mm，機器人沿直線前行，利用Simulink搭建控制系統(tǒng)向機器人發(fā)送控制指令，采樣周期為10ms。

圖9 機器人觸障運動仿真環(huán)境

當機器人未利用常規(guī)步態(tài)進行觸障運動時，仿真結果如圖10所示，機器人會發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。

圖10 機器人常規(guī)步態(tài)觸障行走

基于非常規(guī)步態(tài)的觸障運動如圖11所示，機器人的在觸障后對各腿的相位進行調(diào)整并對觸障腿的軌跡進行了重新規(guī)劃，從而實現(xiàn)了機器人的順利越障。圖12為機器人在觸障運動過程中各腿的步態(tài)狀態(tài)圖，表述了六條腿的相位關系，可發(fā)現(xiàn)，當右前腿觸障后，其狀態(tài)迅速轉(zhuǎn)化為“觸障保持”狀態(tài)，其他腿此時維持“支撐保持”狀態(tài)。機器人的相序與常規(guī)步態(tài)不再周期性變化，運用非常規(guī)步態(tài)實現(xiàn)了越障。

圖11 機器人利用非常規(guī)步態(tài)越障過程

圖12 機器人觸障步態(tài)狀態(tài)圖

3.2 探溝仿真實驗

機器人探溝環(huán)境如圖13所示，機器人前方的溝壑，寬600mm，深407.14mm，機器人作直線前進運動。

圖13 機器人探溝運動仿真環(huán)境

機器人探溝反射運動仿真如圖14所示，機器人的右前腿在行進過程中發(fā)生踏空現(xiàn)象，此時右前腿迅速轉(zhuǎn)換為“擺動保持”狀態(tài)，利用探溝軌跡向前試探運動尋找落足點，其他腿在此過程中維持“支撐保持”狀態(tài)，直至右前腿完成探溝運動。對于右中腿和右后腿也同樣發(fā)生了踏空現(xiàn)象并利用非常規(guī)步態(tài)，最終實現(xiàn)機器人的順利越溝。

圖14 機器人利用非常規(guī)步態(tài)探溝過程

圖15 為六足機器人的步態(tài)狀態(tài)圖，機器人的右前腿、右中腿、右后腿在運動過程中均發(fā)生踏空現(xiàn)象，機器人利用非常規(guī)步態(tài)，實現(xiàn)了穩(wěn)定行走。

4 結論

基于非常規(guī)步態(tài)的機器人反射運動控制方法研究為重型足式機器人在不借助環(huán)境傳感器信息條件下實現(xiàn)越障、探溝提供了新思路。通過在機器人觸障、探溝后改變機器人的邁腿相序，規(guī)劃反射運動軌跡，利用阻抗控制減小力沖擊帶來的影響等方法，實現(xiàn)機器人的順利越障跨溝，保證了機器人的穩(wěn)定行走。

圖15 六足機器人探溝運動步態(tài)狀態(tài)圖

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A research on the reflex motion control of the six-legged robot based on impedance control

WU Yan-hua1,3, CONG En-bo2

TP242.6

：A

1009-0134(2017)07-0064-05

2017-04-11

吳艷花（1979 -），女，湖北天門人，講師，碩士，研究方向為智能控制和數(shù)控技術。