李海軍

（湘潭醫(yī)衛(wèi)職業(yè)技術學院，湖南湘潭 411102）

智能機器人的研發(fā)和應用，能顯著改進實踐生產(chǎn)的方式和方法，其智能化水平顯著提升了工作整體的效率和質(zhì)量，加快研發(fā)現(xiàn)代智能化機器人技術，成為人們關注的焦點。而如何實現(xiàn)雙足機器人的穩(wěn)定步行控制，已經(jīng)成為當前技術研發(fā)上的難點問題。根據(jù)數(shù)據(jù)建模中的動態(tài)和靜態(tài)兩種模型的相關描述方法，對17自由高度雙足機器人的步行穩(wěn)定控制進行了模擬，希望在數(shù)學模型上，對其穩(wěn)定步行控制進行調(diào)試，并進行仿真試驗，然后掌握并建立模型步行規(guī)律，從而能達到實現(xiàn)步行穩(wěn)定性控制的目標。下面對其數(shù)學模型的主要構成系統(tǒng)進行分析，然后針對具體數(shù)學模型分析情況進行闡述。

1 高自由度雙足機器人重心模型構成

相較于其他的機器人，高自由度的雙足機器人，體積更加輕便，占地面積小，可操控性更強，反應速度和靈活度更高，并且穩(wěn)定性強。而機器人的穩(wěn)定性主要在于重心的建立，只有找準重心，這是實現(xiàn)穩(wěn)步控制的關鍵，在整個數(shù)學模型的構建中，有著重要的影響。

研究以17高自由度機器人為對象，在零力矩點（ZMP）理論的基礎上，構建一個靜態(tài)的理想機器人重心穩(wěn)定模型，模型中有17個舵機，以確定機機器人重心和利用重心進行穩(wěn)步控制為目標。首先建立坐標，將17個舵機以質(zhì)點形式在坐標軸標記出來，利用位姿矩陣確定一個坐標原點，在空間坐標系中準確找到17個脫機的位置。根據(jù)公式（1）得出重心位置。

式中Oz表示重心的位置，Oi表示第i個舵機位置，Mi表示舵機質(zhì)點質(zhì)量。

根據(jù)測量數(shù)據(jù)在坐標軸上標出，構建了機器人重心的初步模型。以頭部坐標為原點，每個舵機抽象成轉軸處一個質(zhì)點，相鄰的兩個質(zhì)點之間控制一定的舉例，然后利用矩陣計算出每一個重心相對的坐標，并利用Matlab仿真技術，借助VC視覺技術，最終獲得一個完整的機器人數(shù)據(jù)模型。

2 高自由度雙足機器人數(shù)學模型構建與仿真測試

2.1 數(shù)學模型構建

根據(jù)上述初步建立的靜態(tài)模型，先對靜態(tài)模型的性能和設計方案的可行性進行動態(tài)的模擬試驗，檢查模型存在的問題。首先，構建初步坐標系，將相關參數(shù)設定在坐標原點的支撐腳上，然后建立和舵機的抽象同靜態(tài)的模型。然后在保證機器人步態(tài)可復現(xiàn)的前提下，對步行周期的T1步速V1，身高H1、手臂擺動R1等參數(shù)進行設定，根據(jù)公式（2）和（3）、（4）最終能獲得身軀的坐標點。

最終獲得了機器人的動態(tài)行走的可控數(shù)學模型，在模型中能對兩腳的位姿和手臂的坐標等進行任意時刻段的調(diào)控。在動態(tài)模型中，將角度轉動參數(shù)輸入系統(tǒng)中，在函數(shù)中確定相關系數(shù)。根據(jù)ZMP理論，得出最終的控制系數(shù)。并對實際控制最小值進行最優(yōu)解，從而實現(xiàn)模型優(yōu)化。

2.2 仿真測試

根據(jù)遺傳算法獲得了最終的動態(tài)模型，然后對模型的性能進行測定，設定穩(wěn)定的參數(shù)優(yōu)化步態(tài)指標，在ZMP支撐下，獲得最小的腳掌中心距離參數(shù)，對腳掌進行穩(wěn)定的控制。在仿真測試時，將其他的參數(shù)設定定量，在絕對值最小化的情況下，以公式（2）為函數(shù)目標，步態(tài)五參數(shù)空間搜索遺傳算法，采用Matlab進行函數(shù)計算，最終得到設計參數(shù)。v=10.552;H=365.2014；T=3.4451；C=25.453；A=8.3021；R=12.8621°。 根據(jù)計算出來的參數(shù)數(shù)值，用最優(yōu)解對機器人雙足步態(tài)進行仿真，獲得了曲線圖。當定值坐標參數(shù)為（-0.2mm，2.3mm）時，此時的機器人腳掌X向寬＞2.3mm，不在穩(wěn)定域內(nèi)，會發(fā)生前后翻；對其中心坐標點進行調(diào)整之后，定值坐標參數(shù)為（4mm,5.5mm）時，腳掌X向寬在＜3mm，此時的機器人不發(fā)生前后傾翻現(xiàn)象。所以，機器人步行過程中，參數(shù)設定在穩(wěn)定的閾值內(nèi)，就不會發(fā)生左右、前后傾翻現(xiàn)象。對機器人腳掌的參數(shù)設定一定的合理，當腳掌向寬超出實際穩(wěn)定域時，應該重新歸零進行行走，然后獲得最佳的穩(wěn)定數(shù)值，得到最終的穩(wěn)定控制的機器人。

2.3 優(yōu)化設計

由上述數(shù)據(jù)模型建立當仿真測試可知，重心是整個機器人實現(xiàn)穩(wěn)步控制的關鍵點，必須進行重心穩(wěn)定模型的優(yōu)化，才能提高步行穩(wěn)定控制的精準度。通過測試可知，機器人穩(wěn)定性優(yōu)化設計必須最終“最少舵機”原則，在設計時，一個舵機穩(wěn)定之后，才能繼續(xù)啟動其他舵機，以前一個舵機的角度，輸入變量，從而保證舵機的向量，確保其穩(wěn)定的運行狀態(tài)。通過數(shù)據(jù)模型中的仿真，在最優(yōu)解的運算方法下，最終選擇合適的初始位置。當機器人重心處于穩(wěn)定域內(nèi)，此時舵機運行能滿足工作的給定條件，并且在仿真測試中，我們能最終看到重心經(jīng)過優(yōu)化之后，機器人運行時，仍然能在穩(wěn)定域內(nèi)，最終全面提升了機器人的步行穩(wěn)定性。

3 結語

綜上，在現(xiàn)代計算機、建模技術以及三維可視化技術等的支持下，現(xiàn)代機器人工藝和技術也得到快速的發(fā)展，并且機器人設計和研發(fā)已經(jīng)越來越注重追求現(xiàn)代智能化、可控化，越來越注重機器人的穩(wěn)定可控操作，希望真正全面實現(xiàn)機器人普及，全面進入機器人高自由度生產(chǎn)的社會時代。通過研究發(fā)現(xiàn)，機器人的穩(wěn)步控制中，最核心的優(yōu)化設計是機器人重心的建立，并合理對舵機位置進行優(yōu)化設計，并且盡可能地減少舵機數(shù)量，全面提升機器人整體的穩(wěn)定性，讓機器人在運行時，舵機一直處于重心的穩(wěn)定域內(nèi)，實現(xiàn)穩(wěn)步的操控，最終全面在實踐生產(chǎn)中進行推廣，實現(xiàn)機器人的應用和推廣。