邵俊鵬 遲涵威 孫桂濤

摘 要：針對四足機器人運動過程中存在的自碰撞問題，采用距離函數(shù)法，通過對腿部選取特征點，并對特征點之間的距離檢測，進行足端的軌跡規(guī)劃。研究過程中，建立了四足機器人的三維模型，并給出了四種自碰撞位置檢測模型，對腿部運動空間的分析，每條腿上選取兩個特征點，用距離函數(shù)法對特征點間距離進行控制，進而實現(xiàn)對腿部的控制。經過仿真分析和實驗得出，應用距離函數(shù)法可以將兩足端的最小距離控制在34.72mm處，有效的避免機器人在行進過程中腿部之間存在的碰撞問題。

關鍵詞：四足機器人;運動規(guī)劃;自碰撞;碰撞檢測;距離函數(shù)法

DOI：10.15938/j.jhust.2020.05.010

中圖分類號： TP242

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2020）05-0068-07

Abstract：Aiming at the self-collision problem in the motion of four-legged robots， the distance function method is adopted， the feature points are selected for the legs， and the distance between the feature points is detected to plan the trajectory of the foot. In the research process， the three-dimensional model of the quadruped robot was established， and four self-collision position detection models were given. The analysis of the leg motion space was performed. Two feature points were selected on each leg， and the feature points were used to solve the feature points. Control the distance between the legs to control the legs. Through simulation analysis and experiment， the distance function method can be used to control the minimum distance between the two ends at 34.72mm， effectively avoiding the collision problem between the legs during the running of the robot.

Keywords：quadruped robot; motion planning; self collision; collision detection; distance function method

0 引 言

目前，機器人的運動方式主要有輪式、履帶式和足式3種[1-2]。在應用方面，輪式和履帶式機器人技術已相對成熟，但是存在著明顯的不足，輪式機器人面對過于崎嶇的路面或高度大于車輪半徑的障礙物時，輪式機器人的運動就會受到限制;履帶式機器人存在移動速度慢，能量利用率低等缺陷[3-4]。相對于輪式和履帶式機器人，足式機器人落足點是離散的，在足的可達空間內選擇最優(yōu)支撐點[5-6]，跨越障礙，提高了對崎嶇地面的適應能力，通過對運動步態(tài)的控制，進而控制運動速度，提高能量利用率[7]。采用液壓方式驅動，可以使機器人具有更大的負載能力，并可在極短的時間內為機器人提供足夠大的驅動力矩，用電液伺服作動器作為關節(jié)驅動單元，通過控制腿部機構在擺動相和支撐相間的切換實現(xiàn)機器人的運動[8-9]。四足機器人的運動規(guī)劃既要考慮其身體部位與外界的碰撞，又要避免其自身身體部位的碰撞，而且機器人在運動過程中腿部相對位置是時變的[10]，相對于外界環(huán)境的碰撞，自碰撞運動的規(guī)劃更為復雜，故本文從四足機器人運動過程中，避免腿部之間的碰撞這一問題出發(fā)，進行規(guī)劃，實現(xiàn)自身的避碰。

在機器人自碰撞檢測和規(guī)劃方面已有許多成果，如吳長征，岳義等[11]針對雙臂機器人運動規(guī)劃過程中的自碰撞問題，提出了基于空間向量幾何距離的機械臂自碰撞檢測方法，并驗證了該算法的有效性;Kwak，Park. [12]提出了一種基于反向傳播神經網絡的實時自碰撞檢測方法，該法能明顯減少自碰撞檢測計算時間，但準確性仍有待提升。Dietrich A等[13]提出了一種基于人工排斥勢場的避碰算法，為了提高運動的安全性，在控制器無法避免自碰撞的情況下，引入了基于動能考慮的附加緊急制動策略。Tanaka M，Tanaka K.[14]控制輸入的關節(jié)角度用于關節(jié)限制和自碰撞避免。TuomoKivel等[15]提出了一種生成冗余機械手關節(jié)軌跡的方法，如果存在碰撞風險，控制器計算即將發(fā)生碰撞的確切點與碰撞對象間的最短距離，通過修改關節(jié)軌跡以避免碰撞。

以上方法均能在一定程度上控制機器人運動中自身的碰撞問題，但也存在一定問題?；谏窠浘W絡的搜索算法過于復雜;人工勢場法無法避開局部極小值的問題;對于軌跡規(guī)劃法需要綜合考慮運動學、動力學等多方面因素的基礎上來設計機器人軌跡規(guī)劃曲線。而距離函數(shù)法具有方法簡單、易使用的優(yōu)點，它的基本原理是：控制機器人連桿與障礙物之間的距離，并避免計算的復雜性，而且能夠保證機器人運動的穩(wěn)定性和連續(xù)性[16]。

目前，對四足機器人的運動研究大多集中在walk、trot和bound步態(tài)上[17-21]，并未考慮到機器人在運動中自身腿部的干涉問題，但在實際運動過程中，確實存在腿部與腿部之間的碰撞，而且一旦發(fā)生，將嚴重影響運動的平穩(wěn)性。對于這一問題，本文首先提出了對腿部間碰撞的檢測，在運動過程中，通過距離函數(shù)法進行規(guī)劃，達到腿部之間避免碰撞的目的。

1 四足機器人的自碰撞檢測

四足機器人的自碰撞主要是指左右腿和前后腿之間的碰撞。在單條腿中，由于各關節(jié)具有運動極限，所以不考慮單腿中連桿間的碰撞。四足機器人的整體模型如圖1所示。

2.2 足端避碰規(guī)劃

機器人通過控制四條腿的運動帶動機器人整體運動，建立四足機器人空間模型及相應的關節(jié)坐標系如圖4所示。

4 結 論

本文將距離函數(shù)法應用到四足機器人的無碰撞運動規(guī)劃當中，通過對機器人結構和運動的分析，總結了四種自碰撞檢測模型，對機器人單腿建立了動力學方程和運動學求解，通過在ADAMS軟件上的仿真和實驗樣機的驗證，證明了應用距離函數(shù)法可以實現(xiàn)了機器人腿部的避碰運動。

參 考 文 獻：

[1] 蘇磊，侯宇，吳飛，等.輪足式機器人機構設計及越障性能分析[J].機械設計與制造，2016（8）：46.

SU Lei， HOU Yu， WU Fei， et al. Design of Wheel-foot Robotic Mechanism and Analysis of Obstacle-crossing Performance[J]. Mechanical Design and Manufacturing， 20168）： 46.

[2] 帥立國，鄭麗媛，費燕瓊.輪-履混合式移動機器人爬坡運動研究[J].哈爾濱工程大學學報，2016，37（2）：266.

SHUAI Liguo， ZHENG Liyuan， FEI Yanqiong.Study on the Climbing Movement of Wheel-track Hybrid Mobile Robot[J].Journal of Harbin Engineering University， 2016，372）： 266.

[3] 王朝陽，胡淼，湯永紅.輪履復合式移動機器人設計及越障功能分析[J].機械傳動，2010，34（4）：38.

WANG Chaoyang， HU Miao， TANG Yonghong. Design of Wheel Track Compound Mobile Robot and Analysis of Obstacle-crossing Function[J]. Mechanical Transmission， 2010， 344）： 38

[4] 王鵬，李鑫，江文浩.地震搜救機器人構型設計綜述[J].哈爾濱理工大學學報，2012，17（1）：15.

WANG Peng， LI Xin， JIANG Wenhao. Overview of the Configuration Design of Earthquake Search and Rescue Robots[J]. Journal of Harbin University of Science and Technology， 2012， 171）： 15.

[5] XU Yilin，GAO Feng，PAN Yang，et al.Method for Six-Legged Robot Stepping on Obstacles by Indirect Force Estimation[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering，2016，29（4）：669.

[6] CHUNG J W，LEE I H，CHO B K，et al. Posture Stabilization Strategy for a Trotting Point-foot Quadruped Robot[J]. Journal of Intelligent & Robotic Systems，2013，72（3/4）：325.

[7] 劉慶運，景甜甜.六足步行機器人及其步態(tài)規(guī)劃研究進展[J].重慶理工大學學報（自然科學），2015，29（7）：87.

LIU Qingyun， JING Tiantian. Advances in Research on Hexapod Walking Robot and Its Gait Planning[J].Journal of Chongqing University of TechnologyNatural Science）， 2015，297）： 87.

[8] 邵俊鵬，李中奇，孫桂濤，等.液壓四足機器人關節(jié)驅動節(jié)能[J].哈爾濱理工大學學報，2016，21（2）：53.

SHAO Junpeng， LI Zhongqi， SUN Guitao， et al. Energy Saving of Hydraulic Quadruped Robot Joint Drive[J].Journal of Harbin University of Science and Technology， 2016，212）： 53.

[9] 于艦，孫桂濤，高炳微，等.液壓四足機器人驅動器CAN總線通信[J].哈爾濱理工大學學報，2013，18（2）：77.

YU Jian， SUN Guitao， GAO Bingwei， et al. CAN Bus Communication of Hydraulic Quadruped Robot Driver[J]. Journal of Harbin University of Science and Technology， 2013， 182）： 77.

[10]李滿宏，張明路，張建華，等.六足機器人關鍵技術綜述[J].機械設計，2015，32（10）：1.

LI Manhong， ZHANG Minglu， ZHANG Jianhua， et al. Summary of Key Technologies of Hexapod Robot [J]. Mechanical Design， 2015， 3210）： 1.

[11]吳長征，岳義，韋寶琛，等.雙臂機器人自碰撞檢測及其運動規(guī)劃[J].上海交通大學學報，2018，52（1）：45.

WU Changzheng， YUE Yi， WEI Baochen， et al. Self-collision Detection and Motion Planning of Dual-arm Robot[J].Journal of Shanghai Jiaotong University， 2018，521）： 45.

[12]KWAK，PARK. Back Propagation Neural Network Based Real-time Self-collision Detection Method for Humanoid Robot[C]// IEEE 2011 11th International Conference on Control，Automation and Systems， 2011：1505.

[13]DIETRICH A，WIMBCK，THOMAS，TUBIG，HOLGER，et al. Extensions to Reactive Self-Collision Avoidance for Torque and Position Controlled Humanoids[C]// IEEE International Conference on Robotics &Automation.IEEE，2011：3455.

[14]TANAKA M，TANAKA K. Shape Control of a Snake Robot With Joint Limit and Self-Collision Avoidance[J]. IEEE Transactions on Control Systems Technology，2016（99）：1.

[15]TUOMO Kivel，MATTILA J，PUURA J，et al. Redundant Robotic Manipulator Path Planning for Real-Time Obstacle and Self-Collision Avoidance[C]// International Conference on Robotics in Alpe-Adria Danube Region. Springer，Cham，2017：208.

[16]賈慶軒，戰(zhàn)強，孫漢旭.雙冗余度機器人的避碰運動規(guī)劃方法研究[J].北京航空航天大學學報，2004（4）：349.

JIA Qingxuan， ZHAN Qiang， SUN Hanxu. Research on Collision Avoidance Motion Planning Method of Dual-redundancy Robot [J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics， 20044）： 349.

[17]勾文浩，袁立鵬，宮赤坤，等.基于足端軌跡的仿生四足機器人運動學分析與步態(tài)規(guī)劃[J].現(xiàn)代制造工程，2017（7）：37.

GOU Wenhao， YUAN Lipeng， GONG Chikun， et al. Kinematic Analysis and Gait Planning of Bionic Quadruped Robot Based on Foot Trajectory [J] .Modern Manufacturing Engineering， 20177）： 37.

[18]高炳微，王思凱，高元鋒.液壓四足機器人單腿豎直跳躍步態(tài)規(guī)劃[J].儀器儀表學報，2017，38（5）：1086.

GAO Bingwei， WANG Sikai， GAO Yuanfeng. Single Leg Vertical Jump Gait Planning for Hydraulic Quadruped Robot[J].Chinese Journal of Scientific Instrument， 2017，385）： 1086.

[19]鄭建華，牛軍川，江民圣，等.基于Trot步態(tài)的四足機器人彈簧腿動力學分析與仿真[J].中南大學學報（自然科學版），2015，46（8）：2877.

ZHENG Jianhua， NIU Junchuan， JIANG Minsheng， et al. Dynamic Analysis and Simulation of Spring Leg of Quadruped Robot Based on Trot Gait[J].Journal of Central South UniversityNatural Science Edition）， 2015，468）： 2877.

[20]王立鵬，王軍政，汪首坤，等.基于足端軌跡規(guī)劃算法的液壓四足機器人步態(tài)控制策略[J].機械工程學報，2013，49（1）：39.

WANG Lipeng， WANG Junzheng， WANG Shoukun， et al. Gait Control Strategy of Hydraulic Quadruped Robot Based on Foot Trajectory Planning Algorithm [J] .Chinese Journal of Mechanical Engineering， 2013，491）： 39.

[21]李貽斌，李彬，榮學文，等.液壓驅動四足仿生機器人的結構設計和步態(tài)規(guī)劃[J].山東大學學報（工學版），2011，41（5）：32.

LI Yibin， LI Bin， RONG Xuewen， et al. Structural Design and Gait Planning of Hydraulically Driven Quadruped Bionic Robot[J].Journal of Shandong UniversityEngineering Science）， 2011，415）： 32.

[22]張國騰，榮學文，李貽斌，等.基于虛擬模型的四足機器人對角小跑步態(tài)控制方法[J].機器人，2016，38（1）：64.

ZHANG Guoteng， RONG Xuewen， LI Yibin， et al. A Control Method for a Quadruped Robot Based on Virtual Model in Diagonal Jogging [J] .Robot， 2016，381）： 64.

[23]蔡自興.機器人學[M].北京：清華大學出版社，2007：51.

[24]莊未，黃用華.基于螺旋理論的冗余液壓驅動四足機器人運動學分析[J].機械設計，2011，28（11）：15.

ZHUANG Wei， HUANG Yonghua. Kinematics Analysis of Redundant Hydraulic Driving Quadruped Robot Based on Spiral Theory [J]. Mechanical Design， 2011，2811）： 15.

（編輯：王 萍）