连杆机构的双足机器人起立方法分析

【Word版本下载可任意编辑】连杆机构的双足机器人起立方法分析1引言

机器人技术是电子、机械、人工智能等各个领域新技术的结晶，双足机器人的研究作为机器人学的一个分支，无疑对机器人研究的技术和思想提出了更高的要求。双足机器人的起立动作是双足机器人的基本动作之一，在双足机器人开展双足步行之前，首先要保证机器人处于站立状态。而从俯卧到站立的过程就是机器人的自起立的过程，在这个过程中要保证机器人不发生倾倒，就需要规划机器人的整个动作。在这里我可以通过将机器人简化为连杆构造。通过平面连杆的相关理论开展分析，对整个动作开展规划。

2连杆模型

本文的研究对象是一台至少具有13关节自由度(不考虑手指的自由度)的双足步行机构,每条腿各有3个自由度,即：踝关节、膝关节、髋关节分别具有一个前向自由度；腰部有一个转弯自由度；每个肩关节具有二个自由度,包括前向和侧向度；每个手臂的肘关节具有一个前向自由度。机器人的起立规划运动，由三个旋转关节和八个前向关节的协调运动来实现，由于起立动作所涉及的自由度大都集中在侧向的平面内，所以可以用连杆机构来分析机器人的起立动作,并用D-H方法建立模型。

3起立过程分析

起立过程主要是保证机器人从俯卧状态转换到双足站立的状态，并在起立过程中不发生倾倒，那就要满足在静态运动时重心保持在机器人的支撑范围内。根据这一基本原理，可以将起立过程分为三个阶段，如图1所示，个阶段机器人从俯卧状态开始，双腿开始弯曲同时双臂向前伸直形成跪立状态。第二阶段机器人从跪立状态开始重心不断后移到双脚支撑范围内形成双脚支撑的下蹲状态。第三阶段从下蹲状态开始向上站立，直到双腿伸直形成直立状态。在三个阶段中，个阶段由于在双臂和双膝的支持下，只要保持双臂和双膝动作一致就不会发生倾倒。而第二三阶段由于重心的不断移动则容易发生倾倒，下面将具体分析。

3.1第二阶段分析

在这个阶段，机器人要从跪立状态转换到下蹲状态，这里可以用连杆构造来分析。首先建立连杆模型，如图2所示。

由于小腿着地所以整体分析手臂、身体、大腿这三个连杆，这里取膝关节所在位置为基坐标系（即坐标系{0}）原点，三个连杆长度分别为∫1、∫2、∫3，夹角为θ1、θ2、θ3。根据Denavit-Hartenberg法则建立个连杆的坐标系，其齐次变换通式为

齐次变换通式描述了坐标系i相对于坐标系i-1的位置关系。这样可以求出每个连杆相对于基坐标系的位置关系，假设连杆的质量分布均匀密度相似，则每个连杆的重心位置为连杆的中点，这样通过齐次变换矩阵，每个连杆的重心在基坐标系上的坐标x1,x2,x3可求：

也就是不会发生倾倒。从而完成从下蹲状态到站立状态的转换。

4实际应用

根据上述分析，可以保证静态平衡条件，通过适当的几何约束即可求解机器人运动的各关节的运动和关节轨迹,将各关节的转角信息写入数据文件,使机器人实现起立运动规划。而且这种起立方法不但适用于四连杆构造的机器人，还适用于四个以上连杆机构的起立动作。由于多连杆机构可以转换成四连杆机构。只要将几个连杆当作躯干部分的连杆，其他连杆作为手臂和大腿和小腿部分，则通过上述起立方法一样可以完成起立动作。这个起立动作已经在实际的机器人平台上实现了，实际试验选用的机器人硬件平台共有17个舵机和17个自由度(leg5×2,waist1,arm3×2)，内置控制电路板及电池。机器人通过RS232串口线直接和计算机连接,在这一平台上根据上述分析实现了起立动作。

5结论

本文介绍了一种机器人自起立的方法，并通过连杆构造加以分析，总结出了实现稳定的不发生倾倒的起立动动作时，机器人所要满足的基本条件。