双足被动步行研究综述_毛勇

　第29卷第3期　2007年5月

文章编号:1002-0446(2007)03-0274-07

机器人　ROBOT

Vo.l29,No.3　May,2007　　

双足被动步行研究综述

*

毛勇,王家廞,贾培发,韩灼

(清华大学计算机科学与技术系智能技术与系统国家重点实验室,北京　100084)

摘　要:总结了被动步行的特点和研究现状,介绍了几款国外主要的被动步行机器人的机构设计和驱动系统设计,对被动步行研究中的稳定性问题、能量优化问题以及控制和学习方法进行了综述,并指出了被动步行领域的研究难点和未来研究方向.

关键词:动能学;稳定性;控制方法;被动步行;双足机器人中图分类号:　TP24　　　　文献标识码:　A

PassiveDynamicBipedWalking:ASurvey

MAOYong,WANGJia-xin,JIAPei-fa,HANZhuo

(StateKeyLaboratoryofIntelligentTechnologyandSystems,DepartmentofComputerScienceandTechnology,

TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)

　Abstract:Thispapersurveysthecurrentstatusandcharacteristicsofpassivedynamicwalking.Themechanicalstructures

anddrivingsystemdesignsofseveralpassivewalkingrobotsaregiven.Theresearchmethodsforthestability,energyeffi-ciencyandcontrolschemeofpassivebipedsareoverviewed.Toconclude,thispaperpointsoutthemaindifficultiesandthefutureworksinthisfield.

　Keywords:energetics;stability;controlscheme;passivedynamicwalking;bipedrobot

1　引言(Introduction)

相比于一般的移动机器人,双足机器人由于在非结构化环境中具有更好的移动能力而受到研究者

[1]

的广泛关注.传统的双足机器人研究主要基于ZMP(zeromomentpoint)稳定判据

[3]

[2]

动力学特性,仅依靠重力稳定地走下斜坡.McGeer将这种方法与早期对于飞机的研究作了一个形象的对比,人们通过对于无动力的滑翔机的实验充分掌握了空气动力学原理和控制方法后,在滑翔机的基础上相对容易地增加动力系统从而实现了有动力飞行.同样,被动步行研究方法的主要思路也是首先研究无驱动的纯被动双足机器人.由于其结构和控制的简单性,通过仿真和实验的方法可以从中抽取出双足步行的本质特征.在充分分析此类原型系统的基础上逐步加大机器人结构的复杂度,研究引入驱动的半被动步行(quasi-passivewalking)机器人.最终,利用所得的结论指导机器人的设计和控制,从而实现稳定、鲁棒、高效的仿人双足步行.

这种方法与传统的主动双足步行研究相比主要有以下几点不同.首先,主动机器人试图通过大力矩和高增益反馈的驱动系统来控制和改变机器人的动力学特性,而被动步行则强调充分利用机器人自身

和工业机器人轨

迹跟踪控制方法.虽然稳定的双足动态行走已经在日本索尼公司的“QRIO”和本田公司的“Asi-[4,5]mo”等多个双足机器人项目中成功实现,但此类机器人一般依赖大力矩、高增益反馈的驱动系统以及上层的轨迹规划和姿态平衡控制.复杂的控制和驱动系统不仅造成了此类机器人的能量效率低下,而且不利于通过步态合成的方法研究人类步行的本质特征.

由McGeer首先提出的被动步行研究方法是一种不同于传统方法的双足步行研究思路.纯被动机器人是一组通过转动关节铰接的刚体机构,可以在无主动驱动的情况下,充分利用机器人自身的被动

[6]

05

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机构固有的被动动力学特性.这种特点使得被动机

器人天生具有自然的步态,以及与人类步行相似的能量效率,而传统的主动双足机器人一般只能达到人类步行能量效率的10%以下

[7]

提出了被动动态步行的思路.在文[6]中,McGeer构

建了2D无膝关节的纯被动机器人,见图1.这种机器人并无驱动和控制系统,它的机构非常简单,只有髋关节1个自由度,并且利用分别连接在一起的2条内腿和2条外腿保证机器人的侧向平衡.进一步地,McGeer对上述机器人进行了扩展,构建了有膝关节的双足被动机器人

[9]

.其次,被动步行更

强调对于人类步行本质特征的挖掘.为了从复杂的

步行现象中抽取出人类步行的本质特征,可以采用搭建机器人原型系统的步态合成(gaitsynthesis)方法,或是研究人类步行数据的步态分析(gaitanaly-sis)方法.再次,由于人类步行中对于被动动力学特性的利用非常充分,并在鲁棒性和能量效率等方面表现出优秀的性能,所以被动步行研究往往与仿生学和生物力学结合紧密.此外,在分析方法上,被动步行一般采用非线性系统的研究方法.

在研究内容上,被动步行研究主要关注双足机器人机构设计的合理性、步行周期的稳定性、步行各阶段的能量特点以及通过与环境的交互学习实现机器人的鲁棒控制器等问题.其成果除应用于双足机器人的构建外,还主要应用于医疗康复设备和假肢的设计,以解决下肢残疾或截肢病人的康复问题

[8]

,见图2,并研究了在髋关节和

[10]

两腿上引入弹性器件的双足被动跑步问题.

McGeer的纯被动机器人的两杆仿真模型如图3所示.适当地调节这种机器人的初始条件(初始关节角度和初始关节角速度),使之和机器人的被动动力学特性及环境参数(斜面坡度)相适应,就可以保证机器人稳定地走下坡度一定的斜面.在这种纯被动的行走过程中,每个步态周期都类似于一个倒立摆的摆动过程,连续步行由多个倒立摆摆动周期衔接构成.步行中的能量消耗主要产生于两个相邻步态周期衔接转换时足与地面间的冲击,而能量的补充则完全由重力提供.通过对这种机器人的仿真和实验,McGeer分析了纯被动步行的稳定性问题和能量问题,并得到了机器人的机构参数对于步行性能的影响.McGeer的分析奠定了被动动态步行研究方法的基础.这种方法的主要过程如下:首先,由被动机器人模型的运动学和动力学方程得到机器人步态参数从一个步态周期到下一个步态周期的转换方程(step-to-stepfunction);然后,求解此方程可以得到有稳定步行周期的初始参数条件.以解得的稳定步行

周期为基础,就可以利用局部线性化方法进行稳定性分析,并进一步对能量特性进行研究

.

.

2　被动步行研究内容(Contentsofpassive

walkingresearch)

传统的主动双足步行机器人通常采用基于工业机器人的轨迹跟踪控制,通过复杂的驱动、控制系统改变机器人的动力学特性以实现预定义的轨迹.由于并没有对机器人的被动动力学特性进行充分的利用,此类机器人一般都有能量效率低下、控制系统结构复杂的缺点.为了解决这一问题,加拿大的McGeer

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　　自McGeer的开创性工作后,美国、欧洲与日本

的多所大学和研究机构在被动步行领域开展了深入的研究.随着研究的深入,所构建的被动机器人原型的复杂度也在逐渐加大,从完全无驱动的纯被动机器人逐步转向了部分自由度带驱动的半被动步行机器人.在半被动机器人中比较典型的有Delft大学的“Mike”半被动机器人.“Mike”在McGeer的2D纯被动机器人的基础上增加了髋关节的主动驱动.它的控制器是一个利用摆动脚着地和离地等事件实现的有限状态自动机,由它控制髋关节进行摆腿运动,通过适当调节摆动腿的速度和角速度参数就可以实现被动步行稳定性定义下的稳定平地步行.Asano提出的虚重力场(virtualgravityfield)理论则对半被动步行的原理做出了解释.将半被动双足机器人中的主动驱动力和重力的共同作用看作方向一定的虚重力场, …… 此处隐藏：15024字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……