一种由人类步行启发的半被动双足步行机器人().docVIP

第４２卷第４期  中南大学学报（自然科学版）  、，０ｌ－４２  Ｎｏ．４ ２０１１年４月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｅｎｔｒａｌ Ｓｏｕｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ） Ａｐｒ．２０１１  一种由人类步行启发的半被动双足步行机器人 倪修华，陈维山，刘军考，石胜君 （哈尔滨工业大学机器入技术与系统国家重点实验室，黑龙江哈尔滨，１５０００１） 摘要：针对半被动双足步行机器人所采用的控制方法大多较为复杂，并且缺乏控制参数对机器人性能影响的定量 分析，从人类步行的生物力学研究得到启发，提出一种半被动双足步行机器人的控制方法，并定量分析该控制方 法各参数对机器人性能的影响。在机器人摆动腿与地发生碰撞后开始于髋关节处施加方波力矩，作为动力输入。 采用步态敏感范数衡量机器人的稳定性，采用无量纲步行能耗衡量机器人的步行效率。以稳定性、效率和步行速 度作为机器人性能评价指标，通过仿真得到力矩、力矩作用时间和斜坡角度３个参数对机器人性能的影响。由于 力矩在１个步行周期中没有做负功，该机器人具有与人类步行相似的高能量效率。该机器人能够实现沿上坡、下 坡和平地步行。 关键词：半被动步行；机器人：稳定性；效率：速度 中图分类号：ＴＰ２４ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７２—７２０７（２０１１）０４－１０２８－０７  Ａ ｑｕａｓｉ—ｐａｓｓｉｖｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｗａｌｋｅｒ ｉｎｓｐｉｒｅｄ ｂｙ ｈｕｍａｎ ｗａｌｋｉｎｇ  ＮＩ Ｘｉｕ－ｈｕａ，ＣＨＥＮ Ｗｅｉ—ｓｈａｈ，ＬＩＵ Ｊｕｎ－ｋａｏ，ＳＨＩ  Ｓｈｅｎｇ－ｊｕｎ  （Ｓｔａｔｅ  Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆＲｏｂｏｔｉｃｓ ａｎｄ  Ｓｙｓｔｅｍ，Ｈａｒｂｉｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ １５０００１，Ｃｈｉｎａ）  Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｉｎｃｅ ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ  ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ｑｕａｓｉ－ｐａｓｓｉｖｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｗａｌｋｅｒｓ ａｒｅ ｃｏｍｐｌｅｘ，ａｎｄ ｆｅｗ ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ ｓｔｕｄｙ ｏｆｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｎ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆｑｕａｓｉ－ｐａｓｓｉｖｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｗａｌｋｅｒｓ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｄｏｎｅ，ｉｎｓｐｉｒｅｄ ｂｙ ｂｉｏｍｃｃｈａｎｉｅｓ ｉｎ ｈｕｍａｎ ｗａｌｋｉｎｇ，ａ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｑｕａｓｉ－ｐａｓｓｉｖｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｗａｌｋｅｒ ａｎｄ ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｎ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｑｕａｓｉ－ｐａｓｓｉｖｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｗａｌｋｅｒ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｗｉｎｇ ｌｅｇ ａｎｄ ｇｒｏｕｎｄ，ａ ｔｏｒｑｕｅ ｏｆ ｓｑｕａｒｅ ｗａｖｅ ｗａｓ ａｐｐｌｉｅｄ ａｔ ｔｈｅ ｈｉｐ ａｓ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ．Ｔｈｅ ｇａｉｔ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｎｏＦｎ＇１ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｑｕａｎｔｉｆｙ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ａｎｄ ｔｈｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｌｅｓｓ ｃｏｓｔ ｏｆ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｑｕａｎｔｉｆｙ ｔｈｅ ｗａｌｋｉｎｇ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｗｅｒｅ ｕｓｅｄ ａｓ ｔｈｒｅｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｃｒｉｔｅｒｉａ．Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｏｆ ｔｏｒｑｕｅ，ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｔｉｍｅ ｏｆ ｔｏｒｑｕｅ ａｎｄ ｓｌｏｐｅ ａｎｇｌｅ ｏｎ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｃｒｉｔｅｒｉａ ｗｅｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｂｙ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ．Ｓｉｎｃｅ ｔｈｅ ｔｏｒｑｕｅ ｄｏｅｓ ｎｏｔ ｄｏ ｎｅｇａｔｉｖｅ ｗｏｒｋ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｗａｌｋｉｎｇ ｐｅｒｉｏｄ，ｔｈｅ ｗａｌｋｅｒ ｈａｓ ａ ｈｉｇｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｓ ｈｕｍａｎ ｗａｌｋｉｎｇ．Ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｃａｎ ｗａｌｋ ｕｐ ａ ｓｌｏｐｅ，ｗａｌｋ ｄｏｗｎ ａ ｓｌｏｐｅ ａｎｄ ｗａｌｋ ｏｎ ｆｌａｔ ｇｒｏｕｎｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｑｕａｓｉ—ｐａｓｓｉｖｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｗａｌｋｉｎｇ；ｒｏｂｏｔ；ｓｔａｂｉｌｉｔｙ；ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ；