液压四足机器人自碰撞检测及其运动规划

邵俊鹏 迟涵威 孙桂涛

摘 要：针对四足机器人运动过程中存在的自碰撞问题，采用距离函数法，通过对腿部选取特征点，并对特征点之间的距离检测，进行足端的轨迹规划。研究过程中，建立了四足机器人的三维模型，并给出了四种自碰撞位置检测模型，对腿部运动空间的分析，每条腿上选取两个特征点，用距离函数法对特征点间距离进行控制，进而实现对腿部的控制。经过仿真分析和实验得出，应用距离函数法可以将两足端的最小距离控制在34.72mm处，有效的避免机器人在行进过程中腿部之间存在的碰撞问题。

关键词：四足机器人;运动规划;自碰撞;碰撞检测;距离函数法

DOI：10.15938/j.jhust.2020.05.010

中图分类号： TP242

文献标志码： A

文章编号： 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，机器人的运动方式主要有轮式、履带式和足式3种[1-2]。在应用方面，轮式和履带式机器人技术已相对成熟，但是存在着明显的不足，轮式机器人面对过于崎岖的路面或高度大于车轮半径的障碍物时，轮式机器人的运动就会受到限制;履带式机器人存在移动速度慢，能量利用率低等缺陷[3-4]。相对于轮式和履带式机器人，足式机器人落足点是离散的，在足的可達空间内选择最优支撑点[5-6]，跨越障碍，提高了对崎岖地面的适应能力，通过对运动步态的控制，进而控制运动速度，提高能量利用率[7]。采用液压方式驱动，可以使机器人具有更大的负载能力，并可在极短的时间内为机器人提供足够大的驱动力矩，用电液伺服作动器作为关节驱动单元，通过控制腿部机构在摆动相和支撑相间的切换实现机器人的运动[8-9]。四足机器人的运动规划既要考虑其身体部位与外界的碰撞，又要避免其自身身体部位的碰撞，而且机器人在运动过程中腿部相对位置是时变的[10]，相对于外界环境的碰撞，自碰撞运动的规划更为复杂，故本文从四足机器人运动过程中，避免腿部之间的碰撞这一问题出发，进行规划，实现自身的避碰。

在机器人自碰撞检测和规划方面已有许多成果，如吴长征，岳义等[11]针对双臂机器人运动规划过程中的自碰撞问题，提出了基于空间向量几何距离的机械臂自碰撞检测方法，并验证了该算法的有效性;Kwak，Park. [12]提出了一种基于反向传播神经网络的实时自碰撞检测方法，该法能明显减少自碰撞检测计算时间，但准确性仍有待提升。Dietrich A等[13]提出了一种基于人工排斥势场的避碰算法，为了提高运动的安全性，在控制器无法避免自碰撞的情况下，引入了基于动能考虑的附加紧急制动策略。Tanaka M，Tanaka K.[14]控制输入的关节角度用于关节限制和自碰撞避免。TuomoKivel等[15]提出了一种生成冗余机械手关节轨迹的方法，如果存在碰撞风险，控制器计算即将发生碰撞的确切点与碰撞对象间的最短距离，通过修改关节轨迹以避免碰撞。

以上方法均能在一定程度上控制机器人运动中自身的碰撞问题，但也存在一定问题。基于神经网络的搜索算法过于复杂;人工势场法无法避开局部极小值的问题;对于轨迹规划法需要综合考虑运动学、动力学等多方面因素的基础上来设计机器人轨迹规划曲线。而距离函数法具有方法简单、易使用的优点，它的基本原理是：控制机器人连杆与障碍物之间的距离，并避免计算的复杂性，而且能够保证机器人运动的稳定性和连续性[16]。

目前，对四足机器人的运动研究大多集中在walk、trot和bound步态上[17-21]，并未考虑到机器人在运动中自身腿部的干涉问题，但在实际运动过程中，确实存在腿部与腿部之间的碰撞，而且一旦发生，将严重影响运动的平稳性。对于这一问题，本文首先提出了对腿部间碰撞的检测，在运动过程中，通过距离函数法进行规划，达到腿部之间避免碰撞的目的。

1 四足机器人的自碰撞检测

四足机器人的自碰撞主要是指左右腿和前后腿之间的碰撞。在单条腿中，由于各关节具有运动极限，所以不考虑单腿中连杆间的碰撞。四足机器人的整体模型如图1所示。

2.2 足端避碰规划

机器人通过控制四条腿的运动带动机器人整体运动，建立四足机器人空间模型及相应的关节坐标系如图4所示。

4 结 论

本文将距离函数法应用到四足机器人的无碰撞运动规划当中，通过对机器人结构和运动的分析，总结了四种自碰撞检测模型，对机器人单腿建立了动力学方程和运动学求解，通过在ADAMS软件上的仿真和实验样机的验证，证明了应用距离函数法可以实现了机器人腿部的避碰运动。

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（編辑：王 萍）