第 卷 第 期
年 月
广东工业大学学报
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｖｏｌ Ｎｏ
Ｍａｒｃｈ
收稿日期
作者简介 徐李超男硕士研究生主要研究方向为智能控制系统
一 种 仿 人 机 器 人 步 态 优 化 的 新 方 法 研 究
徐李超张祺
广东工业大学 自动化学院广东 广州
摘要 利用仿人机器人七连杆模型建立了机器人姿态的位置向量先用带参数的五次多项式拟合机器人髋关节的
位置曲线然后用非时间参考变量的方式规划出了踝关节和膝关节的运动轨迹在机器人步行的稳定区域内通过
遗传算法求得了 ＺＭＰ 点偏离脚掌中心距离的最大值从而确定了髋关节的参数实现了仿人机器人步态优化实
验证明该方法有效
关键词 仿人机器人非时间参考遗传算法步态优化
中图分类号 ＴＰ文献标志码 Ａ文章编号
Ｇａｉｔ Ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ ｏｆ Ｈｕｍａｎｏｉｄ Ｒｏｂｏｔｓ Ｕｓｉｎｇ ａ Ｎｅｗ Ｍｅｔｈｏｄ
Ｘｕ Ｌｉｃｈａｏ Ｚｈａｎｇ Ｑｉ
Ｆａｃｕｌｔｙ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｃｈｉｎａ
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｉｔ ｕｓｅｓ ｔｈｅ ｓｅｖｅｎｌｉｎｋ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｈｕｍａｎｏｉｄ ｒｏｂｏｔｓ ｔｏ ｅｓｔａｂｌｉｓｈ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｐｏｓｔｕｒｅ ｖｅｃｔｏｒＦｉｒｓｔ ａ
ｐｏｌｙｎｏｍｉｃａｌ ｅｑｕａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｆｉｖｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｆｉｔ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｈｉｐｓ ｃｕｒｖｅｓ ａｎｄ ｔｈｅｎ ａ ｎｏｎｔｉｍｅ ｒｅｆ
ｅｒｅｎｃｅ ｖａｒｉａｂｌｅ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｗｏｒｋ ｏｕｔ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔｓ ａｎｋｌｅ ａｎｄ ｋｎｅｅ ｔｒａｊｅｃｔｏｒｉｅｓＩｎ ｔｈｅ ｒｅｇｉｏｎ ｗｈｅｒｅ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ
ｃａｎ ｗａｌｋ ｓｔａｂｌｙ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔｓ ＺＭＰ ｄｅｖｉａｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｆｏｏｔ ｃｅｎｔｅｒ ｗａｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｂｙ
ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｇｅｎｅｔｉｃ ａｌｇｏｒｉｔｈｍＡｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｈｉｐ ｗｅｒｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｔｏ ｏｐｔｉｍｉｚｅ ｔｈｅ
ｈｕｍａｎｏｉｄ ｒｏｂｏｔ ｇａｉｔＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｈｕｍａｎｏｉｄ ｒｏｂｏｔｓ ｎｏｎｔｉｍｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｇｅｎｅｔｉｃ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｇａｉｔ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ
近 年来随着仿人机器人的深入研究国外
相继出现了如 ＡＳＩＭＯ
ＷＡＢＩＡＮＲ
ＨＲＰ
ＨＵＢＯ
等著名机器人它们都有着稳定的步行能
力国内对仿人机器人的研究也取得了一定的进展
如清华大学和北京金诺曼科技有限公司联合开发的
ＧＲＭＧＲＭ仿人机器人步态研究的重点
在于如何维持支撑脚与地面的相对瞬时固定使机
器人在运动过程中保持稳定步行而不发生翻倒或滑
倒目前衡量仿人机器人稳定性有两个主要的指标
一个是整个机器人的重心在地面投影点 Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ
ＧｒａｖｉｔｙＣＯＧＣＯＧ 对应的是静态稳定性另一个是
零力矩点
Ｚｅｒｏ Ｍｏｍｅｎｔ ＰｏｉｎｔＺＭＰＺＭＰ 对应于
动态稳定性静态稳定性只有在机器人运动非常缓
慢时才适用大多数情况机器人运动具有一定的速
度需考虑它的动态稳定性因此研究者们己经采
用了动态稳定性最普遍的是采用零力矩点作为仿
人机器人步态稳定性判定标准在机器人步行过程
中要保证其步行的稳定性就要使 ＺＭＰ 始终在支撑
脚稳定的区域内如图 所示ＺＭＰ 越靠近支撑域的
中心即 ＺＭＰ 点与稳定区域边界之间的稳定裕量越
大稳定性就越好当 ＺＭＰ 与支撑域中心重合机器
人步行稳定裕量最大抗颠覆能力最强ＺＭＰ 位置
可以通过控制关节力矩的方法进行间接控制
为
了实现机器人更快更稳定的行走有些学者提出了
一些方法如黄强
应用七连杆模型实现了机器人
的稳定步行但该方法遍历寻优耗时长对多参数甚
至不可解姜山等
用基于能量消耗的遗传算法优
化了步态但该方法运算复杂实时性难以保证梁
少芳
用多项式拟合的方式对机器人的步态进行了
规划但该方法阶数高规划出的步态轨迹容易出现
振荡针对上述问题本文采用一种非时间参考变
量
的多项式拟合的方法通过遗传算法优化步行
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