基于离散化的六足机器人自由步态生成算法

doi:10.3901/JME.2016.03.018

机械工程学报 ›› 2016, Vol. 52 ›› Issue (3): 18-25.doi: 10.3901/JME.2016.03.018

扫码分享

基于离散化的六足机器人自由步态生成算法

李满宏, 张明路, 张建华, 张小俊

1. 河北工业大学机械工程学院天津 300130；
2. 哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室哈尔滨 150080

收稿日期:2015-01-18 修回日期:2015-11-26 出版日期:2016-02-05 发布日期:2016-02-05
通讯作者: 张小俊，男，1980年出生，博士，副教授。主要研究方向为机器人技术、机器人嗅觉。 E-mail：xjzhang@hebut.edu.cn
作者简介:李满宏，男，1987年出生，博士，讲师。主要研究方向为机器人运动学。 E-mail：lmh9181219@163.com
基金资助:
国家自然科学基金(61473113)、河北省自然科学基金(E2014202154)和机器人技术与系统国家重点实验室开放研究项目(SKLRS-2013-ZD-04)资助项目

Free Gait Generation Algorithm for a Hexapod Robot Based on Discretization

LI Manhong, ZHANG Minglu, ZHANG Jianhua, ZHANG Xiaojun

1. School of Mechanical Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300130;
2. State Key Laboratory of Robotics and System, Harbin Institute of Technology, Harbin 150080

Received:2015-01-18 Revised:2015-11-26 Online:2016-02-05 Published:2016-02-05

摘要/Abstract

摘要： 为精细模仿生物步态，充分发挥六足机器人运动潜能，在离散化机器人单足工作空间的基础上，融合中枢模式发生器(Central pattern generators, CPG)模型与反射模型的核心思想，建立离散化步态模型，基于稳定性分析，构建机器人稳定的位置状态空间，将步态规划问题转化为稳定的位置状态空间中位置状态间的排序问题，在此基础上，提出一种新的自由步态生成算法，并结合试验样机开展步态试验。试验结果表明，自由步态生成算法可根据给定的速度要求生成符合生物运动特点的稳定步态以实现机器人的灵活运动。

关键词: 步态规划, 离散化, 六足机器人, 自由步态

Abstract: In order to imitate biological gait subtly and develop the movement potential of the hexapod robot comprehensively, a discrete model of stepping is built based on the discretization of foot workspaces and the fusion of central pattern generators (CPG) model and reflect model. Based on the stability analysis, the stable state space is constructed and the issue of gait planning is transformed into the reordering problem of states in the stable state space. Then a new free gait generation algorithm is proposed and different gait experiments tailored for a hexapod robot are conducted to verify the effectiveness of the algorithm. The results show the free gait generation algorithm can generate stable gait which accords with motion characteristics of creatures according to the given speed to achieve movements flexibly.

Key words: discretization, free gait, gait planning, hexapod robot

中图分类号:

TP242

李满宏, 张明路, 张建华, 张小俊. 基于离散化的六足机器人自由步态生成算法[J]. 机械工程学报, 2016, 52(3): 18-25.

LI Manhong, ZHANG Minglu, ZHANG Jianhua, ZHANG Xiaojun. Free Gait Generation Algorithm for a Hexapod Robot Based on Discretization[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2016, 52(3): 18-25.

参考文献

[1] CHEN Xi，WANG Liquan，YE Xiufen，et al. Prototype development and gait planning of biologically inspired multi-legged crablike robot[J]. Mechatronics，2013，23(4)：429-444.
[2] BARFOOT T D，EARON E P. Experiments in learning distributed control for a hexapod robot[J]. Robotics and Autonomous Systems，2006，54(10)：864-872.
[3] SERVET S，HASAN A. Kinematic and dynamic analysis of a hexapod walking–running–bounding gaits robot and control actions[J]. Computers and Electrical Engineering，2012，38(2)：444-458.
[4] ZHAO Danpu，XU Jing，WU Dan，et al. Gait definition and successive gait-transition method based on energy consumption for a quadruped[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering，2012，25(1)：29-37.
[5] 庄红超，高海波，邓宗全，等. 电驱动重载六足机器人关节转速分析方法[J]. 机械工程学报，2013，49(23)：44-52. ZHUANG Hongchao，GAO Haibo，DENG Zongquan，et al. Method for analyzing articulated rotating speeds of heavy-duty six-legged robot[J]. Journal of Mechanical Engineering，2013，49(23)：44-52.
[6] 陈学冬，孙翊，贾文川. 多足步行机器人运动规划与控制[M]. 武汉：华中科技大学出版社，2006. CHEN Xuedong，SUN Ye，JIA Wenchuan. Motion planning and control of multilegged walking robot[M]. Wuhan：Huazhong University of Science & Technology Press，2006.
[7] ERDEN M S，KEMAL L. Free gait generation with reinforcement learning for a six-legged robot[J]. Robotics and Autonomous Systems，2008，56(3)：199-212.
[8] PABLO K，TEODOR M. Phase oscillator neural network as artificial central pattern generator for robots[J]. Neurocomputing，2012，97(1)：115-124.
[9] 王刚，张立勋，王立权. 仿蟹机器人交错等相位波形步态研究[J]. 机器人，2011，33(1)：237-243. WANG Gang，ZHANG Lixun，WANG Liquan. On alternating equal-phase wave gait of crab-like robot[J]. Robot，2011，33(1)：237-243.
[10] TWICKEL A V，HILD M，SIEDEL T，et al. Neural control of a modular multi-legged walking machine：Simulation and hardware[J]. Robotics and Autonomous Systems，2012，60(2)：227–241.
[11] PORTA J M，CELAYA E. Reactive free-gait generation to follow arbitrary trajectories with a hexapod robot[J]. Robotics and Autonomous Systems，2004，47(4)：187-201.
[12] 陈甫，臧希喆，赵杰，等. 六足步行机器人仿生机制研究[J]. 机械与电子，2009，9：53-56. CHEN Fu，ZANG Xijie，ZHAO Jie，et al. Research on biomimetics mechanism of hexapod walking robot[J]. Machinery & Electronics，2009，9：53-56.
[13] 董玮，王如彬，张志康. 大脑皮层信号作用下人体步态节律运动的探讨[J]. 中国生物医学工程学报，2010，2：247-252. DONG Wei，WANG Rubin，ZHANG Zhikang. Human rhythmic gait movement in the role of cerebral cortex signal[J]. Chinese Journal of Biomedical Engineering，2010，2：247-252.
[14] CRISTINA P S，VITOR M. Gait transition and modulation in a quadruped robot：A brainstem-like modulation approach[J]. Robotics and Autonomous Systems，2011，59(9)：620-634.
[15] CRISTINA P S，VITOR M. CPG modulation for navigation and omnidirectional quadruped locomotion[J]. Robotics and Autonomous Systems，2012，60(6)：912-927.
[16] 黄博，姚玉峰，孙立宁. 基于中枢神经模式的四足机器人步态控制[J]. 机械工程学报，2010，46(7)：1-6. HUANG Bo，YAO Yufeng，SUN Lining. Quadruped robot gait control based on central pattern generator[J]. Journal of Mechanical Engineering，2010，46(7)：1-6.
[17] 黄麟，韩宝玲，罗庆生，等. 仿生六足机器人步态规划策略实验研究[J]. 华中科技大学学报，2007，35(12)：72-75. HUANG Lin，HAN Baoling，LUO Qingsheng，et al. Experimental study on hexapod biomimetic robot’s gait planning[J]. J. Huazhong Univ. of Sci. & Tech.，2007，35(12)：72-75.
[18] 陈甫. 六足仿生机器人的研制及其运动规划研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009. CHEN Fu. Development of hexapod biomimetic robot and research on its motion planning issue[D]. Harbin：Harbin Institute of Technology，2009.
[19] ESTREMERA J，COBANO J A. Continuous free-crab gaits for hexapod robots on a natural terrain with forbidden zones：An application to humanitarian demining[J]. Robotics and Autonomous Systems，2010，58(5)：700-711.
[20] XU Kun，DING Xilun. Typical gait analysis of a six-legged robot in the context of metamorphic mechanism theory[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering，2013，26(4)：771-783.

基于离散化的六足机器人自由步态生成算法

Free Gait Generation Algorithm for a Hexapod Robot Based on Discretization

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	张小俊, 吴亚淇, 刘昊学, 钟道方. 轮足式磁吸附越障爬壁机器人设计与分析[J]. 机械工程学报, 2024, 60(1): 248-261.
[2]	庄红超, 王柠, 董凯伦, 李卫华, 周安亮, 董磊, 夏怡芦. 非完整约束大负重比六足机器人多机动态协同编队避障控制策略[J]. 机械工程学报, 2024, 60(1): 284-295.
[3]	刘春景, 唐敦兵, 陈兴强, 魏天路. 基于改进完全离散化法铣削系统稳定性研究[J]. 机械工程学报, 2023, 59(15): 162-173.
[4]	周金宇, 王志凌, 程锦翔, 韩文钦. 面向离散化临界状态空间的重要抽样法[J]. 机械工程学报, 2023, 59(14): 352-360.
[5]	魏巍, 庄哲明, 唐昭, 戴建生. 基于3-RSR并联机构的蛇形机器人本体构型设计与运动性能研究[J]. 机械工程学报, 2021, 57(23): 21-33.
[6]	赵子铭, 李晔卓, 姚燕安, 李锐明, 张倩倩. 6-URU支链四面体移动机构的越障步态规划[J]. 机械工程学报, 2021, 57(23): 85-96.
[7]	张明路, 王哲, 李满宏, 张建华, 陈俊杰. 基于足端位置的六足机器人漫游地形感知与表征[J]. 机械工程学报, 2021, 57(19): 48-60.
[8]	尤波, 李鲲鹏, 李佳钰, 刘大权. 单腿失效的六足机器人失稳调整与容错步态设计[J]. 机械工程学报, 2021, 57(1): 100-109.
[9]	李满宏, 张明路, 张建华, 田颖, 马艳悦. 基于增强学习的六足机器人自由步态规划[J]. 机械工程学报, 2019, 55(5): 36-44.
[10]	王冠宇, 丁亮, 高海波, 刘逸群, 刘宇飞, 刘振, 邓宗全. 增强爬坡能力的六足机器人分步二次规划足力分配算法及试验验证[J]. 机械工程学报, 2019, 55(21): 11-20.
[11]	张程煜, 郭盛, 赵福群. 新型轮腿复合机器人的运动分析及步态研究[J]. 机械工程学报, 2019, 55(15): 145-153.
[12]	杨雪锋, 郭振武, 王斌锐, 王凌, 金英连. 基于带反馈Hopf振荡器的六足机器人斜坡步态发生器设计[J]. 机械工程学报, 2018, 54(21): 41-48.
[13]	王雷, 邓宗全, 武练梅, 汪豪蒂. 压电圆环结构动刚度控制有限差分仿真分析[J]. 机械工程学报, 2018, 54(18): 115-122.
[14]	秦国华, 王子琨, 吴竹溪, 鲁宇明. 基于表面网格离散化与遗传算法的复杂工件装夹布局规划方法^*[J]. 机械工程学报, 2016, 52(13): 195-203.
[15]	甄伟鲲, 康熙, 张新生, 戴建生. 一种新型四足变胞爬行机器人的步态规划研究[J]. 机械工程学报, 2016, 52(11): 26-33.