双足机器人行走稳定性判据——支撑多边形、COG与ZMP理论原理

本站 2017-03-06 16:21 阅读()
导读:双足机器人为什么能像人一样稳定地行走,这里面又蕴含着怎样的科学原理呢?我们按机器人行走速度的不同分为两种情况分别考虑。...
        双足机器人为什么能像人一样稳定地行走,这里面又蕴含着怎样的科学原理呢?我们按机器人行走速度的不同分为两种情况考虑:
       当机器人慢速行走时(比如步速10秒/步甚至更长),机器人系统的惯性是可以忽略不计的,我们称这种步行模式为“静态步行”。根据静力学原理,只要机器人在步行的过程中,其重心COG(Center of Gravity)在地面的垂直投影点始终位于支撑多边形区域内(图1),机器人就可以稳定行走而不摔倒(图2),这称为双足机器人静态步行稳定性判据。机器人静态步行的缺点是行走速度非常迟缓,和人类的正常步速相差甚远,故而一般不被采用。
       当机器人行走速度提高时,由于惯性力的作用增强,静态步行稳定性判据将不再适用,我们称之为“动态步行”。为计入机器人惯性力的影响,1968年南斯拉夫学者M.Vukobratovic引入了零力矩点ZMP(Zero Moment Point)的概念,即机器人所受到的重力、惯性力和足部支撑力相当于ZMP的力矩之和为零(图3)。ZMP实际上是机器人重力与惯性力的合力在地面上的投影点。这样,机器人动态步行的稳定性判据(图4)为:机器人步行过程中,其ZMP始终位于支撑多边形区域内。如果ZMP严格存在于机器人的支撑区域中,机器人则绝对不会摔倒。


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