双足机器人简单步态生成

   让机器人行走最简单的方法是先得到一组步态曲线,即腿部每个关节随时间运动的角度值。可以在ADAMS或3D Max、Blender等软件中建立好机构/骨骼模型,设计出脚踝和髋关节的运动曲线,然后进行逆运动学解算,测量每个关节在运动过程中的转角,最后将得到的曲线导出。拿到曲线数据后我们就可以用单片机读取,然后发送给机器人的舵机去执行运行。这种方法的缺点是机器人只能按照固定的步态行走,不够灵活,比如抬脚高度、步长等参数都是定死的,如果需要修改还得再使用别的软件导出新的步态数据。

  最简单的腿部结构如下图所示,在髋关节、膝关节和踝关节各有一个转动自由度,可以通过三角形余弦定理求得机构的运动学逆解。这种机器人只能在矢状面上直线前进,不能转弯。对行走过程进行一定的简化和假设:

1. 髋关节始终保持恒定的高度(实际上会有微小的波动)

2. 机器人脚面始终平行于地面

  为了确定每个关节的角度,需要设计行走过程中踝关节点的运动轨迹。这里采用简单的正弦曲线作为其轨迹(也可以采用样条曲线、Bézier 曲线等),正弦曲线的幅值对应抬脚最大高度。

 

  在Python中实现导入双腿模型文件,生成指定的步态数据后让其循环运动,就可以模拟机器人行走。代码如下(很糙...只是实现了基本功能,细节还有待完善)

#!/usr/bin/env python
import vtk
import math
from vtk.util.colors import *
import numpy as np
import timeactor  = list()   # the list of links
filenames = ["link-1.stl","link-2.stl","link-3.stl","link-4.stl","link-5.stl","link-6.stl"]
renWin = vtk.vtkRenderWindow()joint1 = vtk.vtkAssembly()
joint2 = vtk.vtkAssembly()
joint3 = vtk.vtkAssembly()
joint4 = vtk.vtkAssembly()
joint5 = vtk.vtkAssembly()
joint6 = vtk.vtkAssembly()ThighLength = 100.0
ShankLength = 100.0
HipHeight = 180.0
FootLift = 10
StrideLength = 60
Subdivision = 20leg_joint = np.zeros(3, dtype=np.float)
patterns = np.zeros((2*Subdivision ,6), dtype=np.float)
_p = 0txt = vtk.vtkTextActor()
distance = 0.0def Rad2Deg(rad):return  rad * 180.0 / math.pidef FootHeight(x): return (HipHeight - FootLift * math.cos(abs(x * math.pi / StrideLength)))def LegIK(x, y):global leg_jointdist = math.sqrt(x**2 + y**2)leg_joint[0] = math.acos(dist / (2 * ShankLength)) + math.atan2(x, y)leg_joint[1] = math.pi - math.acos((ThighLength**2 + ShankLength**2 - dist**2) / (2 * ThighLength* ShankLength))leg_joint[2] = leg_joint[1] - leg_joint[0]def GenerateGait():global leg_jointglobal patterns# Move left leg forward.  for i in range(Subdivision):x = (i - Subdivision/2) * (StrideLength / Subdivision)y = FootHeight(x)        LegIK(x, y)            patterns[i, :3] = Rad2Deg(leg_joint)# Move left leg backward.  for i in range(Subdivision):x = (Subdivision/2 - i) * (StrideLength / Subdivision)y = HipHeightLegIK(x, y)                patterns[i+Subdivision, :3] = Rad2Deg(leg_joint)  # Build right leg from phase shift clone of left. for i in range(2*Subdivision):patterns[i, 3:] = -patterns[(i + Subdivision) % (2*Subdivision), :3]# Customize vtkInteractorStyleTrackballCamera 
class MyInteractor(vtk.vtkInteractorStyleTrackballCamera):def __init__(self,parent=None):self.AddObserver("CharEvent",self.OnCharEvent)self.AddObserver("KeyPressEvent",self.OnKeyPressEvent)def OnCharEvent(self,obj,event):passdef OnKeyPressEvent(self,obj,event):global _pglobal distance# Get the compound key strokes for the eventkey = self.GetInteractor().GetKeySym()GenerateGait()if(key == "Return"):# start animationjoint1.SetPosition(0, 0, HipHeight-ThighLength-ShankLength)joint4.SetPosition(0, 0, HipHeight-ThighLength-ShankLength)if (_p == 2*Subdivision):_p = 0joint1.SetOrientation(0, -patterns[_p][0], 0)joint2.SetOrientation(0, patterns[_p][1], 0)joint3.SetOrientation(0, -patterns[_p][2], 0)joint4.SetOrientation(0, patterns[_p][3], 0)joint5.SetOrientation(0, -patterns[_p][4], 0)joint6.SetOrientation(0, patterns[_p][5], 0)_p = _p + 1distance = distance + StrideLength/(2 * Subdivision * 1000.0)txt.SetInput("Distance: " + str(distance) + "m")renWin.Render()returndef CreateCoordinates():# create coordinate axes in the render windowaxes = vtk.vtkAxesActor() axes.SetTotalLength(40, 40, 40)  # Set the total length of the axes in 3 dimensions # Set the type of the shaft to a cylinder:0, line:1, or user defined geometry. 
    axes.SetShaftType(0) transform = vtk.vtkTransform() transform.Translate(0.0, 0.0, 200.0)axes.SetUserTransform(transform)axes.SetCylinderRadius(0.02) axes.GetXAxisCaptionActor2D().SetWidth(0.03) axes.GetYAxisCaptionActor2D().SetWidth(0.03) axes.GetZAxisCaptionActor2D().SetWidth(0.03) return axesdef CreateGround():# create plane sourceplane = vtk.vtkPlaneSource()plane.SetXResolution(20)plane.SetYResolution(20)plane.SetCenter(0,0,0)plane.SetNormal(0,0,1)# mappermapper = vtk.vtkPolyDataMapper()mapper.SetInputConnection(plane.GetOutputPort())# actoractor = vtk.vtkActor()actor.SetMapper(mapper)actor.GetProperty().SetRepresentationToWireframe()actor.GetProperty().SetColor(light_grey)transform = vtk.vtkTransform()transform.Scale(400,400,1)actor.SetUserTransform(transform)return actordef LoadSTL(filename):reader = vtk.vtkSTLReader()reader.SetFileName(filename)mapper = vtk.vtkPolyDataMapper() # maps polygonal data to graphics primitives
    mapper.SetInputConnection(reader.GetOutputPort())actor = vtk.vtkLODActor() actor.SetMapper(mapper)return actor   # represents an entity in a rendered scenedef CreateScene():# Create a rendering window and rendererren = vtk.vtkRenderer()renWin.AddRenderer(ren)# Create a renderwindowinteractoriren = vtk.vtkRenderWindowInteractor()iren.SetRenderWindow(renWin)style = MyInteractor()style.SetDefaultRenderer(ren)iren.SetInteractorStyle(style)for id, file in enumerate(filenames):actor.append(LoadSTL(file))r = vtk.vtkMath.Random(.4, 1.0)g = vtk.vtkMath.Random(.4, 1.0)b = vtk.vtkMath.Random(.4, 1.0)actor[id].GetProperty().SetDiffuseColor(r, g, b)actor[id].GetProperty().SetDiffuse(.8)actor[id].GetProperty().SetSpecular(.5)actor[id].GetProperty().SetSpecularColor(1.0,1.0,1.0)actor[id].GetProperty().SetSpecularPower(30.0)joint1.AddPart(actor[0])joint1.AddPart(joint2)joint2.AddPart(actor[1])joint2.AddPart(joint3)joint3.AddPart(actor[2])joint4.AddPart(actor[3])joint4.AddPart(joint5)joint5.AddPart(actor[4])joint5.AddPart(joint6)joint6.AddPart(actor[5])joint1.SetOrigin(0, 0, 200)joint4.SetOrigin(0, 0, 200)joint2.SetOrigin(0, 0, 100)joint5.SetOrigin(0, 0, 100)ren.AddActor(joint1)ren.AddActor(joint4)# Add coordinatesaxes = CreateCoordinates()ren.AddActor(axes)# Add groundground = CreateGround()ren.AddActor(ground)# create a text actortxt.SetInput("Distance: 0m")txtprop=txt.GetTextProperty()txtprop.SetFontFamilyToArial()txtprop.SetFontSize(18)txtprop.SetColor(1,1,1)txt.SetDisplayPosition(450,550)# assign actor to the renderer
    ren.AddActor(txt)# Set background colorren.SetBackground(.1, .1, .1)# Set window sizerenWin.SetSize(600, 600)# Enable user interface interactor
    iren.Initialize()iren.Start()if __name__ == "__main__":CreateScene()
View Code

  按住回车键,一帧一帧播放动画。最后的效果是这样的:

 

 

参考:

https://github.com/Rhoban/IKWalk

Using Inverse Kinematics to Develop a Biped Robot Walking Gait C#

8 DOF Biped Robot using Dynamixel AX-12A Servos and Arduino

转载于:https://www.cnblogs.com/21207-iHome/p/6052159.html

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