第2卷第4期 智能系统学报 Vol.2 Na 4 2007年8月 CAAI Transactions on Intelligent Systems Aug.2007 双足爬壁机器人壁面凹过渡步态规划研究 王洪光2，姜勇2，房立金赵明扬 (1.中国科学院沈阳自动化研究所机器人学重点实验室，辽宁沈阳110016；2.中国科学院研究生院，北京100049) 摘要：针对腿足式爬壁机器人在壁面过渡时的步态规划问题，以一种真空吸附式双足爬壁机器人为研究对象，在 步态分析的基础上，基于有限状态机建立了机器人的步态模型，进而提出了基于加权插值和BP神经网络的双足爬 壁机器人壁面凹过渡在线步态规划算法，为提高机器人壁面过渡的自主控制能力奠定了基础.仿真分析和实验结果 表明，该步态规划算法对于实际的机器人系统是有效的和可行的 关键词：双足爬壁机器人；有限状态机：壁面凹过渡；步态规划 中图分类号：TP24文献标识码：A文章编号：1673-4785(2007)04004006 Gait planning of concave transitions bet ween different slopes for bipedal wall-climbing robots WANG Hong guang'2 JIANG Yong'2,FAN GLi-jin',ZHAO Ming-yang' (1.Robotics Laboratory,Shenyang Institute of Automation,Chinese Academy of Sciences,Shenyang 110016,China;2.Grad- uate School,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China) Abstract:In order to solve the gait planning issue in wall transitions for bipedal wall-climbing robots fitted with vacuum suction cups,a gait model based on finite state machine was established after deep analysis of the robot's gait.On this basis,an omline gait planning algorithm for concave transitions was proposed based on weighted interpolation and BP neural networks.This lays a foundation for improving the ability of robots to transit complex walls under automatic control.Simulations and experiments show that the om line gait planning algorithm can successfully help wall-climbing robots complete a concave transition. Key words:bipedal wall-climbing robot;finite state machine;concave transition;gait planning 腿足式爬壁机器人是基于仿生学、机械设计、控 计的角度分析了四足爬壁机器人实现壁面过渡的步 制理论和人工智能等多学科交叉的一种特殊用途机 态可行性，但是对相应的步态规划方法并没有做深 器人.与轮式和履带式爬壁机器人相比，腿足式爬壁 入的研究J.Z.Xiao等在文献[3]中分析了微小型 机器人不仅可以在单一壁面上移动，而且也可以完 爬壁机器人CRA WL ER壁面凹过渡的步态过程， 成复杂的壁面过渡，具有较强的运动能力和灵活性， 提出了基于多传感器信息融合的步态控制方法，但 因此得到了广大研究学者的关注.所谓壁面过渡 对于步态规划中涉及的壁面交角与各个关节变量取 是指机器人从当前壁面移动到与此壁面相交一定角 值之间的关系并没有给出进一步的分析结果： 度的另外一个壁面上的过程，根据2个壁面之间交 Hyungseok Kim等在文献[4]中研究了四足爬壁机 角的大小可分为壁面凹过渡(<)和壁面凸过渡 器人MRWALLSPECTⅢI在三维环境下实现壁面 (>)2种情况. 过渡的步态规划问题，通过建立机器人与环境的几 针对腿足式爬壁机器人的特殊机构，如何规划 何模型分别推导出壁面凹过渡和凸过渡的各个步态 其步态以实现自主壁面过渡是此类机器人研究的一 参数的离线计算方法，对于如何实现机器人的在线 个难点问题.A.Alsalam等在文献[2]中从机构设 步态规划并未给出具体的解决办法」 收稿日期：200611-27. 本文以一种真空吸附式双足爬壁机器人为研究 基金项目：国家高技术研究发展计划资助项目(2004AA4201102) 对象，针对机器人壁面凹过渡的步态规划问题，在步 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net第 2 卷第 4 期 智 能 系 统 学 报 Vol. 2 №. 4 2007 年 8 月 CAAI Transactions on Intelligent Systems Aug. 2007 双足爬壁机器人壁面凹过渡步态规划研究 王洪光1 ,2 , 姜 勇1 ,2 ,房立金1 ,赵明扬1 (1. 中国科学院 沈阳自动化研究所机器人学重点实验室 , 辽宁 沈阳 110016 ;2. 中国科学院 研究生院 ,北京 100049) 摘 要 :针对腿足式爬壁机器人在壁面过渡时的步态规划问题 ,以一种真空吸附式双足爬壁机器人为研究对象 ,在 步态分析的基础上 ,基于有限状态机建立了机器人的步态模型 ,进而提出了基于加权插值和 BP 神经网络的双足爬 壁机器人壁面凹过渡在线步态规划算法 ,为提高机器人壁面过渡的自主控制能力奠定了基础. 仿真分析和实验结果 表明 ,该步态规划算法对于实际的机器人系统是有效的和可行的. 关键词 :双足爬壁机器人 ;有限状态机 ;壁面凹过渡 ;步态规划 中图分类号 : TP24 文献标识码 :A 文章编号 :167324785 (2007) 0420040206 Gait planning of concave transitions between different slopes for bipedal wall2climbing robots WAN G Hong2guang 1 ,2 ,J IAN G Yong 1 ,2 ,FAN G Li2jin 1 ,ZHAO Ming2yang 1 (1. Robotics Laboratory , Shenyang Institute of Automation , Chinese Academy of Sciences , Shenyang 110016 , China ; 2. Grad2 uate School ,Chinese Academy of Sciences , Beijing 100049 , China) Abstract :In order to solve t he gait planning issue in wall transitions for bipedal wall2climbing robots fitted with vacuum suction cup s , a gait model based on finite state machine was established after deep analysis of t he robot’s gait. On t his basis , an on2line gait planning algorit hm for concave transitions was proposed based on weighted interpolation and BP neural networks. This lays a foundation for improving the ability of robots to transit complex walls under automatic control. Simulations and experiments show that t he on2 line gait planning algorit hm can successf ully help wall2climbing robots complete a concave transition. Keywords :bipedal wall2climbing robot ; finite state machine ; concave transition ; gait planning 收稿日期 :2006211227. 基金项目 :国家高技术研究发展计划资助项目(2004AA4201102) . 腿足式爬壁机器人是基于仿生学、机械设计、控 制理论和人工智能等多学科交叉的一种特殊用途机 器人. 与轮式和履带式爬壁机器人相比 ,腿足式爬壁 机器人不仅可以在单一壁面上移动 ,而且也可以完 成复杂的壁面过渡 ,具有较强的运动能力和灵活性 , 因此得到了广大研究学者的关注[1 ] . 所谓壁面过渡 是指机器人从当前壁面移动到与此壁面相交一定角 度的另外一个壁面上的过程 ,根据 2 个壁面之间交 角θ的大小可分为壁面凹过渡(θ<π) 和壁面凸过渡 (θ>π) 2 种情况. 针对腿足式爬壁机器人的特殊机构 ,如何规划 其步态以实现自主壁面过渡是此类机器人研究的一 个难点问题. A. Alsalam 等在文献[ 2 ]中从机构设 计的角度分析了四足爬壁机器人实现壁面过渡的步 态可行性 ,但是对相应的步态规划方法并没有做深 入的研究 ;J. Z. Xiao 等在文献[ 3 ]中分析了微小型 爬壁机器人 CRAWL ER 壁面凹过渡的步态过程 , 提出了基于多传感器信息融合的步态控制方法 ,但 对于步态规划中涉及的壁面交角与各个关节变量取 值之间的关系并没有给出进一步的分析结果 ; Hyungseok Kim 等在文献[ 4 ]中研究了四足爬壁机 器人 MRWALL SPECT Ⅲ在三维环境下实现壁面 过渡的步态规划问题 ,通过建立机器人与环境的几 何模型分别推导出壁面凹过渡和凸过渡的各个步态 参数的离线计算方法 ,对于如何实现机器人的在线 步态规划并未给出具体的解决办法. 本文以一种真空吸附式双足爬壁机器人为研究 对象 ,针对机器人壁面凹过渡的步态规划问题 ,在步