CN104267720B - 一种四足仿生机器人的自由步态生成方法 - Google Patents

Abstract

一种四足仿生机器人的自由步态生成方法，是将四足机器人的整个自由步态按运动周期进行规划，每个运动周期分为四足支撑阶段和迈步阶段；在四足支撑阶段，机器人的四只足均处于支撑相，机器人的重心沿前进方向和前进方向的侧方向移动，在前进方向上，机器人移动当前状态允许的最大前进距离，在侧方向上，同时兼顾机器人的稳定性以及能量消耗确定移动距离；在迈步阶段，机器人的一只足处于摆动相，其余三只足处于支撑相；当某个运动周期中的摆动足接触地面时，机器人将进行下一个运动周期的运动规划。该方法有效地提高了四足机器人的地形适应性，能够提高机器人稳定性，保证机器人运动的连续性，降低能耗，提高平均运动速度。

Description

一种四足仿生机器人的自由步态生成方法

技术领域

本发明涉及一种生成四足仿生机器人自由步态的方法，使得四足仿生机器人能够通过崎岖度较高的地形，属于机器人控制技术领域。

背景技术

四足仿生机器人具有在崎岖度较高的地形上行走的能力，而步态规划是四足仿生机器人能够顺利通过复杂地形的基础。四足机器人一般采用自由步态在复杂度较高的崎岖地形上行走，对自由步态合理地规划能使四足仿生机器人顺利通过多种不同崎岖度的地形。

当使用自由步态行进时，四足机器人不按预先设定的模式运动，而是根据机器人自身状态及地形信息进行实时步态规划。崎岖度较高的地形中包含的适合机器人落足的区域数量有限且离散，如何根据地形信息以及机器人自身的机械结构约束合理地规划自由步态的生成方法，是使四足机器人顺利通过复杂地形的关键问题。

目前，国内对四足机器人的自由步态生成的研究较少，国外的研究人员提出了一些自由步态的生成方法，以期提高四足机器人通过复杂地形的能力。但是，这些自由步态生成方法普遍存在着对机器人的稳定性、运动的连续性、快速性和灵活性等实际应用方面考虑不足等问题。有鉴于此，对于四足机器人的自由步态生成，必须充分考虑实际的应用问题，以提高机器人在行走过程中的稳定性、快速性和灵活性，保证机器人运动的连续性为目标，使生成的自由步态，易于应用且符合实际需要。

发明内容

本发明针对现有四足机器人自由步态生成方法存在的不足，提供一种能够提高机器人稳定性，保证机器人运动的连续性的四足仿生机器人的自由步态生成方法，该方法还能够降低能耗，提高平均运动速度，使四足机器人以最短的时间自主地通过崎岖度较高的地形。

本发明的四足仿生机器人的自由步态生成方法，是：

将四足机器人的整个自由步态按运动周期进行规划，每个运动周期分为四足支撑阶段和迈步阶段；在四足支撑阶段，机器人的四只足均处于支撑相，在这个阶段，机器人的重心沿前进方向和前进方向的侧方向移动，在前进方向上，机器人移动当前状态允许的最大前进距离(以提高机器人的平均运动的速度，使机器人以最短的时间通过复杂地形)，在侧方向上，同时兼顾机器人的稳定性以及能量消耗确定移动距离(在增大机器人稳定性的同时降低能耗)；在迈步阶段，机器人的一只足处于摆动相，其余三只足处于支撑相，摆动足沿规划的足底轨迹摆动至选定的落足点，在摆动足摆动时，机器人的躯干保持静止(能够避免因支撑足的支撑运动造成足底滑动，而使机器人向摆动腿倾倒而失去稳定性的情况)；

当某个运动周期中的摆动足接触地面时，机器人将进行下一个运动周期的运动规划，然后机器人按照规划进行运动，完成一个完整的运动周期，具体包括以下步骤：

(1)根据机器人四只足的运动学裕度，选择运动学裕度最小的足作为接下来要摆动的足，然后根据机器人的位置，以及提前预知的地形信息，为选定的摆动足搜寻最优的落足点，之后，根据目标落足点为摆动足规划足底摆动轨迹；

(2)规划机器人的重心摆动轨迹，保证机器人的摆动足在向前摆动的过程中机器人具有足够的稳定性；

(3)机器人沿规划的重心摆动轨迹主动摆动重心；

(5)机器人抬起选定的摆动足向前摆动；

(6)摆动足的足底触地时(由触底传感器检测)，转到步骤(1)，重复整个过程。

本发明具有以下特点：

1.使四足机器人在行走过程中始终拥有足够的稳定裕度，有效地提高了四足机器人的地形适应性；

2.考虑了机器人运动的连续性，机器人在运动过程中能够保证其躯干运动的速度和加速度连续，有效地避免了出现速度或加速度突变而造成机器人失去稳定性的情况；

3.兼顾了运动过程中的能耗，使机器人运动具有低能耗的特点；

4.提高了机器人的运动速度，是机器人在稳定的前提下，以最短的时间通过复杂地形。

附图说明

图1为十二自由度四足仿生机器人的结构模型图。

图2为用高低不同，距离不一的立柱表示复杂地形的示意图。

图3为机器人的初始坐标{I}和机体坐标系{B}的示意图。

图4机器人的支撑足的投影以及水平地面上的二维坐标系{G}的示意图。

图5机器人足的工作空间在水平地面上投影的俯视图。

图6机器人运动状态示意图。

图7机器人重心轨迹规划中的相关参数的示意图。

图8机器人摆动足的足底轨迹的示意图。

具体实施方式

以图1所示的十二自由度四足机器人通过图2所示的崎岖地形为例，对四足机器人自由步态的生成方法作详细描述。图3为四足机器人在初始位置时的状态，坐标系{B}为机体坐标系，其原点与机器人重心重合，坐标系{I}为初始坐标系，其原点位于水平地面上。

本发明中的自由步态生成方法是基于两个假设条件提出来的。第一，机器人躯干的质量分布均匀，机器人的重心与躯干的几何中心重合；第二，提前已知地形中所有适合机器人落足的点，并给出这些点在坐标系{I}中的坐标：

$P={\left(p_i\right)}_{i=0}^n=\{p_1(x_1,y_1,z_1),p_2(x_2,y_2,z_2)...p_n(x_n,y_n,z_n)\}---\left(1\right)$

其中，n表示地形中所有可落足点的个数，P_i(x_i，y_i，z_i)表示地形中第i个适合机器人的落足点，x_i，y_i和z_i分别表示该点在坐标系{I}中的坐标。

机器人的行走过程是由一系列的运动周期组成，如图6所示。图6中，黑色部分表示机器人处于四足支撑阶段，白色部分表示机器人处于迈步阶段。当某个运动周期中的摆动足刚刚接触地面时，称这时的机器人处于运动规划状态。在这个状态中，机器人的四只足全部为支撑足，机器人将为下一运动周期进行自由步态规划。

下面以第N个运动周期为例，详细描述机器人在一个运动周期中自由步态的生成。

A.第N个运动周期的运动规划状态

在机器人的运动规划状态中，将机器人的四只支撑足投影到水平地面上，并定义一个二维坐标系{G},其原点与机器人重心在水平地面上的投影重合，x轴指向机器人的前进方向，y轴指向前进方向的侧方向，如图4所示。

在机器人运动规划状态中的具体规划内容如下：

(1)确定摆动足

定义在第N个运动周期中的摆动足为摆动足N。在机器人的运动规划状态中，机器人将按照规划从四只足中选定合适的足作为摆动足N。由于自身机械结构的限制，机器人每只足的运动都不能超出其工作空间。足在工作空间中的运动能力可以用运动学裕度来衡量。图5中的虚线矩形表示机器人足的工作将空间在水平地面上的投影，支撑足的运动学裕度定义为由机器人支撑足在水平地面的投影点，沿-^Ix方向到达工作空间边界的直线距离。

由图5中所示的标注尺寸，可分别得到4只足在坐标系{G}的运动范围：

$\left\{\begin{array}{c}{d}_L\≤x_1^G\≤d_L+L\\ -d_W-W\≤y_1^G\≤-d_W\end{array}\right.,---\left(2\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{d}_L\≤x_2^G\≤d_L+L\\ d_W\≤y_2^G\≤d_W+W\end{array}\right.,---\left(3\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{-d}_L-L\≤x_3^G\≤{-d}_L\\ -d_W-W\≤y_3^G\≤-d_W\end{array}\right.,---\left(4\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{-d}_L-L\≤x_4^G\≤{-d}_L\\ d_W\≤y_4^G\≤{W+d}_W\end{array}\right.,---\left(5\right)$

假设机器人1号足到4号足的投影在坐标系{G}中的位置分别为f₁(x₁,y₁)，f₂(x₂,y₂)，f₃(x₃,y₃)，f₄(x₄,y₄),则可分别得到其运动学裕度：

KM₁＝x₁-(-d_L)， (6)

KM₂＝x₂-(-d_L)， (7)

KM₃＝x₃-(-d_L-L)， (8)

KM₄＝x₄-(-d_L-L)， (9)

机器人在向前运动的过程中，运动学最小的足将首先到达机器人运动空间的后边界，因而，为防止机器人因某只足达到工作空间的边界而限制其运动能力，选择运动学裕度最小的足作为摆动足N。

(2)规划重心摆动轨迹

当摆动足N确定之后，需要规划机器人在四足支撑阶段的重心摆动轨迹，使四足机器人在经过四足支撑阶段的重心摆动之后，能够保证机器人在迈步阶段的稳定性。

以4号足为选定摆动足N为例，描述重心摆动轨迹的生成过程，其中，坐标系{G}是机器人重心摆动轨迹规划的参考坐标系。

假设图7所示的机器人状态中，1号足到4号足的投影在坐标系{G}中的位置分别为P₁(x₁,y₁)，P₂(x₂,y₂)，P₃(x₃,y₃)，P₄(x₄,y₄)，机器人重心的投影在四足支撑阶段结束时的位置为P_D(x_D,y_D)。

在四足支撑阶段，机器人的重心沿前进方向移动的同时，通过在侧方向移动，保证在接下的迈步阶段中机器人的稳定性。因此，要规划机器人重心的移动轨迹，首先应分别确定机器人的重心在四足支撑阶段沿前进方向上的移动距离M_x和沿侧方向上的移动距离M_y。由于在运动规划中坐标系{G}的原点与重心的投影重合，因而，重心的投影在四足支撑阶段结束时的位置P_D的横纵坐标分别与M_x和M_y相等。

机器人在前进方向上，将摆动足N的运动学裕度作为机器人在四足支撑阶段的移动距离。摆动足N是运动规划状态中运动学裕度最小的足，在机器人的前进过程中将最先到达工作空间的边界，将摆动足N的运动学裕度作为机器人在四足支撑阶段的移动距离，可使机器人在每个运动周期中获得最大的前进量，保证以最短的时间通过复杂地形。因此，可得到重心在四足支撑阶段沿前进方向上的移动距离M_x：

M_x＝x_D＝KM₄ (10)

机器人通过在侧方向上的运动的可以增加稳定裕度，但过大的运动量会造成大的能量消耗。因而，兼顾机器人的稳定性与能量消耗，只要求机器人在经过四足支撑阶段的重心调整后，能够保证在接下来的迈步阶段中，机器人的运动学裕度等于最小稳定裕度。

图7中的三角形区域为在4号足摆动时机器人的支撑三角形。考虑在实际行走过程中可能存在的对机器人稳定性造成影响的扰动，设定一个大于零的值作为最小稳定裕度(记为S_min)，只有当机器人重心的投影位于支撑三角形内，并且稳定裕度不小于最小稳定裕度时，机器人才被认为是稳定的。

本发明中机器人的稳定裕度是用纵向稳定裕度(longitudinal stability margin)衡量的。为得到机器人的纵向稳定裕度，首先应分别求得机器人重心的投影沿前进方向到支撑三角形前边界的距离D_F及到支撑三角形后边界的距离D_R：

$D_F=x_d-\frac{y_d(x_2-x_1)+x_1{y}_2-x_2{y}_1}{y_2-y_1},---\left(11\right)$

$D_R=\frac{y_d(x_2-x_3)+x_3{y}_2-x_2{y}_3}{y_2-y_3}{-x}_d,---\left(12\right)$

然后，可得到纵向稳定裕度S_m为：

S_m＝min(D_F,D_R) (13)

x_d已在式(10)中确定，y_d是D_F和D_R中唯一的未知数。因而，可将式(11)、式(12)以及式(13)表示为：

D_F＝f_F(y_D)， (14)

D_R＝f_R(y_D)， (15)

D_m＝min(f_F(y_D),f_R(y_D))， (16)

进而，y_D的值可通过以下方程组求得：

$\left\{\begin{array}{c}{D}_F=f_F\left(y_D\right)\\ D_R=f_R\left(y_D\right)\\ D_m=min(f_F\left(y_D\right),f_R\left(y_D\right))\\ D_m=S_{\min }\end{array}\right.---\left(17\right)$

在得到四足支撑阶段中重心调整的目标位置之后，需规划一条重心摆动轨迹，使机器人的重心沿规划的曲线平滑地运动到目标位置。

如图6所示，在一个四足支撑阶段开始之前和结束之后都存在一个迈步阶段，而机器人的躯干在迈步阶段静止，所以机器人重心的速度和加速度在这两个时刻必须都为零，以保证机器人运动的连续性。五次曲线具有二次可导的性质，用五次曲线作为重心移动曲线，能够保证机器人的速度和加速度连续。

结合在式(10)和式(17)中确定的重心调整目标位置的坐标值，得到机器人在四足支撑阶段的重心摆动轨迹：

$x\left(t\right)=\frac{6\·x_D}{{t_{\mathrm{adj}}}^5}\·t^5+\frac{-15\·x_D}{{t_{\mathrm{adj}}}^4}\·t^4+\frac{10\·x_D}{{t_{\mathrm{adj}}}^3}\·t^3,---\left(18\right)$

$y\left(t\right)=\frac{6\·y_D}{{t_{\mathrm{adj}}}^5}\·t^5+\frac{-15\·y_D}{{t_{\mathrm{adj}}}^4}\·t^4+\frac{10\·y_D}{{t_{\mathrm{adj}}}^3}\·t^3,---\left(19\right)$

(3)搜寻摆动足的最优落足点

为摆动足N寻找最优的落足点，首先应确定摆动足N在坐标系{G}中的落足点搜索范围。

首先，坐标系{G}的原点在坐标系{I}中的位置P_G(x_G，y_G)可根据以下公式确定：

$x_G=\underset{m=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_m,---\left(20\right)$

$y_G=\underset{m=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{sgn}\·y}_m,---\left(21\right)$

其中，

n为机器人由初始位置到当前位置之间包含的四足支撑阶段的个数；

x_m和y_m分别表示第在m个四足支撑阶段中，重心在^Ix和^Iy方向上的调整量。

以4号足为摆动足N为例，当坐标系{G}的原点位置确定后，可以确定其工作空间投影在水平地面上的范围：

$\left\{\begin{array}{c}-d_L-L+x_G\≤x_G\≤-d_L+x_G\\ d_W+y_G\≤y_G\≤W+d_W+y_G\end{array}\right.---\left(22\right)$

当4号足的落足点的搜索范围确定之后，在包含地形中所有可落足点的数组P中，寻找其横纵坐标的值满足式(22)的所有点，这些点都是4号足的备选落足点。为使机器人在每次迈步时，都向前迈进最大的距离，以使机器人获得最大的前进量。将能使摆动足在沿前进方向上获得最大前进距离的备选落足点作为4号足的最优落足点。

(4)规划摆动足的足底轨迹

在摆动足及其最优落足点确定之后，需要为摆动足规划合理的足底轨迹，保证摆动足沿此轨迹能够顺利摆动至选定的落足点，且不与地形中的障碍物发生任何碰撞。

图8所示为本发明使用的摆动足足底轨迹，该足底轨迹分为三部分：上升部分、向前移动部分以及下降部分，使用五次曲线构成为摆动足足底轨迹的相应部分，可以保证机器人的足在整个运动过程中的连续性。

假设机器人的摆动足分别沿^Ix和^Iy方向上前进L_x和L_y的距离后，能够到达为摆动足选定的最优落足点。下面以坐标系{I}为参考坐标系，结合图8对足底轨迹进行描述。

图8中的AB段为足底轨迹的在第一部分。在这部分中，机器人的足沿^Iz方向垂直上升一段距离H，以保证摆动足在向前摆动的时候不与地形中的障碍物发生碰撞。在点A与点B时，摆动足沿^Ix、^Iy和^Iz方向上的速度和加速度都为零，因而，可得到足底轨迹在第一部分的方程为：

^Ix(t)＝0， (22)

^Iy(t)＝0， (23)

$z_I\left(t\right)=\frac{6\·H}{{t_1}^5}\·t^5+\frac{-15\·H}{{t_1}^4}\·t^4+\frac{10\·H}{{t_1}^3}\·t^3,---\left(24\right)$

图8中的BC段为足底轨迹的在第二部分。在这部分中，机器人的足向前运动至目标落足点的正上方。在点C时，摆动足沿^Ix和^Iy方向上的速度和加速度都为零，沿^Iz方向上的加速度为零，沿-^Iz方向上速度为V，由此，可得到足底轨迹在第二部分的方程为：

$x_I\left(t\right)=\frac{6\·L_x}{{t_2}^5}\·t^5+\frac{-15\·L_x}{{t_2}^4}\·t^4+\frac{10\·L_x}{{t_2}^3}\·t^3,---\left(25\right)$

$y_I\left(t\right)=\frac{6\·L_y}{{t_2}^5}\·t^5+\frac{-15\·L_y}{{t_2}^4}\·t^4+\frac{10\·L_y}{{t_2}^3}\·t^3,---\left(26\right)$

$z_I\left(t\right)=H+\frac{3\·V}{{t_2}^4}\·t^5+\frac{-7\·V}{{t_2}^3}\·t^4+\frac{4\·V}{{t_2}^2}\·t^3,---\left(27\right)$

图8中的CD段为足底轨迹的在第三部分。在这部分中，机器人的足只沿-^IZ方匀速向下运动。摆动足在下降过程中，当触地传感器检测到摆动足触碰到地面，摆动结束，足底轨迹在第三部分的方程为：

^Ix(t)＝L_x， (28)

^Ix(t)＝L_y， (29)

^Iz(t)＝-V， (30)

B.第N个运动周期的四足支撑阶段

在机器人的四足支撑阶段中，四足机器人将按照在运动规划状态中规划的重心摆动轨迹将重心调整到目标位置。

C.第N个运动周期的迈步阶段

在机器人的迈步阶段，四足机器人将抬起在运动规划状态中确定的摆动足并按照规划的足底摆动轨迹向前摆动至选定的落足点。当此摆动足触地时，机器人完成一个运动周期。

Claims (1)

1.一种四足仿生机器人的自由步态生成方法，其特征是：

将四足机器人的整个自由步态按运动周期进行规划，每个运动周期分为四足支撑阶段和迈步阶段；在四足支撑阶段，机器人的四只足均处于支撑相，在这个阶段，机器人的重心沿前进方向和前进方向的侧方向移动，在前进方向上，机器人移动当前状态允许的最大前进距离，在侧方向上，同时兼顾机器人的稳定性以及能量消耗确定移动距离；在迈步阶段，机器人的一只足处于摆动相，其余三只足处于支撑相，摆动足沿规划的足底轨迹摆动至选定的落足点，在摆动足摆动时，机器人的躯干保持静止；

当某个运动周期中的摆动足接触地面时，机器人将进行下一个运动周期的运动规划，然后机器人按照规划进行运动，完成一个完整的运动周期，具体包括以下步骤：

(1)根据机器人四只足的运动学裕度，选择运动学裕度最小的足作为接下来要摆动的足，然后根据机器人的位置，以及提前预知的地形信息，为选定的摆动足搜寻最优的落足点，之后，根据目标落足点为摆动足规划足底摆动轨迹，完成上层规划；

(2)规划机器人重心的摆动轨迹，保证机器人的摆动足在向前摆动的过程中机器人具有足够的稳定性；

(3)机器人沿规划的重心的摆动轨迹主动摆动重心；

(5)机器人抬起选定的摆动足向前摆动；

(6)摆动足的足底触地时，转到步骤(1)，重复整个过程。