CN105353760B - 基于支撑域位置反馈的足式机器人机身摆动幅度规划方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于支撑域位置反馈的足式机器人机身摆动幅度规划方法，属于机器人运动控制技术领域。本发明具有以下优点：(1)采用线性规划方法顺序求解侧向摆动位置，控制效果良好，计算方法简单；(2)针对三条腿支撑和四条腿支撑的情况均给出规划方法，保证了步态的连续性，即保证了纵向移动速度；(3)在设计腿部摆动顺序时，所选取的方法可以保证较大的稳定裕量；(4)在设计步态周期时，通过引入状态相切换的时间比例因子，使得步态时间灵活多变，适应性强。

Description

基于支撑域位置反馈的足式机器人机身摆动幅度规划方法
技术领域
本发明涉及机器人运动控制技术领域，具体涉及一种基于支撑域位置反馈的足式机器人机身摆动幅度规划方法。
背景技术
机器人行走时，任意时刻四足中有至少三足撑地，则称为静平衡步态。崎岖路面下，四足机器人为获得较高的稳定性，通常会采用静平衡步态前进。静平衡步态在仿生学中被称为爬行步态，而爬行步态的控制策略一直都是研究热点。有8字摆动重心法，有快速移动重心法和稳定移动重心法，有双支撑三角形法等。8字重心法使得机器人动作有很好的柔顺性，但稳定性较高，所以移动速度很慢。双支撑三角形法使得机器人可以获得很高的稳定性，但也存在移动速度很慢的问题。快速移动重心法和稳定移动重心法使得机器人分别可以获得较高的移动速度和高稳定性，但二者不可兼得。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何设计一种四足机器人爬行步态侧向摆动幅度规划方法，以兼顾侧向稳定性和纵向移动速度。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于支撑域位置反馈的足式机器人机身摆动幅度规划方法，包括以下步骤：
S1、设计四足机器人爬行步态过程中四条腿的摆动顺序；
S2、设计一个步态周期的时间规划；
S3、针对三条腿支撑的情况，求取支撑区域中心；
S4、针对三条腿支撑的情况，以摆动腿的异侧腿足端位置为顶点，分别向其余两条腿足端位置做直线；
S5、基于步骤S4，引入摆动幅度因子，求取侧向摆动幅度；
S6、根据步骤S1至S5，规划四条腿支撑情况下的侧向摆动幅度。
(三)有益效果
本发明(1)采用线性规划方法顺序求解侧向摆动位置，控制效果良好，计算方法简单；(2)针对三条腿支撑和四条腿支撑的情况均给出规划方法，保证了步态的连续性，即保证了纵向移动速度；(3)在设计腿部摆动顺序时，所选取的方法可以保证较大的稳定裕量；(4)在设计步态周期时，通过引入状态相切换的时间比例因子，使得步态时间灵活多变，适应性强。
附图说明
图1是爬行步态四足摆动顺序图；
图2是步态周期时间规划图；
图3是三条腿支撑下机身侧向摆动幅度规划图；
图4是四条腿支撑下机身侧向摆动幅度规划图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本发明实施例提出一种基于支撑域位置反馈的四足机器人爬行步态侧向摆动幅度规划方法。针对四足机器人爬行步态的三足支撑和四足支撑情况，结合支撑域位置，采用线性规划方法，将侧向摆动位置控制在支撑域范围内，确保侧向摆动稳定性，该方法简单易行，因此可以兼顾侧向稳定性和纵向移动速度。
本发明实施例的基于支撑域位置反馈的四足机器人爬行步态侧向摆动幅度规划方法包括六个步骤。如图1所示，步骤S1设计四足机器人爬行步态过程中四条腿的摆动顺序。具体包括：
步骤S11：当运动方向为前进时，以左后腿为起始腿，四条腿的摆动顺序为左后，左前，右后，右前。
步骤S12：当运动方向为后退时，以左前腿为起始腿，四条腿的摆动顺序为左前，左后，右前，右后。
如图2所示，步骤S2设计一个步态周期的时间规划。以前进方向为例，以左后腿为起始腿，具体包括：
步骤S21：左后腿先摆动，持续时间为一个摆动相时间，期间其余腿均处于支撑状态。
步骤S22：左后腿摆动完毕后，下一条摆动腿为左前腿；两条摆动腿切换过程中，四条腿均处于支撑状态，该状态持续的时间称为同侧腿摆动切换时间间隔。
步骤S23：左前腿摆动完毕后，下一条摆动腿为右后腿；两条摆动腿切换过程中，四条腿均处于支撑状态，该状态持续的时间称为异侧腿摆动切换时间间隔。
步骤S24：右后腿摆动完毕后，下一条摆动腿为右前腿；两条摆动腿切换过程中，四条腿均处于支撑状态，该状态持续的时间称为同侧腿摆动切换时间间隔。
步骤S25：右前腿摆动完毕后，下一条摆动腿为左后腿；两条摆动腿切换过程中，四条腿均处于支撑状态，该状态持续的时间称为异侧腿摆动切换时间间隔。
步骤S26：结合步骤S21～步骤S25，则一个步态周期持续的时间由三部分组成：四个摆动相持续时间，两个同侧腿摆动切换时间间隔，两个异侧腿摆动切换时间间隔。
图3为三条腿支撑下机身侧向摆动幅度规划图。左前腿为摆动腿，其余腿为支撑腿。
步骤S3，针对三条腿支撑的情况，求取支撑区域中心。以左前腿摆动为例，三条腿足端与地面接触点形成一个三角形，该三角形即为支撑区域。求取该三角形的几何中心，即得到支撑区域中心Pt。
步骤S4，针对三条腿支撑的情况，以摆动腿Pfl的异侧腿足端位置Pfr为顶点，分别向其余两条腿足端位置Phl和Phr做直线，求取这两条直线与过质心在地面投影点P'c的水平直线(虚线)的交点Pl和Pr。具体包括：
步骤S41：以机身坐标系在地面的投影作为参考坐标系，获取三条腿足端与地面接触点的坐标Pfr，Phl和Phr。
步骤S42：以摆动腿的异侧腿足端位置Pfr为顶点，分别向其余两条腿足端位置Phl和Phr做直线，求取两条直线的函数表达式。
步骤S43：沿着质心在地面的投影点P'c做一条水平直线，该直线与步骤S42的两条直线，分别相交于两个点Pl和Pr，并求取这两个点与参考坐标系Y轴之间的距离P'cPl和P'cPr。
步骤S5，以步骤S4求取的两个交点为基础，引入摆动幅度因子fs，求取侧向摆动幅度；
步骤S51：引入摆动幅度因子，该因子的值介于0～1之间。以步骤S43中求取的两个距离中的较短距离的向量P'cPl为基数，以摆动幅度因子fs乘以两点之间的距离PlPr为另一个向量基数，这两个基数相加得到的，就得到向量PC’Py，从而得到机身侧向摆动位置Py点，该点介于步骤S43获取的两个点之间，使得机身侧向摆动位置位于支撑区域以内，保证了侧向稳定性。
步骤S52：求取机身几何中心Pt在参考坐标系的投影P't。机身侧向摆动幅度为P'tPy。
步骤S6，参考三条腿支撑情况的侧向摆动幅度规划方法，规划四条腿支撑情况下的侧向摆动幅度。四条腿支撑情况的侧向摆动幅度规划方法与三条腿支撑情况的思路保持一致，只是两条直线的设计略有区别。参考图4，两条直线的设计方法为：求取四条腿足端与地面接触点的坐标。过左侧的两个接触点坐标做第一条直线PflPhl，过右侧的两个接触点坐标做第二条直线PfrPhr。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于支撑域位置反馈的足式机器人机身摆动幅度规划方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、设计四足机器人爬行步态过程中四条腿的摆动顺序；
S2、设计一个步态周期的时间规划；
S3、针对三条腿支撑的情况，求取支撑区域中心；
S4、针对三条腿支撑的情况，以摆动腿的异侧腿足端位置为顶点，分别向其余两条腿足端位置做直线；
S5、基于步骤S4，引入摆动幅度因子，求取侧向摆动幅度；
S6、根据步骤S1至S5，规划四条腿支撑情况下的侧向摆动幅度；
当左前腿为摆动腿，其余腿为支撑腿时，
步骤S3具体为：当左前腿摆动时，三条腿足端与地面接触点形成一个三角形，该三角形即为支撑区域，求取该三角形的几何中心，即得到支撑区域中心Pt；
步骤S4中，针对三条腿支撑的情况，以摆动腿左前腿Pfl的异侧腿右前腿足端位置Pfr为顶点，分别向其余两条腿左后腿、右后腿足端位置Phl和Phr做直线，求取这两条直线与过质心在地面投影点Pc'的水平直线的交点Pl和Pr，具体包括：
S41：以机身坐标系在地面的投影作为参考坐标系，获取右前腿、左后腿、右后腿这三条腿足端与地面接触点的坐标Pfr，Phl和Phr；
S42：以摆动腿的异侧腿右前腿足端位置Pfr为顶点，分别向其余两条腿左后腿、右后腿足端位置Phl和Phr做直线，求取两条直线的函数表达式；
S43：沿着质心在地面的投影点Pc'做一条水平直线，该水平直线与步骤42的两条直线分别相交于两个交点Pl和Pr，并求取这两个交点Pl和Pr与参考坐标系y轴之间的距离Pc'Pl和Pc'Pr。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1具体包括：
S11：当运动方向为前进时，以左后腿为起始腿，四条腿的摆动顺序为左后、左前、右后，右前；
S12：当运动方向为后退时，以左前腿为起始腿，四条腿的摆动顺序为左前、左后、右前，右后。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当运动方向为前进，以左后腿为起始腿时，步骤S2具体包括：
S21：左后腿先摆动，持续时间为一个摆动相时间，期间其余腿均处于支撑状态；
S22：左后腿摆动完毕后，下一条摆动腿为左前腿；两条摆动腿切换过程中，四条腿均处于支撑状态，该状态持续的时间为同侧腿摆动切换时间间隔；
S23：左前腿摆动完毕后，下一条摆动腿为右后腿；两条摆动腿切换过程中，四条腿均处于支撑状态，该状态持续的时间为异侧腿摆动切换时间间隔；
S24：右后腿摆动完毕后，下一条摆动腿为右前腿；两条摆动腿切换过程中，四条腿均处于支撑状态，该状态持续的时间为同侧腿摆动切换时间间隔；
S25：右前腿摆动完毕后，下一条摆动腿为左后腿；两条摆动腿切换过程中，四条腿均处于支撑状态，该状态持续的时间为异侧腿摆动切换时间间隔；
S26：将四个摆动相持续时间，两个同侧腿摆动切换时间间隔，两个异侧腿摆动切换时间间隔组成一个步态周期持续的时间。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S5中，以步骤4求取的两个交点为基础，引入摆动幅度因子fs，求取侧向摆动幅度，具体包括：
S51：引入摆动幅度因子fs，以步骤43中求取的两个距离Pc'Pl和Pc'Pr中的较短距离的向量Pc'Pl为一个向量基数，以摆动幅度因子fs乘以两交点之间的距离PlPr为另一个向量基数，将这两个向量基数相加得到向量PC’Py，从而得到机身侧向摆动位置Py点，点Py介于步骤43获取的两个交点Pl和Pr之间，使得机身侧向摆动位置位于支撑区域以内；
S52：求取机身几何中心在参考坐标系的投影则机身侧向摆动幅度为
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤S6规划四条腿支撑情况下的侧向摆动幅度时，两条直线的设计方法为：求取四条腿足端与地面接触点的坐标，过左侧的两个接触点坐标做第一条直线PflPhl，过右侧的两个接触点坐标做第二条直线PfrPhr。
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