CN107065908A - 一种规划四足机器人静步态机身运动轨迹的方法 - Google Patents
一种规划四足机器人静步态机身运动轨迹的方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种规划四足机器人静步态机身运动轨迹的方法，包括：规划静步态行走时机身和足端的摆动顺序及步态时序，计算三条腿支撑地面时四足机器人的稳定区域和同侧腿连续迈步时对应的稳定区域，并求取机身运动的目标位置，拟合机身运动轨迹曲线。本发明提供的规划四足机器人静步态机身运动轨迹方法，不仅根据力和力矩平衡原理分析了最小稳定裕度，进一步确定了行走稳定性，而且还采用正弦函数拟合机身运动轨迹，使得运动轨迹和运动速度均连续变化。
Description
技术领域
本发明涉及机器人运动规划领域，具体涉及一种规划四足机器人静步态机身运动轨迹的方法。
背景技术
目前地面机器人的行走方式主要分为轮式、履带式和足式.轮履式机器人的研究已经相对成熟，但其在复杂崎岖地形上的通过能力较差，足式机器人采用仿生原理，模拟自然界的足式动物，在狭小崎岖地形具有良好的通过性，有效弥补了轮履式机器人的不足。在足式机器人中，四足机器人比双足机器人简单、比多足机器人行走效率高，因此具有较高的研究价值。
四足机器人步态分为静步态和动步态两种。其行走时，任意时刻最多有两条腿处于支撑相，则称为动步态；至少有三条腿处于支撑相，则称为静步态。静步态具有良好的稳定性和通过性，尤其在复杂崎岖路面上表现良好。目前静步态机身运动设计的理论研究主要集中在稳定性分析和轨迹规划两个方面。稳定性分析方法包含纵向稳定裕度、能量稳定裕度、力角稳定裕度等；轨迹规划方法包含优化学习方法、零力矩点轨迹、中枢模式发生器等。但是目前的设计还不够全面，且计算方法较为复杂，尚且缺乏一种简洁有效的静步态机身运动规划方法。
为此，寻找一种四足机器人静步态机身运动轨迹规划方法，使得轨迹规划设计全面，计算方法简单，更加有效的规划静步态机身运动，成为本领域技术人员迫切需要解决的问题。
发明内容
为了解决现有技术中所存在的上述不足，本发明提供一种规划四足机器人静步态机身运动轨迹的方法。所述方法包括：
I、规划静步态行走时机身和足端的摆动顺序及步态时序；
II、计算四足机器人在三条腿支撑地面时的稳定区域；
III、计算连续迈步时同侧腿支撑地面时的稳定区域，并求取机身运动的目标位置；
IV、拟合机身运动轨迹曲线。
优选的，所述步骤I的静步态行走时机身和足端的摆动顺序包括：一侧的后腿、前腿，另一侧腿的后腿、前腿；
所述静步态行走时机身和足端的步态时序包括：一侧的后腿摆动结束后立即开始同侧的前腿摆动，同侧前腿摆动结束后进入四足支撑状态，四足支撑结束后进入另一侧的后腿摆动，另一侧后腿摆动结束后立即进入另一侧的前腿摆动，另一侧的前腿摆动结束后进入再次四足支撑状态；足端摆动时，机身静止不动，四足支撑时，机身开始摆动。
优选的，所述步骤I-2中所述摆动的时间均相等，所述支撑的时间均相等。
优选的，所述步骤II的四足机器人在三条腿支撑地面时的稳定区域的计算包括：求取机身重心在支撑平面上的投影点，当所述投影点位于支撑三角形内部，根据机身与足端的受力和力矩平衡分析，计算投影点到支撑三角形边缘的最小稳定裕度，求取支撑三角形三条边对应的三个最小稳定裕度，得到稳定区域。
优选的，所述投影点到支撑三角形边缘的最小稳定裕度按下式计算：
式中，G'：机身重心G在支撑平面上的投影点；MG：施加在机身的合力矩；FG：施加在机身的合力；与下标向量方向相同的单位向量；沿着Z轴的单位向量；rGG'：连接下标两个点的向量。
优选的，所述步骤III同侧腿连续迈步时对应的稳定区域的计算包括：求取同侧两条腿分别摆动时，各自对应的稳定区域，两个所述稳定区域相交得到的共同稳定区域为同侧腿连续迈步时对应的稳定区域。
优选的，所述步骤III机身运动的目标位置的求取包括：忽略腿部质量，当机身质量均匀分布时，机身运动轨迹等同于机身质心的运动轨迹，则共同稳定区域的重心为机身质心运动的目标位置。
优选的，采用正弦函数拟合所述步骤IV的机身运动轨迹曲线。
优选的，所述机身运动轨迹曲线的拟合包括：四足支撑状态的下一状态为一侧腿摆动，所述支撑状态对应的机身运动为向另一侧摆动，以四足支撑状态刚开始时刻的机身质心位置为运动轨迹的原点，根据一侧腿连续摆动对应的质心运动目标位置作为运动的轨迹的终点，采用正弦函数对平面内的运动轨迹进行规划。
优选的，所述运动轨迹按下式计算：
式中，和为目标位置的横坐标和纵坐标；Tst：四足支撑相的持续时间，t：时间。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)在步态运动的顺序和时序规划上，考虑了运动稳定裕度特性，初步保证了行走稳定性。
(2)根据力和力矩平衡原理分析了最小稳定裕度，在一条腿摆动情况下对应的支撑三角形内部，求取了稳定区域，进一步确定了行走稳定性。
(3)采用正弦函数拟合机身运动轨迹，使得运动轨迹和运动速度均连续变化。
附图说明
图1为本发明的静步态的四足摆动顺序示意图；
图2为本发明的静步态的机身与足端运动状态示意图；
图3为本发明的三条腿支撑时的最小稳定裕度分析示意图；
图4为本发明的三条腿支撑时对应的稳定区域；
图5为本发明的同侧腿连续摆动时对应的共同稳定区域；
图6为本发明的四足机器人在XY平面内的运动轨迹示意图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。
本发明提供了一种规划四足机器人静步态机身运动轨迹的方法，结合具体实施例做进一步说明。
步骤I：规划静步态行走时机身和足端的摆动顺序及步态时序
如图1和图2所示，步骤1从稳定性的角度出发，对静步态行走时四条腿的摆动顺序和步态时序进行规划，具体包括：
步骤11：图1中，在一个步态周期内，设计迈步顺序为：左后腿、左前腿、右后腿、右前腿。
步骤12：图2中，在一个步态周期内，设计运动时序为：左后腿摆动结束后立即开始左前腿摆动，左前腿摆动结束后进入四足支撑状态，四足支撑结束后进入右后腿摆动，右后腿摆动结束后立即进入右前腿摆动，右前腿摆动结束后进入再次四足支撑状态。所有摆动相时间相等，所有支撑相时间相等。
步骤13：图2中，足端摆动时，机身静止不动；四足支撑时，机身开始摆动。
步骤2：计算四足机器人在三条腿支撑地面时的稳定区域，如图3和图4所示，具体包括：
步骤21：图3中，当三条腿支撑地面时，其与地面的三个支撑点Pa、Pb、Pc形成的三角形即为支撑三角形。
步骤22：求取机身重心G在支撑平面上的投影点G’，当该投影点位于支撑三角形ΔPaPbPc内部，根据机身与足端的受力和力矩平衡分析，计算投影点到支撑三角形边缘的最小稳定裕度。其计算方法如下：
其中，G'：机身重心G在支撑平面上的投影点；MG：施加在机身的合力矩；FG：施加在机身的合力；与下标向量方向相同的单位向量；沿着Z轴的单位向量；rGG'：连接下标两个点的向量。
步骤23：图4中，以左后腿摆动为例，根据步骤22求取支撑三角形ΔBDC三条边对应的三个最小稳定裕度dBC,dBD,dDC，从而在其内部的阴影部分才是左后腿摆动时对应的机身稳定区域。
步骤3计算连续迈步时同侧腿支撑地面时的稳定区域，并求取机身运动的目标位置，如图5所示，具体包括：
步骤31：根据步骤2，求取同侧的两条腿分别摆动时，各自对应的稳定区域。
步骤32：同侧两条腿对应的稳定区域相交得到的共同稳定区域，存在三种情况：三角形、四边形和五边形，如图5三个分图中的阴影部分所示。
步骤33：忽略腿部质量，假设机身质量均匀分布，则刚体运动可以转化为质心运动，机身运动轨迹等同于机身质心的运动轨迹。
步骤33：将步骤32得到的共同稳定区域的重心，作为机身质心运动的目标位置，如图5中的点Pd所示。
步骤4采用正弦函数拟合机身运动轨迹曲线的实验结果，如图6所示，具体包括：
步骤41：当四足支撑相的下一状态为左侧腿摆动时，该支撑相对应的机身运动为向右摆动，以四足支撑相刚开始时刻的机身质心位置为运动轨迹的原点，根据步骤3求取左侧腿连续摆动对应的质心运动目标位置，作为运动轨迹的终点，采用正弦函数对XY平面内的运动轨迹进行规划。其计算方法如下：
其中，Tst为四足支撑相的持续时间，t为机身摆动时刻，和为目标位置的横坐标和纵坐标，x(t)和y(t)为机身质心在t时刻的坐标位置。
步骤42：当四足支撑相的下一状态为右侧腿摆动时，该支撑相对应的机身运动为向左摆动，以四足支撑相刚开始时刻的机身质心位置为运动轨迹的原点，根据步骤3求取右侧腿连续摆动对应的质心运动目标位置，作为运动轨迹的终点，采用正弦函数对XY平面内的运动轨迹进行规划。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种规划四足机器人静步态机身运动轨迹的方法，其特征在于，所述方法包括：
I、规划静步态行走时机身和足端的摆动顺序及步态时序；
II、计算四足机器人在三条腿支撑地面时的稳定区域；
III、计算连续迈步时同侧腿支撑地面时的稳定区域，并求取机身运动的目标位置；
IV、拟合机身运动轨迹曲线。
2.如权利要求1所述的规划四足机器人静步态机身运动轨迹的方法，其特征在于，所述步骤I的静步态行走时机身和足端的摆动顺序包括：一侧的后腿、前腿，另一侧腿的后腿、前腿；
所述静步态行走时机身和足端的步态时序包括：一侧的后腿摆动结束后立即开始同侧的前腿摆动，同侧前腿摆动结束后进入四足支撑状态，四足支撑结束后进入另一侧的后腿摆动，另一侧后腿摆动结束后立即进入另一侧的前腿摆动，另一侧的前腿摆动结束后进入再次四足支撑状态；足端摆动时，机身静止不动，四足支撑时，机身开始摆动。
3.如权利要求2所述的规划四足机器人静步态机身运动轨迹的方法，其特征在于，所述步骤I-2中所述摆动的时间均相等，所述支撑的时间均相等。
4.如权利要求1所述的规划四足机器人静步态机身运动轨迹的方法，其特征在于，所述步骤II的四足机器人在三条腿支撑地面时的稳定区域的计算包括：求取机身重心在支撑平面上的投影点，当所述投影点位于支撑三角形内部，根据机身与足端的受力和力矩平衡分析，计算投影点到支撑三角形边缘的最小稳定裕度，求取支撑三角形三条边对应的三个最小稳定裕度，得到稳定区域。
5.如权利要求4所述的规划四足机器人静步态机身运动轨迹的方法，其特征在于，所述投影点到支撑三角形边缘的最小稳定裕度|G'Q|按下式计算：
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式中，G'：机身重心G在支撑平面上的投影点；MG：施加在机身的合力矩；FG：施加在机身的合力；与下标向量方向相同的单位向量；沿着Z轴的单位向量；rGG'：连接下标两个点的向量。
6.如权利要求1所述的规划四足机器人静步态机身运动轨迹的方法，其特征在于，所述步骤III同侧腿连续迈步时对应的稳定区域的计算包括：求取同侧两条腿分别摆动时，各自对应的稳定区域，两个所述稳定区域相交得到的共同稳定区域为同侧腿连续迈步时对应的稳定区域。
7.如权利要求1所述的规划四足机器人静步态机身运动轨迹的方法，其特征在于，所述步骤III机身运动的目标位置的求取包括：忽略腿部质量，当机身质量均匀分布时，机身运动轨迹等同于机身质心的运动轨迹，则共同稳定区域的重心为机身质心运动的目标位置。
8.如权利要求1所述的规划四足机器人静步态机身运动轨迹的方法，其特征在于，采用正弦函数拟合所述步骤IV的机身运动轨迹曲线。
9.如权利要求8所述的规划四足机器人静步态机身运动轨迹的方法，其特征在于，所述机身运动轨迹曲线的拟合包括：四足支撑状态的下一状态为一侧腿摆动，所述支撑状态对应的机身运动为向另一侧摆动，以四足支撑状态刚开始时刻的机身质心位置为运动轨迹的原点，根据一侧腿连续摆动对应的质心运动目标位置作为运动的轨迹的终点，采用正弦函数对平面内的运动轨迹进行规划。
10.如权利要求8所述的规划四足机器人静步态机身运动轨迹的方法，其特征在于，所述运动轨迹按下式计算：
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