CN107121128A - 一种足式机器人地形参数的测量方法及系统 - Google Patents

一种足式机器人地形参数的测量方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种足式机器人地形参数的测量方法及系统，包括：计算足式机器人的支撑腿足端位置单位矢量；根据单位矢量计算大地相对于世界坐标系的法向量；根据大地相对于世界坐标系的法向量计算地形参数。本发明的测量方法仅仅利用足式机器人运动控制所必须的传感器信息即可计算出所处地形的地形参数，包括翻滚角以及俯仰角的姿态角，可满足足式机器人运动控制的要求，简单易行、精度高。

Description

一种足式机器人地形参数的测量方法及系统
技术领域
本发明涉及机器人参数的测量方法，具体涉及一种足式机器人地形参数的测量方法及系统。
背景技术
足式机器人主要应用于非结构化环境中，在非结构化的环境中的行走步态有别于平面环境，对机器人的稳定性要求更高，不断变换的上下坡度更容易使机器人翻倒。足式机器人适应复杂的非结构环境的前提是可以感知周围的地形环境，而现有的足式机器人通常对激光雷达、视频图像信息处理得出外部地形信息，成本高、运算量大。特别对于仅有两条支撑腿的足式机器人步态控制，如双足机器人步态控制，四足机器人两条支撑腿的步态(trot、bound等)控制，仅依靠机器人本体传感器很难获得周围地形参数信息。
发明内容
为解决上述现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种足式机器人地形参数的测量方法及系统，本发明仅利用足式机器人本体传感器的信息进行计算，简单易行且计算量小。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
本发明提供一种足式机器人地形参数的测量方法，其改进之处在于：
计算足式机器人的支撑腿足端位置单位矢量；
根据单位矢量计算大地相对于世界坐标系的法向量；
根据大地相对于世界坐标系的法向量计算地形参数。
进一步地，所述计算足式机器人的支撑腿足端位置单位矢量，包括：
根据传感器测量得到足式机器人的支撑腿足端在机身坐标系下的位置矢量；
根据位置矢量得到支撑腿之间的位置矢量差；
根据位置矢量差计算支撑腿足端位置单位矢量。
进一步地，所述支撑腿之间的位置矢量差为：
单位矢量为：
其中：为第一条支撑腿和第二条支撑腿的足端位置矢量，为两条支撑腿足端位置矢量差；为的单位矢量。
进一步地，所述大地相对于世界坐标系的法向量为：
其中：分别为t-1、t时刻足式机器人所处大地相对于世界坐标系法向量， 为大地相对于世界坐标系法向量的单位矢量。
进一步地，所述地形参数包括足式机器人所处大地相对于世界坐标系的翻滚角及俯仰角，以及足式机器人所处大地相对于大地坐标系和世界坐标系的机身高度。
进一步地，所述足式机器人所处大地相对于世界坐标系的翻滚角为：
所述足式机器人所处大地相对于世界坐标系的俯仰角为：
其中：Groll为大地相对于世界坐标系的翻滚角，为在y方向上的分量；Gpitch为大地相对于世界坐标系的俯仰角，为在x方向上的分量，为大地相对于世界坐标系法向量的单位矢量；为在z方向上的分量。
进一步地，所述足式机器人在大地坐标系下的机身高度为：
足式机器人在世界坐标系下的机身高度为：
其中：Hr_g为足式机器人在大地坐标系下的机身高度；Hr_w为足式机器人在世界坐标系下的机身高度；为大地相对于世界坐标系法向量的单位矢量；为第i条支撑腿的足端位置矢量，为在z方向上的分量。
本发明还提供一种足式机器人地形参数的测量系统，其改进之处在于，所述系统包括：
第一计算模块，用于计算计算足式机器人的支撑腿足端位置单位矢量；
第二计算模块，用于根据单位矢量计算大地相对于世界坐标系的法向量；
第三计算模块，用于根据大地相对于世界坐标系的法向量计算地形参数。
进一步地，所述第一计算模块，进一步包括：
测量单元，用于根据传感器测量得到足式机器人的支撑腿足端在机身坐标系下的位置矢量；
第一计算单元，用于根据位置矢量得到支撑腿之间的位置矢量差；
第二计算单元，用于根据位置矢量差计算支撑腿足端位置单位矢量。
进一步地，所述第三计算模块，进一步包括：
姿态角计算单元，用于计算足式机器人所处大地相对于世界坐标系的翻滚角及俯仰角，
机身高度计算单元，用于计算足式机器人在大地坐标系和世界坐标系下的机身高度。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有的有益效果是：
本发明的测量方法仅仅利用足式机器人运动控制所必须的传感器信息即可计算出所处地形的地形参数，包括翻滚角以及俯仰角的姿态角，可满足足式机器人运动控制的要求，简单易行、精度高；对于运动过程中，总有腿处于支撑相(每个腿的支撑状态由足端的力所决定，测量值大于门限值，则认为该腿处于支撑相)，且支撑腿数目为2的足式机器人步态控制来说，可仅采用本方法计算地形姿态角以及机身高度，而不需要外在的激光雷达或者视觉摄像机，降低了成本，简化了数学运算，精度更高。
附图说明
图1是本发明提供的足式机器人地形参数的测量方法的流程图；
图2是本发明提供的测量方法的计算原理图；
图3是本发明提供的足式机器人地形参数的测量系统的结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的组件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。
实施例一、
本发明提供了一种足式机器人地形参数测量方法，如图1所示，为本发明方法的流程图，包括以下步骤：
S1：计算足式机器人的支撑腿足端位置单位矢量；
S101：足式机器人在行走时，在支撑腿不发生滑移的情况下，根据传感器测量得到足式机器人的支撑腿的足端在机身坐标系下的位置矢量，所述支撑腿为着地的腿，支撑腿速度为零表示所述支撑腿不发生滑移；
本实施例中以四足机器人为例描述。如图2所示，支撑腿为1腿以及2腿，各条腿的位置矢量可以通过安装在腿部的传感器数据进行运动学结算后得到。
S102：计算足式机器人两条支撑腿位置矢量差：
足式机器人两条支撑腿位置矢量差记为：
公式(1)中：为两条支撑腿的足端位置矢量，为两条支撑腿足端位置矢量差。
S103：根据位置矢量差计算支撑腿足端位置单位矢量：
公式(2)中，为的单位矢量。
S2：根据单位矢量计算大地相对于世界坐标系的法向量：
由矢量运算性质，可以得到大地相对于世界坐标系的法向量：
公式(3)中，分别为t-1、t时刻足式机器人所处地形法向量，
公式(4)中，为的单位矢量，为在z方向上的分量。
S3：根据大地相对于世界坐标系的法向量计算地形参数：
地形参数包括足式机器人所处大地相对于世界坐标系的翻滚角及俯仰角，以及足式机器人所处大地相对于大地坐标系和世界坐标系的机身高度。
由大地相对于世界坐标系的法向量可得大地相对于世界坐标系的翻滚角及俯仰角：
公式(5)中，Groll为大地相对于世界坐标系的翻滚角，为方向上的分量。
公式(6)中，Gpitch为大地相对于世界坐标系的俯仰角，为方向上的分量，为方向上的分量。
公式(7)中，Hr_g为大地坐标系下的机身高度。
公式(8)中，Hr_w为世界坐标系下的机身高度。
本发明还提供了一种所述的测量方法的应用，包括以下步骤：利用所述测量方法得到的地形翻滚角、俯仰角以及机身高度调整足式机器人的姿态以适应地形的变化，增加机器人运动的稳定性。
本发明可应用于双足、四足、六足机器人等多足机器人。
实施例二、
基于同样的发明构思，本发明还提供一种足式机器人地形参数的测量系统，其结构图如图3所示，所述系统包括：
第一计算模块301，用于计算计算足式机器人的支撑腿足端位置单位矢量；
第二计算模块302，用于根据单位矢量计算大地相对于世界坐标系的法向量；
第三计算模块303，用于根据大地相对于世界坐标系的法向量计算地形参数。
所述第一计算模块301，进一步包括：
测量单元，用于根据传感器测量得到足式机器人的支撑腿足端在机身坐标系下的位置矢量；
第一计算单元，用于根据位置矢量得到支撑腿之间的位置矢量差；
第二计算单元，用于根据位置矢量差计算支撑腿足端位置单位矢量。
所述第三计算模块303，进一步包括：
姿态角计算单元，用于计算足式机器人所处大地相对于世界坐标系的翻滚角及俯仰角，
机身高度计算单元，用于计算足式机器人在大地坐标系和世界坐标系下的机身高度。
本发明的测量方法仅仅利用足式机器人运动控制所必须的传感器信息即可计算出所处地形的姿态角，即翻滚角以及俯仰角，可满足足式机器人运动控制的要求，简单易行、精度高。
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。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种足式机器人地形参数的测量方法，其特征在于：
计算足式机器人的支撑腿足端位置单位矢量；
根据单位矢量计算大地相对于世界坐标系的法向量；
根据大地相对于世界坐标系的法向量计算地形参数。
2.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述计算足式机器人的支撑腿足端位置单位矢量，包括：
根据传感器测量得到足式机器人的支撑腿足端在机身坐标系下的位置矢量；
根据位置矢量得到支撑腿之间的位置矢量差；
根据位置矢量差计算支撑腿足端位置单位矢量。
3.如权利要求2所述的测量方法，其特征在于，所述两支撑腿间的位置矢量差如下式所示：
<mrow> <mi>&amp;Delta;</mi> <msub> <mover> <mi>P</mi> <mo>&amp;RightArrow;</mo> </mover> <mi>f</mi> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mover> <mi>P</mi> <mo>&amp;RightArrow;</mo> </mover> <mrow> <mi>f</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mover> <mi>P</mi> <mo>&amp;RightArrow;</mo> </mover> <mrow> <mi>f</mi> <mn>2</mn> </mrow> </msub> </mrow>
单位矢量如下式所示：
<mrow> <mi>&amp;Delta;</mi> <msub> <mover> <mi>P</mi> <mo>&amp;RightArrow;</mo> </mover> <mrow> <mi>f</mi> <mo>_</mo> <mi>n</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>&amp;Delta;</mi> <msub> <mover> <mi>P</mi> <mo>&amp;RightArrow;</mo> </mover> <mi>f</mi> </msub> </mrow> <mrow> <mo>|</mo> <mi>&amp;Delta;</mi> <msub> <mover> <mi>P</mi> <mo>&amp;RightArrow;</mo> </mover> <mi>f</mi> </msub> <mo>|</mo> </mrow> </mfrac> </mrow>
其中：为第一条支撑腿和第二条支撑腿的足端位置矢量；为的单位矢量。
4.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述大地相对于世界坐标系的法向量如下式所示：
<mrow> <msub> <mover> <mi>G</mi> <mo>&amp;RightArrow;</mo> </mover> <mi>t</mi> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mover> <mi>G</mi> <mo>&amp;RightArrow;</mo> </mover> <mrow> <mi>t</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <mi>&amp;Delta;</mi> <msub> <mover> <mi>P</mi> <mo>&amp;RightArrow;</mo> </mover> <mrow> <mi>f</mi> <mo>_</mo> <mi>t</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;Delta;</mi> <msub> <mover> <mi>P</mi> <mo>&amp;RightArrow;</mo> </mover> <mrow> <mi>f</mi> <mo>_</mo> <mi>t</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mover> <mi>G</mi> <mo>&amp;RightArrow;</mo> </mover> <mrow> <mi>t</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
大地相对于世界坐标系法向量的单位矢量如下式所示：
<mrow> <msub> <mover> <mi>G</mi> <mo>&amp;RightArrow;</mo> </mover> <mrow> <mi>t</mi> <mo>_</mo> <mi>n</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mover> <mi>G</mi> <mo>&amp;RightArrow;</mo> </mover> <mi>t</mi> </msub> <mrow> <mo>|</mo> <msub> <mover> <mi>G</mi> <mo>&amp;RightArrow;</mo> </mover> <mi>t</mi> </msub> <mo>|</mo> </mrow> </mfrac> </mrow>
其中：分别为t-1、t时刻足式机器人所处大地相对于世界坐标系法向量，
5.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述地形参数包括足式机器人所处大地相对于世界坐标系的翻滚角及俯仰角，以及足式机器人所处大地相对于大地坐标系和世界坐标系的机身高度。
6.如权利要求5所述的测量方法，其特征在于，，所述足式机器人所处大地相对于世界坐标系的翻滚角Groll如下式所示：
<mrow> <msub> <mi>G</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mi>o</mi> <mi>l</mi> <mi>l</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mi>a</mi> <mi>r</mi> <mi>c</mi> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mover> <mi>G</mi> <mo>&amp;RightArrow;</mo> </mover> <mrow> <mi>t</mi> <mo>_</mo> <mi>n</mi> <mo>_</mo> <mi>y</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
所述足式机器人所处大地相对于世界坐标系的俯仰角Gpitch如下式所示：
<mrow> <msub> <mi>G</mi> <mrow> <mi>p</mi> <mi>i</mi> <mi>t</mi> <mi>c</mi> <mi>h</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mi>arctan</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mo>-</mo> <mfrac> <msub> <mover> <mi>G</mi> <mo>&amp;RightArrow;</mo> </mover> <mrow> <mi>t</mi> <mo>_</mo> <mi>n</mi> <mo>_</mo> <mi>x</mi> </mrow> </msub> <msub> <mover> <mi>G</mi> <mo>&amp;RightArrow;</mo> </mover> <mrow> <mi>t</mi> <mo>_</mo> <mi>n</mi> <mo>_</mo> <mi>z</mi> </mrow> </msub> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> 1
其中：为在y方向上的分量；为在x方向上的分量，为大地相对于世界坐标系法向量的单位矢量；为在z方向上的分量。
7.如权利要求5所述的测量方法，其特征在于，所述足式机器人在大地坐标系下的机身高度Hr_g如下式所示：
<mrow> <msub> <mi>H</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mo>_</mo> <mi>g</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mo>-</mo> <msub> <mover> <mi>G</mi> <mo>&amp;RightArrow;</mo> </mover> <mrow> <mi>t</mi> <mo>_</mo> <mi>n</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mover> <mi>P</mi> <mo>&amp;RightArrow;</mo> </mover> <mrow> <mi>f</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> </mrow>
足式机器人在世界坐标系下的机身高度Hr_w如下式所示：
<mrow> <msub> <mi>G</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mo>_</mo> <mi>w</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>H</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mo>_</mo> <mi>g</mi> </mrow> </msub> <msub> <mover> <mi>G</mi> <mo>&amp;RightArrow;</mo> </mover> <mrow> <mi>t</mi> <mo>_</mo> <mi>n</mi> <mo>_</mo> <mi>z</mi> </mrow> </msub> </mfrac> </mrow>
其中：为大地相对于世界坐标系法向量的单位矢量；为第i条支撑腿的足端位置矢量，为在z方向上的分量。
8.一种足式机器人地形参数的测量系统，其特征在于，所述系统包括：
第一计算模块，用于计算计算足式机器人的支撑腿足端位置单位矢量；
第二计算模块，用于根据单位矢量计算大地相对于世界坐标系的法向量；
第三计算模块，用于根据大地相对于世界坐标系的法向量计算地形参数。
9.如权利要求8所述的测量系统，其特征在于，所述第一计算模块，进一步包括：
测量单元，用于根据传感器测量得到足式机器人的支撑腿足端在机身坐标系下的位置矢量；
第一计算单元，用于根据位置矢量得到支撑腿之间的位置矢量差；
第二计算单元，用于根据位置矢量差计算支撑腿足端位置单位矢量。
10.如权利要求8所述的测量系统，其特征在于，所述第三计算模块，进一步包括：
姿态角计算单元，用于计算足式机器人所处大地相对于世界坐标系的翻滚角及俯仰角，
机身高度计算单元，用于计算足式机器人在大地坐标系和世界坐标系的机身高度。
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