CN108058758B - 基于六自由度腿的机器人双足行走仿真评估系统及评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于六自由度腿的机器人双足行走仿真评估系统及评估方法，包括双足机器人模型和步态规划算法，双足机器人模型‑1和步态规划算法‑2为仿真评估系统的输入，双足机器人模型包含了机器人的外形及动力学参数，步态规划算法则能够依据期望的落脚足迹规划出全身多达20余个关节的运动轨迹；仿真评估系统的输出是仿真评估结果，用以评估机器人结构以及步态规划算法的性能。通过计算机仿真方式，解决了参数更为复杂，涉及的因素更多的全方位步行运动优化。
Description
技术领域
本发明属于机器人仿真评估技术领域，特别涉及基于六自由度腿的机器人双足行走仿真评估系统及评估方法。
背景技术
在普通室内环境下，通常存在大量的障碍物，要求机器人能够避让、踩踏或越过这些复杂障碍物。同时，其他人类个体、动物、车辆等物体始终处于移动中，要求机器人在运动途中避让这些移动的障碍物。因此，仿人机器人需要具有灵活的双足行走能力，在保证稳定不摔的前提下，按照决策意志灵活控制步幅和方向，如前进、后退、侧移、旋转等，实现这些基本步幅的任意组合，即实现全方位步行的能力。
目前已有大量的仿人机器人样机及机器人仿真模型能够实现平稳的直线行走，但不能用于优化全方位步行运动，主要原因包括：
其一，全方位步行的运动参数更为复杂，涉及的因素更多，目前缺乏一套系统性的评估优化方法，进而无法覆盖全方位运动的各个方面，而是仅能实现单维度（前进或原地旋转）的改进；
其二，全方位步行性能需具有可比性，这对实验条件提出了较高的要求。机器人样机不可避免的具有加工制造差异，即便针对同一样机，一旦考虑全方位步行，则其实验条件很难控制一致。同时，样机实验存在费时、损耗大、成本高的缺点。
最后，无论是样机还是仿真模型，双足机器人的结构差异过大。有些机器人的腿部自由度数过少从而无法实现准确的全方位移动，有些机器人的腿部自由度过多，对于全方位步行移动存在多解状况。
对于双足步行机器人的全方位移动方法已发表诸多论文，但都集中在全方位步行的实现算法上。这些论文所实现的全方位步态规划算法直接在机器人样机上进行测试和验证（如实现全向步行的小型类人机器人及其控制方法），或者应用计算机仿真方法进行随意的全方位步行能力测试，验证了方法的可行性，但没有定量的评估方法，进而难以针对全方位步行能力从算法参数和结构参数的角度实施优化。
专利仿生足式机器人综合仿真策略（201410064577.9）针对足式机器人，建立模型，生成步态，进而实现了自学习调整方法和机器人自适应多协调控制方法。然而双足仿人机器人腿部结构一般较普通的足式机器人更为复杂，同时该专利并未明确所生成的步态类型，因而不能解决双足机器人的全方位步行运动仿真需求。专利一种欠驱动双足机器人行走控制方法（201310120251.9）给出了一种欠驱动机器人的步行控制方法，主要特殊机构和机器学习的方法实现了前进方向行走的控制，而难以实现全方位的步行运动。
在机器人的动力学仿真方面，已存在诸多机器人仿真平台，例如MicrosoftRobotics Studio，Webots，以及ROS中常用的RVIZ。这些仿真平台集成了机器人大部分功能的仿真。
Microsoft Robotics Studio是由微软公司开发的一种用于机器人项目的软件开发包，包括可视化编程语言，机器人服务和机器人仿真三个部分。Microsoft RoboticsStudio采用面向服务的架构来提高灵活性，具有模块化低耦合性的特点。MicrosoftRobotics Studio封装了物理引擎和渣染引擎，从而实现了更为真实的场景中实体的碰撞。
Webots是Cyberbotics公司开发的便携式机器人仿真平台，可在windows，Mac和Linux上运行，并支持多种编程语言，但它是商业软件，不支持开源。Webots基于开源的物理引擎ODE(Open Dynamics Engine)，可模拟机器人的物理行为，内部有3D编辑器，可构建机器人模型，提供了多种机器人如轮式的、多足的和飞行机器人的建模和仿真支持。
RVIZ是ROS中常用的一种机器人仿真平台。RVIZ最大功能就是可将机器人的各种传感器数据包括机器人各自的姿态通过RVIZ以3D可视化的方式在PC机上呈现出来。RVIZ本身是一个基于OGRE的3D显示环境，它集成了大量机器人运动控制与传感器数据显示插件。机器人开发人员可以通过使用这些插件将（kinect，双目摄像头，激光雷达）等数据通过第三方的驱动直接将图像显示在RVIZ界面上，同时能够快速进行信息的融合。
而OpenHRP 是日本产业技术综合研究所(AIST)开发，并以仿人机器人动力学仿真为主要目的开源仿真平台。该仿真平台是一个基于CORBA 协议（Common Object RequestBroker Architecture）的分布式仿真环境，有5 个CORBA 服务并行执行：用于正向动力学计算的DynamicsSimulator 服务、检测碰撞的CollisionDectector 服务、加载模型文件的ModelLoader 服务、视觉重构的VisionSimulator 服务以及机器人控制器服务Controller。主要用于仿真开链或闭链的变结构运动系统，通过正向动力学计算处理机器人及其工作环境的相互作用，还可仿真机器人的视觉系统、力和力矩、倾角、虚拟陀螺等传感器系统。因而可以在此基础上开发更高层次的机器人控制算法。
上述仿真平台均是通用的仿真环境，可以仿真人形、多足、轮式乃至蛇形等各类机器人，以及机器人与周围环境的交互关系。但仅能构成机器人仿真的基础，而不能完成最终的仿真优化任务。本发明则是对通用的机器人仿真平台进行二次开发，重构更多的仿真模块，从而在不依赖于特定的仿真平台的条件下，评估和优化双足机器人结构及其全方位行走规划算法。
发明内容
本发明要解决的问题是基于六自由度腿和普通室内环境的机器人双足行走的运动仿真评估问题，提供了一种专门针对左右腿各六自由度的仿人机器人双足行走的仿真评估系统与评估方法。在现有的动力学仿真软件的基础上，针对典型的具备全方位移动能力的六自由度腿双足机器人所开发的一套系统性仿真方法。其主要目的是评估和优化双足机器人结构及其全方位行走规划算法。
本发明的具体方案为：
基于六自由度腿的机器人双足行走仿真评估系统，包括双足机器人模型和步态规划算法，双足机器人模型-1和步态规划算法-2为仿真评估系统的输入，双足机器人模型包含了机器人的外形及动力学参数，步态规划算法则能够依据期望的落脚足迹规划出全身多达20余个关节的运动轨迹；仿真评估系统内设置有动力学仿真平台和标准实验目标足迹序列，并采集双足机器人的实际足迹序列，算出足迹跟随误差，并通过关节轨迹规划算法得到全身关节运动轨迹，将全身关节运动轨迹规划到动力学仿真平台，然后通过摔倒时刻和步行稳定裕度进行仿真评估；仿真评估系统的输出是仿真评估结果，用以评估机器人结构以及步态规划算法的性能。
其中双足机器人模型-1包含机器人的零部件3D模型-11以及动力学参数-12，其中动力学参数-12包括该零件的重量、重心位置、惯量矩阵的数据；零部件3D模型-11则一般采用三维CAD软件生成。通过机器人的整体装配关系构成双足机器人模型-1，特别是其每条腿仅有6个自由度。6个自由度包括：髋关节3个、膝关节1个、踝关节2个。
标准实验目标足迹序列-4是一种为全方位步行运动所确定的标准行走方式，每一次仿真实验均给与相同的行走指令，其中包括前进、后退、侧移和旋转等足迹指令。采用标准实验目标足迹序列-4的优势是保证历次全方位步行仿真实验之间具有可比性。该标准实验不考虑机器人的实际步行能力，足迹序列之间对应的步幅可能超出机器人的最大单步步幅，或由于步幅变化过大而不利于机器人的稳定步行。
全方位移动小车足迹推算算法-5是利用论文“仿人机器人参数化全方位步态规划方法”所提出的全方位移动小车模型对标准实验目标足迹序列-4中的足迹指令进行推算，确保步幅平滑过渡，左右脚落脚点合理，并对足迹指令施加最大步幅的限制，从而避免机器人全方位步行过程中出现足迹过渡不合理，进而无法正确生成双足运动步态。经全方位移动小车足迹推算算法-5推算生成了实际足迹序列-6。标准实验目标足迹序列-4所对应的步幅与实际足迹序列-6所对应的步幅之间的差异即足迹跟随误差-33，该变量体现了全方位步行的跟随能力。
关节轨迹规划算法-2依据实际足迹序列-6以及双足机器人模型-1进行步态规划，生成全身全部关节运动轨迹-7，全部关节运动轨迹-7即每个时刻机器人各个关节所应到达的转角位置。
动力学仿真平台-8中加载双足机器人模型-1，并按照仿真时刻控制各个关节，从而实现全部关节运动轨迹-7。仿真期间，由仿真系统的作用力计算功能计算出每个时刻地面反力的位置，结合当前落脚足迹的位置，进而计算出步行稳定裕度-32。当某个时刻机器人无法稳定行走时，由仿真系统自动记录摔倒的时刻-31。
由摔倒的时刻-31、步行稳定裕度-32以及足迹跟随误差-33共同构成仿真评估结果-3。
有益效果：
本发明主要针对的是左右腿各为六自由度（髋关节3个、膝关节1个、踝关节2个）的双足行走结构，这种自由度分布是实现稳定的全方位步行运动的最简化结构，可以准确的实现前进、后退、侧移、旋转的基础动作，并在仿人双足步行机器人上应用广泛。在对双足全方位行走进行运动仿真时，只需要提供机器人的三维模型及各零部件和机器人上身的动力学参数（质量、转动惯量等），再提供一套能够按预定足迹生成全身关节轨迹的步态规划算法，就可以对全方位步行运动进行仿真，输出最终运动能力评估结果；期间，由于应用了全向移动小车动力学模型，能够始终给出合理的预定足迹序列，有效避免步幅过渡过程所造成的步行失稳因素，所推荐的参数还能够给出机器人在全方位步行条件下执行避障或自主巡航中所应采取的步幅过渡策略，从而充分利用起仿真结果对现实的指导作用。有益效果表现为以下若干方面：
1．通过计算机仿真方式，解决了参数更为复杂，涉及的因素更多的全方位步行运动优化。
2．采用一套系统性的评估优化方法，覆盖全方位运动的各个方面，而非单维度（前进或原地旋转）的改进；
3．解决了6自由度腿这种特殊的能够实现全方位步行的双足机器人的全方位步行优化；
4．能够同时针对机械结构和步行运动参数两个角度进行双足步行的优化。
5．采用仿真技术实现双足机器人全方位行走的优化，节省大量样机制造和实验成本，可以利用仿真结果定量评估机器人的运动能力，对并在此基础上实现机械结构参数和步行实现算法上进行优化，进而缩短机器人开发周期。
附图说明：
图1、双足行走仿真的输入输出关系示意图；
图2、全方位双足步行行走仿真系统流程图；
图3、简化6自由度腿机器人的3D模型；
图4、规划步幅图。
具体实施例
下面通过示例性的实施例具体说明本发明。应当理解，本发明的范围不应局限于实施例的范围。任何不偏离本发明主旨的变化或改变能够为本领域的技术人员所理解。本发明的保护范围由所附权利要求的范围确定。
本发明的一个具体实施例描述如下：
一种6自由度腿双足机器人的腿部自由度配置如图3所示。3个髋关节呈正交布置，从而能够实现腿部的前摆、侧摆和竖直旋转；膝关节仅有1个前摆自由度；踝关节有2个自由度能够完成前摆和侧摆运动。该机器人能够完成前进、后退、侧移和旋转以及这些运动任意组合的全方位步行运动。
在现有机器人动力学仿真平台的基础上进行拓展产生。仿真系统的输入输出原理如图1所示。
双足机器人模型-1和步态规划算法-2是仿真系统的输入，双足机器人模型-1包含了机器人的外形及动力学参数，步态规划算法-2则能够依据期望的落脚足迹规划出全身多达20余个关节的运动轨迹。系统的输出是仿真评估结果-3，用以评估机器人结构以及步态规划算法的性能。具体的仿真评估系统流程如图2所示。
其中双足机器人模型-1包含机器人的零部件3D模型-11以及动力学参数-12，
对于零部件3D模型-11的实例，机器人模型的结构零件、驱动电机均采用简单的圆柱体和立方体3D模型。动力学参数-12则包括重量、重心坐标和惯量矩阵三个。标准实验目标足迹序列-4是一种为全方位步行运动所确定的标准行走方式，每一次仿真实验均给与相同的行走指令，其中包括前进、后退、侧移和旋转等足迹指令。
标准实验目标足迹序列-4的具体实例是采用图4示的具有前进、后退、左移、右移、左转、右转的阶跃性步幅所生成的全方位步行指令。图4中，首先要求前进运动一段时间后，立即修改为后退运动，一段时间后再切换为左移运动，后逐步经历右移，左转，右转等运动，最终要求机器人停止运动，进入稳定站立状态。利用论文“仿人机器人参数化全方位步态规划方法”所提出的全方位移动小车模型作为全方位移动小车足迹推算算法-5，对标准实验目标足迹序列-4中的足迹指令进行推算，生成了实际足迹序列-6。标准实验目标足迹序列-4所对应的步幅与实际足迹序列-6所对应的步幅之间的差异即足迹跟随误差-33，该变量体现了全方位步行的跟随能力。该差异具体表示为：
其中是第k步实际步幅与目标步幅的差异，分别是目标的前进、侧移、旋转步幅。是权重系数，针对历次步行仿真实验，均保持不变。n 是实验总步数。
关节轨迹规划算法-2的一种具体的实施例是采用三维线形倒立摆模型的预观控制方法获得机器人重心的运动轨迹，再通过机器人落地足位置，以及摆动足轨迹的逆运动学得到双腿各关节的关节轨迹，即步态规划。
动力学仿真平台-8采用OpenHRP仿真系统， OpenHRP由5个CORBA服务并行执行。分别是用于正向动力学计算的DynamicsSimulator服务、检测碰撞的CollisionDectector服务、加载模型文件的ModelLoader服务、视觉重构的VisionSimulator服务以及机器人控制器服务Controller。主要用于仿真开链或闭链的变结构运动系统，通过正向动力学计算处理机器人及其工作环境的相互作用，还可仿真机器人的视觉系统、力和力矩、倾角、虚拟陀螺等传感器系统。依据双足机器人模型-1生成双足模型文件：（1）采用三维建模软件Solidworks 对双足行走结构进行建模；（2）由零部件模型生成VRML三维模型文件，由双腿装配体模型生成空间装配关系文件，再结合由solidworks测量零部件实物得到的质量、转动惯量等机械参数生成双足模型文件；（3）通过 OpenHRP 的模型文件加载（Model Loader）服务将双足模型文件导入到仿真系统核心中。动力学仿真平台-8中加载双足机器人模型-1，并按照仿真时刻控制各个关节，从而实现全部关节运动轨迹-7。仿真期间，
由监测评估模块导出双足行走仿真结果，该结果用来评估优化双足行走和步态规划参数。双足行走仿真结果生成过程如下：（1）根据步态规划，通过正向动力学计算（Dynamics Simulator）服务、碰撞检测（Collision Detector）服务进行双足行走仿真，特别是通过正向动力学的计算得到脚底ZMP的位置，从而与足底边界进行对比，形成步行稳定裕度的评价；（2）根据双足行走仿真过程中产生的传感器仿真结果得到双足行走仿真数据结果，特别是检测机器人重心的变化，当重心位置变化幅度较大时，即判定机器人摔倒，从而获得步行稳定的时间段。
由摔倒的时刻-31、步行稳定裕度-32以及足迹跟随误差-33共同构成仿真评估结果-3。
以上所述的实施例仅为说明本发明的技术思想及特点，其描述较为具体和详细，其目的在于使本领域的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，。因此不能仅以此来限定本发明的专利范围，应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，即凡依据本发明实施例所作的任何修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术方案的范围内。
Claims (6)
1.基于六自由度腿的机器人双足行走仿真评估系统，其特征在于：包括双足机器人模型和步态规划算法，双足机器人模型(1)和步态规划算法(2)为仿真评估系统的输入，双足机器人模型包含了机器人的外形及动力学参数，步态规划算法则能够依据期望的落脚足迹规划出全身多达20余个关节的运动轨迹；仿真评估系统内设置有动力学仿真平台和标准实验目标足迹序列，并采集双足机器人的实际足迹序列，算出足迹跟随误差，并通过关节轨迹规划算法得到全身关节运动轨迹，将全身关节运动轨迹规划到动力学仿真平台，然后通过摔倒时刻和步行稳定裕度进行仿真评估；仿真评估系统的输出是仿真评估结果，用以评估机器人结构以及步态规划算法的性能；
仿真评估系统的作用力计算功能计算出每个时刻地面反力的位置，结合当前落脚足迹的位置，进而计算出步行稳定裕度；当某个时刻机器人无法稳定行走时，由仿真系统自动记录摔倒的时刻；摔倒的时刻、步行稳定裕度以及足迹跟随误差共同构成仿真评估结果。
2.根据权利要求1所述的基于六自由度腿的机器人双足行走仿真评估系统，其特征在于：双足机器人模型包含机器人的零部件3D模型以及动力学参数，其中动力学参数包括该零件的重量、重心位置、惯量矩阵的数据；零部件3D模型采用三维CAD软件生成。
3.根据权利要求1所述的基于六自由度腿的机器人双足行走仿真评估系统，其特征在于：双足机器人模型的每条腿仅有6个自由度。
4.根据权利要求3所述的基于六自由度腿的机器人双足行走仿真评估系统，其特征在于： 6个自由度包括：髋关节3个、膝关节1个、踝关节2个。
5.根据权利要求1所述的基于六自由度腿的机器人双足行走仿真评估系统，其特征在于：标准实验目标足迹序列为一种为全方位步行运动所确定的标准行走方式，每一次仿真实验均给与相同的行走指令，其中包括前进、后退、侧移和旋转的足迹指令。
6.根据权利要求1所述的基于六自由度腿的机器人双足行走仿真评估系统，其特征在于：关节轨迹规划算法依据实际足迹序列以及双足机器人模型进行步态规划，生成全身全部关节运动轨迹，全部关节运动轨迹即每个时刻机器人各个关节所应到达的转角位置。
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|---|---|
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