CN109398521A - 一种腰部扭动参与下的四足机器人静态步态设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种腰部扭动参与下的四足机器人静态步态设计方法，包括建立四足机器人模型，所述四足机器人模型包括躯干、行走足和髋关节；规划所述四足机器人模型静态步态的行走轨迹；建立坐标系Oxyz，并确定所述四足机器人模型的髋关节在所述坐标系Oxyz中的位置；根据所述行走轨迹，确定静态步态的最大步幅并且实现最大步幅的腰部扭角范围θ；根据所述行走轨迹，确定步长增量；检验所述四足机器人模型静态步态的行走轨迹的合理性。本发明的有益效果是使机器人拥有更大的步长从而获得更快的移动速度，能够保证行走过程中的稳定性、快速性和灵活性，规划得到的步态还具有连续性、稳定性和周期性。

Description

一种腰部扭动参与下的四足机器人静态步态设计方法

技术领域

本发明属于机器人运动规划技术领域，尤其是涉及一种腰部扭动参与下的四足机器人静态步态设计方法。

背景技术

随着社会的高度发展，我们的生活都越来越智能化、便捷化，各种各样的机器人都应运而生，机器人在我们的生活中扮演着越来越重要的角色。机器人作为人类的生产工具，在减轻劳动强度，提高生产率，改变生产模式，把人从危险、恶劣、繁重的工作环境下解放出来等方面，显示出极大的优越性，多足仿生机器人结构简单且灵活，承载能力强、稳定性好，不仅能在复杂的非结构路面上行走，轻易地跨过较大的障碍(如壕沟、岩石等)，而且能以动态步态实现快速移动。多足仿生机器人可以代替人完成许多危险作业，在军事、矿山开采、核能工业、星球探测、消防营救、建筑业、农林采伐、教育娱乐等领域有着广阔的应用前景。

而机器人的行走步态决定了机器人的性能、稳定性和工作范围等。如果机器人步态规划不当，则无法实现预期的功能。目前。多足机器人所有的表现和性能都只依靠足部的运动，缺乏腰部运动的参与，从仿生角度，机器人的性能就受到了一定的限制。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种腰部扭动参与下的四足机器人静态步态设计方法，能够通过腰部扭动带动机器人行走，提高机器人的快速性和稳定性。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种腰部扭动参与下的四足机器人静态步态设计方法，包括：

建立四足机器人模型，所述四足机器人模型包括躯干、行走足和髋关节；

规划所述四足机器人模型静态步态的行走轨迹；

建立坐标系Oxyz，并确定所述四足机器人模型的髋关节在所述坐标系Oxyz中的位置；

根据所述行走轨迹，确定静态步态的最大步幅并且实现最大步幅的腰部扭角范围θ；

根据所述行走轨迹，确定步长增量；

检验所述四足机器人模型静态步态的行走轨迹的合理性。

进一步地，所述躯干由依次连接的杆AB、杆BC、杆CD、杆DE、杆EF和杆FA组成，所述行走足包括第一行走足、第二行走足、第三行走足和第四行走足，分别与所述杆BC、杆CD、杆EF和杆FA连接，髋关节设置在所述躯干和行走足之间，分别为髋关节p₁、髋关节p₂、髋关节p₃和髋关节p₄。

进一步地，所述四足机器人模型静态步态的行走轨迹包括：

所述四足机器人模型处于初始状态，躯干呈矩形，所述第一行走足和所述第三行走足处在其可达空间的中间位置，所述第二行走足和所述第四行走足处在可达空间的尾端；

所述躯干向左扭动，同时向前移动，所述第四行走足向前移动；

所述躯干向右扭回初始位置，同时向前移动，所述第二行走足向前移动；

所述躯干向前移动，至此所述四足机器人模型完成半个步态周期，此时所述第二行走足和所述第四行走足处于可达空间的中间位置，所述第一行走足和所述第三行走足处于其可达空间的尾端；

所述躯干向右扭动，同时向前移动，所述第三行走足向前移动；

所述躯干向右扭回初始位置，同时向前移动，所述第一行走足向前移动；

所述躯干向前移动，至此完成整个步态周期，此时所述第一行走足和所述第三行走足处于其可达空间的中间位置，所述第二行走足和所述第四行走足处于其可达空间的尾端，回复到下一个步态周期的初始状态。

进一步地，通过矩阵变换的方法确定所述四足机器人模型的髋关节p₁、髋关节p₂、髋关节p₃和髋关节p₄在所述坐标系Oxyz中的位置为：

P₁＝[-l₃-l₂sinθ-e cosθ l₁cosθ+e sinθ 0]^T

P₂＝[l₃-l₂sinθ+e cosθ l₁cosθ-e sinθ 0]^T

P₃＝[-l₃-l₂sinθ-e cosθ -l₁cosθ-e sinθ 0]^T

P₄＝[l₃-l₂sinθ+e cosθ-l₁cosθ+e sinθ 0]^T

进一步地，所述腰部扭角范围θ应满足保持运动裕度大于零和保证躯干扭动时行走足不能离地且不与地面产生滑动摩擦。

进一步地，确定步长增量包括计算所述四足机器人行走足最大可达空间半径r_max；其立足点与对应髋关节中心点之间的横向距离为r；计算允许步长提高的最大横向距离PH；计算分界限PN长度；计算步长增量进而得到增加后步长。

进一步地，所述计算允许步长提高的最大横向距离PH包括：躯干原地扭动后，髋关节沿x轴和y轴平移的距离分别为Δx和Δy，求得最大横向距离

进一步地，分别计算在0＜r＜P₄N₄和P₄N₄＜r＜P₄H₄时步长的增加量，并计算增加后的步长。

本发明具有的优点和积极效果是：由于采用上述技术方案，通过腰部扭动带动机器人行走，让机器人拥有更大的步长从而获得更快的移动速度，同时提高机器人的运动稳定性，提高合理性；并且能够保证行走过程中的稳定性、快速性和灵活性，规划得到的步态还具有连续性、稳定性和周期性。

附图说明

图1是本发明中四足机器人模型结构示意图；

图2是本发明四足机器人模型行走轨迹示意图；

图3是本发明扭腰过后第一行走足的运动学裕度示意图；

图4是本发明行走足最大可达空间半径示意图；

图5是本发明最大横向距离PH示意图；

图6是本发明分界线PN示意图；

图7是本发明0＜r＜P₄N₄时步长的增加量示意图；

图8是本发明P₄N₄＜r＜P₄H₄时步长的增加量示意图。

图中：

1、杆AB 2、杆BC 3、杆CD

4、杆DE 5、杆EF 6、杆FA

7、第一行走足 8、第二行走足 9、第三行走足

10、第四行走足 11、髋关节p₁ 12、髋关节p₂

13、髋关节p₃ 14、髋关节p₄

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。

本实施例提供一种腰部扭动参与下的四足机器人静态步态设计方法，包括：

S1：如图1所示，建立四足机器人模型，四足机器人模型包括躯干、行走足和髋关节。躯干由依次连接的杆AB1、杆BC2、杆CD3、杆DE4、杆EF5和杆FA6组成，行走足包括第一行走足7、第二行走足8、第三行走足9和第四第一行走足0，分别与杆BC1、杆CD3、杆EF5和杆FA6连接，髋关节设置在躯干和行走足之间，分别为髋关节p₁ 11、髋关节p₂ 12、髋关节p₃ 13和髋关节p₄ 14。

设定躯干长度，杆BC＝杆CD＝杆EF＝杆FA＝l₁+l₂＝l，杆AB＝杆DE＝2l₃，其中l₁为杆被行走足分割出的长边，l₂为杆被行走足分割出的短边；行走足上各杆长为d₁、d₂和d₃；髋关节中点到对应杆中轴线的距离为e。躯干扭角为θ，躯干扭角定义为杆CD偏离其初始位置的角度，逆时针为正，顺时针为负，如图4。四足机器人模型在一个周期内行走足前进距离称为步长，用S_step表示，四足机器人模型行走足每走一步由躯干带动而前进的距离称为步幅，用S’_stride表示，经一个步态周期后，四足机器人模型行走的距离为S_stride。

S2：如图2所示，规划四足机器人模型静态步态的行走轨迹：包括

S201：四足机器人模型处于初始状态，躯干呈矩形，第一行走足和第三行走足处在其可达空间的中间位置，第二行走足和第四行走足处在可达空间的尾端；

S202：躯干向左扭动一定角度，同时向前移动一定步长，第四行走足向前移动一定步长；

S203：躯干向右扭回初始位置，同时向前移动一定步长，第二行走足向前移动一定步长；

S204：躯干向前移动一定步长，至此机器人完成半个步态周期，此时第二行走足和第四行走足处于可达空间的中间位置，第一行走足和第三行走足处于其可达空间的尾端；

S205：躯干向右扭动一定角度，同时向前移动一定步长，第三行走足向前移动一定步长；

S206：躯干向右扭回初始位置，同时向前移动一定步长，第一行走足向前移动一定步长；

S207：躯干向前移动一定步长，至此完成整个步态周期，此时第一行走足和第三行走足处于其可达空间的中间位置，第二行走足和第四行走足处于其可达空间的尾端，回复到下一个步态周期的初始状态。

S3：建立坐标系Oxyz，并确定四足机器人模型的髋关节在坐标系Oxyz中的位置。

坐标系Oxyz的建立方法为：当四足机器人模型的躯干处于初始状态时，躯干坐标系Oxyz的原点处在躯干的几何中心，其x轴指向其躯干右方，与杆AB平行；y轴指向躯干前方并与杆AB垂直；z轴由右手螺旋法则决定。当机器人躯干在一个步态周期内扭动，躯干坐标系的原点将不随之移动，且各坐标轴的方向也保持不变；当机器人躯干在一个步态周期内移动时，坐标轴原点将随之移动，且各坐标轴方向保持不变。

通过矩阵变换的方法确定四足机器人的髋关节p₁、髋关节p₂、髋关节p₃和髋关节p₄在坐标系Oxyz中的位置为：

P₁＝[-l₃-l₂sinθ-e cosθ l₁cosθ+e sinθ 0]^T

P₂＝[l₃-l₂sinθ+e cosθ l₁cosθ-e sinθ 0]^T

P₃＝[-l₃*l₂sinθ-e cosθ-l₁cosθ-e sinθ 0]^T

P₄＝[l₃-l₂sinθ+e cosθ-l₁cosθ+e sinθ 0]^T (1)

S4：根据行走轨迹，确定静态步态的最大步幅并且实现最大步幅的腰部扭角范围θ。

最大步幅：定义k为四足机器人模型的前进方向上行走足部可达空间前后边缘的距离，经过S204以后，第一行走足和第三行走足处在其可达空间的后边缘，这时四足机器人刚刚完成整个步态周期的一半。所以最大步幅不能超过k，否则第一行走足和第三行走足的运动学裕度将小于零(向后超出其可达空间)。

对于一个不扭腰的四足机器人，如果其步幅等于k，则S204以后，将没有办法使其第一行走足保持在其可达空间内，因为在S205四足机器人躯干依然保持前进。因此对于不扭腰机器人，其步幅与k需满足如下关系：

由此可见不扭腰机器人步幅小于k。

对于扭腰四足机器人情况将有所改变。第S205中机器人可以扭腰而改变第一行走足可达空间的位置，从而使第一行走足始终处在其可达空间内。为实现此目的，步长的增加量与步幅的关系必须满足

又因为最大步幅等于k，即S_stride＝k。所以

因为髋关节转角限定在-45°到45°，所以k与横向距离r有如下关系k＝2r，

故可计算得到：

(5)式的解集即为允许最大步幅等于k的对应的腰部扭角和横向距离。

腰部扭角范围θ的应满足保持运动裕度大于零和保证躯干扭动时行走足不能离地或与地面产生滑动摩擦。

1、保证躯干扭动时行走足不能离地或产生滑动摩擦：当躯干扭动的时候，踩在地上的足尖点不能离地，也不能与地面产生滑动摩擦。因此立足点和对应髋关节中点的距离不能超过对应行走足的最大长度，所以如下式子必须成立：

|P_iF_i|≤∑d_j，i＝1，2，3，j＝1，2，3 (6)

式中F_i为各行走足在地面上的立足点

2、保持运动裕度大于零：那些容易跑出其可达空间的行走足称之为“危险行走足”。步态周期过程中所有行走足必须呆在其可达空间内，以使其运动学裕度大于零。所以这里只关注“危险行走足”的情况。如图2所示可以看出当第四行走足处在前进过程中时第一行走足是“危险行走足”，当第三行走足处在前进过程中时第二行走足是“危险行走足”。这两种情况是一致的。

这里先计算机器人站在原定扭腰时第一行走足的运动学裕度变化情况。然后通过比较第一行走足的运动学裕度和步幅的关系得出保持运动学裕度大于零的腰部扭角合理范围。

如图3所示，扭腰过后第一行走足的运动学裕度(k＝F₁L₁)。实线和虚线扇形分别是第一行走足的扭腰前后可达区域。F₁是第一行走足的立足点；J₁红线和虚线的交点；P′₁是扭腰后髋关节的中点。

髋关节1的x、y轴坐标的变化计算如下

Δx₁＝||-e+l₂sinθ+e cosθ||＝l₂sinθ+e(cosθ-1)

Δy₁＝||l₁cosθ+e sinθ-l₁||＝l₁(cosθ-1)+e sinθ (7)

由图3可得，

J₁F₁＝r-Δx₁-P₁J₁

所以第一行走足的运动学裕度为

根据S201和S202运动过程，容易知道，为了使运动学裕度大于零，必须满足如下关系式

上式的解集即为“危险行走足”运动学裕度大于零的腰部扭角合理范围。

综合式(5)(10)的解集，即得到完成扭腰参与下的静态步态并且实现最大步幅的腰部扭角范围。

S5：根据行走轨迹，确定步长增量。确定步长增量包括计算四足机器人行走足最大可达空间半径r_max；其立足点与对应髋关节中心点之间的横向距离为r，计算允许步长提高的最大横向距离PH；计算分界限PN长度；计算步长增量。

1、计算四足机器人行走足最大可达空间半径：

髋关节转角限定在-45°到45°，因此行走足部可达空间是一个扇形。因为四条行走足安装在躯干的对称位置，所以四条行走足的步长关于躯干扭角的表达式是相同的。

如图4所示，以第四行走足为例。图P₄和P′₄分别是扭腰前后的髋关节中心点。

要得到步长表达式，首先得知道行走足可达空间的半径。对于一个特定的机器人，其半径取决于行走足的长度。对于本机器人其行走足部可达空间的半径为

躯干原地扭动后，髋关节沿x轴和y轴平移的距离分别为Δx和Δy，求得最大横向距离

2、计算允许步长提高的最大横向距离PH：

PH的长度是允许步长增加的最大横向距离。如图5所示，以第四行走足为例，可达空间在扭腰前后具有转换特性。整个转换过程分为3个步骤，首先沿x轴平移，再沿y轴平移，最后绕髋关节轴线旋转。

令P₄沿x轴和y轴平移的距离分别为Δx₄和Δy₄。根据式(1)，Δx₄和Δy₄可以计算如下

Δx₄＝||-l₂sinθ+e cos(θ-1)||＝l₂sinθ+e(1-cosθ)

Δy₄＝l₁(1-cosθ)+e sinθ (13)

如图5所示，得处p₄p″₄＝Δx₄且p″₄p′₄＝Δy₄。同时

在直角三角形ΔG₄P′₄I₄中有

则

所以P₄H₄的长度为

3、计算分界限PN长度：

如图6所示，以第四行走足为例计算PN长度，容易得到如下关系

P₄N₄＝P″₄N₄-Δx₄＝P′₄R-Δx₄ (18)

P′₄R在直角三角形ΔM₄P′₄R中

所以，

4、计算步长增量

①0＜r＜P₄N₄时步长的增加量

如图7所示，可以得到如下关系

F″₄F′₄＝F₄F′₄-F₄F″₄

F₄F″₄＝P₄F₄＝r

F₄F′₄＝L₄F′₄+Δy₄

P′₄L₄＝r+Δx₄ (21)

在直角三角形ΔF′₄P′₄L₄中

L₄F′₄＝P′₄L₄tan∠ΔF′₄P′₄L₄ (22)

所以步长的增加量为

ΔS_step表示步长的增加量

②当P₄N₄＜r＜P₄H₄时步长的增加量

如图8所示F₄F″₄＝P₄F₄＝r (24)

且

P′₄L₄＝P₄F₄+Δx＝r+Δx (25)

在直角三角形ΔF′₄P′₄L₄中，

且

F₄F′₄＝F₄L₄+L₄F′₄ (27)

由于L₄F′₄＝Δy，所以

所以

③计算步长

根据式(19)和(20)，可以计算得到增加后的步长为

S_step＝ΔS_step+2r (30)

其中S_step表示增加后的步长。联立式(23)，(29)和(30)，扭腰后步长的表达式为

S6：检验四足机器人模型静态步态的行走轨迹的合理性。

本实例的行走过程：第一步：机器人处于初始状态，躯干呈矩形，第一行走足和第三行走足处在其可达空间的中间位置，第二行走足第四行走足处在其可达空间的尾端。

第二步：躯干向左扭动一定角度，同时向前移动0.125步长，第四行走足向前移动1步长。

第三步：躯干向右扭回初始位置，同时向前移动0.125步长，第二行走足向前移动1步长。

第四步：躯干向前移动0.25步长，至此机器人完成半个步态周期，此时第二行走足第四行走足处于其可达空间的中间位置，第一行走足第三行走足处于其可达空间的尾端。

第五步：躯干向右扭动一定角度，同时向前移动0.125步长，第三行走足向前移动1步长。

第六步：躯干向右扭回初始位置，同时向前移动0.125步长，第一行走足向前移动1步长。

第七步：躯干向前移动0.25步长，至此机器人完成整个步态周期，此时第一行走足第三行走足处于其可达空间的中间位置，第二行走足第四行走足处于其可达空间的尾端。回复到下一个步态周期的初始状态。。

本发明的有益效果是：由于采用上述技术方案，通过腰部扭动带动机器人行走，让机器人拥有更大的步长从而获得更快的移动速度，同时提高机器人的运动稳定性，提高合理性；并且能够保证行走过程中的稳定性、快速性和灵活性，规划得到的步态还具有连续性、稳定性和周期性。

以上对本发明的一个或多个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (8)

1.一种腰部扭动参与下的四足机器人静态步态设计方法，其特征在于：包括：

建立四足机器人模型，所述四足机器人模型包括躯干、行走足和髋关节；

规划所述四足机器人模型静态步态的行走轨迹；

建立坐标系Oxyz，并确定所述四足机器人模型的髋关节在所述坐标系Oxyz中的位置；

根据所述行走轨迹，确定静态步态的最大步幅并且实现最大步幅的腰部扭角范围θ；

根据所述行走轨迹，确定步长增量；

检验所述四足机器人模型静态步态的行走轨迹的合理性。

2.根据权利要求1所述的腰部扭动参与下的四足机器人静态步态设计方法，其特征在于：所述躯干由依次连接的杆AB、杆BC、杆CD、杆DE、杆EF和杆FA组成，所述行走足包括第一行走足、第二行走足、第三行走足和第四行走足，分别与所述杆BC、杆CD、杆EF和杆FA连接，髋关节设置在所述躯干和行走足之间，分别为髋关节p₁、髋关节p₂、髋关节p₃和髋关节p₄。

3.根据权利要求1所述的腰部扭动参与下的四足机器人静态步态设计方法，其特征在于：所述四足机器人模型静态步态的行走轨迹包括：

所述四足机器人模型处于初始状态，所述躯干呈矩形，所述第一行走足和所述第三行走足处在其可达空间的中间位置，所述第二行走足和所述第四行走足处在可达空间的尾端；

所述躯干向左扭动，同时向前移动，所述第四行走足向前移动；

所述躯干向右扭回初始位置，同时向前移动，所述第二行走足向前移动；

所述躯干向前移动，至此所述四足机器人模型完成半个步态周期，此时所述第二行走足和所述第四行走足处于可达空间的中间位置，所述第一行走足和所述第三行走足处于其可达空间的尾端；

所述躯干向右扭动，同时向前移动，所述第三行走足向前移动；

所述躯干向右扭回初始位置，同时向前移动，所述第一行走足向前移动；

所述躯干向前移动，至此完成整个步态周期，此时所述第一行走足和所述第三行走足处于其可达空间的中间位置，所述第二行走足和所述第四行走足处于其可达空间的尾端，回复到下一个步态周期的初始状态。

4.根据权利要求1所述的腰部扭动参与下的四足机器人静态步态设计方法，其特征在于：通过矩阵变换的方法确定所述四足机器人模型的髋关节p₁、髋关节p₂、髋关节p₃和髋关节p₄在所述坐标系Oxyz中的位置为：

P₁＝[-l₃-l₂sinθ-ecosθ l₁cosθ+esinθ 0]^T

P₂＝[l₃-l₂sinθ+ecosθ l₁cosθ-esinθ 0]^T

P₃＝[-l₃-l₂sinθ-ecosθ -l₁cosθ-esinθ 0]^T

P₄＝[l₃-l₂sinθ+ecosθ -l₁cosθ+esinθ 0]^T

5.根据权利要求1所述的腰部扭动参与下的四足机器人静态步态设计方法，其特征在于：所述腰部扭角范围θ应满足保持运动裕度大于零和保证躯干扭动时行走足不能离地且不与地面产生滑动摩擦。

6.根据权利要求1所述的腰部扭动参与下的四足机器人静态步态设计方法，其特征在于：确定步长增量包括计算所述四足机器人行走足最大可达空间半径r_max；其立足点与对应髋关节中心点之间的横向距离为r；计算允许步长提高的最大横向距离PH；计算分界限PN长度；计算步长增量进而得到增加后步长。

7.根据权利要求6所述的腰部扭动参与下的四足机器人静态步态设计方法，其特征在于：所述计算允许步长提高的最大横向距离PH包括：躯干原地扭动后，髋关节沿x轴和y轴平移的距离分别为Δx和Δy，求得最大横向距离

8.根据权利要求6所述的腰部扭动参与下的四足机器人静态步态设计方法，其特征在于：分别计算在0＜r＜P₄N₄和P₄N₄＜r＜P₄H₄时步长的增加量，并计算增加后的步长。