CN109709967A - 机器人低运算要求的动态步态的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人和创客教育领域，具体涉及一种低运算要求的动态步态的实现方法。该方法包括：根据机器人的腿部结构，建立单腿运动学模型，推导机器人单腿的逆运动学公式；设计步态：使用对应的步态，使机器人当行走时的质心惯性力和重力的合力的延长线穿过机器人的支撑面；将步态周期中每只足端的坐标代入逆运动学公式中，得出每个关节角，并映射到舵机值。直接使用舵机值就可完成整个步态周期，这样就可以免去大量的运算，主控芯片的资源可以使用在其他更需要的方面，这在创客教育中是极其重要的。

Description

机器人低运算要求的动态步态的实现方法

技术领域

本发明涉及机器人领域，尤其涉及一种机器人低运算要求的动态步态的实现方法。

背景技术

在创客教育领域中，各种学习平台如小车和仿生机器人，由于用于学习，因此不能将平台设计地太大，价格不能太过于昂贵，这意味着用于创客教育的机器人在动力和主控芯片的运算能力上与大型机器人有较大的差距。因此在市面上用于教育的小狗机器人、人型机器人，大多只能使用较为缓慢的静态步态，在使用过程中特别不方便，这主要是是受限于价格和运算能力的结果。

为了解决教育足式机器人难以快速步行的问题，必须采用一种新的步态方法，应用在低运算能力主控芯片上，使得在尽可能减少运算需求的情况下，实现机器人的动态步态。

发明内容

针对目前技术中存在的不足之处，本发明提供一种机器人低运算要求的动态步态的实现方法，选取尽量少的点来确定机器人腿部的运动轨迹，根据对应的逆运动学公式，计算出各个时刻下的各个关节角度，然后根据具体使用方式得到舵机具体位置值，主控芯片只需发送舵机具体位置值指令给舵机，控制舵机在一定时间内转动到特定角度，便可完成整个步态，而无须进行更多的运算。

为实现上述目的，本发明提供一种机器人低运算要求的动态步态的实现方法，包括以下步骤：

模型建立：根据不同的腿型结构，建立单腿运动学模型并且采用对应的逆运动学公式；

确定步态：根据机器人运动轨迹，选择多个运动点来模拟机器人足端的一个运动周期；

运动角度的确定：将运动点代入逆运动学公式，计算出在各个时刻下的各个关节的运动角度；

步态实现：根据运动角度、舵机的安装方式和角度范围映射到舵机具体位置值，控制舵机完成整个步态。

作为优选，在模型建立步骤中，不同的机器人具有不同的腿型，机器人共有三种，包括双足机器人、四足机器人和六足机器人，对应的腿型也为这三种；运用仿生学原理将三种腿型建立对应的单腿运动学模型，并且推导出逆运动学公式。

作为优选，所述双足机器人的逆运动学公式为

其中D和f为

。

作为优选，所述四足机器人的逆运行学公式为：

其中d的计算公式为：

。

作为优选，所述六足机器人的逆运行学公式为：

其中d的计算公式为：

。

作为优选，在确定步态步骤中，多个点的选择按照以下规则：根据机器人的运动轨迹，选定进行落足和抬足时运动的第一个点作为落足点和抬足点，在落足点和抬足点的连线上选择中点，且在中点的正上方根据抬腿高度再选取一点，将这些点连接起来形成机器人足部的运动轨迹，构成机器人足端的一个运动周期。

作为优选，根据运动轨迹中各个点之间的距离，赋予相对应的时间，使得机器人在行走的过程中保持匀速运动。

作为优选，确定了足端轨迹的取点后，将每个时刻每个足端的点代入逆运动学公式，计算出每个足在各个时刻下的各个关节的运动角度。

作为优选，在步态实现步骤中，将所有关节的运动角度根据舵机的安装方式和角度范围映射到舵机具体位置值，并且规定相应的速度，主控芯片发送舵机具体位置值给舵机，控制舵机在一定时间内转动到特定角度，即完成整个步态的实现。

本发明的有益效果是：本发明提供的机器人低运算要求的动态步态的实现方法，根据不同种类的机器人的腿型的不同，采用不同的逆运动学公式，利用较少的点确定机器人单腿运动一个周期的轨迹：选取落足点和抬足点以及这两点的中点，确定了每只腿足端轨迹的取点后，将每个时刻每条腿足端的点带入逆运动学公式，可得出每只腿在各个时刻下的各个关节角度，最后将所有关节角度根据舵机的安装方式和角度范围映射到舵机具体位置值，并规定相应的速度，主控芯片只需发送舵机位置值指令给舵机，控制舵机在一定时间内转动到特定角度，便可完成整个步态，而无须进行更多的运算。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为本发明的人型机器人的单腿运动学模型；

图3为本发明的小狗机器人的单腿运动学模型；

图4为本发明的六足机器人的单腿运动学模型；

图5为人型机器人单腿步态周期轨迹；

图6为人型机器人双腿的运行次序表；

图7为小狗机器人单腿步态周期轨迹；

图8为小狗机器人四腿的运动次序表；

图9为六足机器人单腿步态周期轨迹；

图10为六足机器人两组腿的运动次序表。

具体实施方式

为了更清楚地表述本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。

请参阅图1，本发明提供一种机器人低运算要求的动态步态的实现方法，包括以下步骤：模型建立：根据不同的腿型结构，建立单腿运动学模型并且采用对应的逆运动学公式；确定步态：根据机器人运动轨迹，选择多个运动点来模拟机器人足端的一个运动周期；运动角度的确定：将运动点代入逆运动学公式，计算出在各个时刻下的各个关节的运动角度；步态实现：根据运动角度、舵机的安装方式和角度范围映射到舵机具体位置值，控制舵机完成整个步态。在本实施例中，因为不同的机器人腿型结构是不同的，根据机器人的具体类型选择最合适的单腿运动模型，采用最佳的逆运动学公式，这样才能使得机器人稳定工作；目前市面上主要为三种类型机器人：以人型机器人为代表的双足机器人，以小狗机器人为代表的四足机器人以及六足机器人，下面以这些机器人作为具体实施方法阐述本发明。

请参阅图2至图4，运用仿生学原理，建立单腿运动学模型，在人型机器人中，单腿具有5个自由度，其中a、b、c、d、e分别为第一与第二关节的连杆长度、第二与第三关节的连杆长度、第三与第四关节的连杆长度、第四与第五关节的连杆长度、第五关节与脚板的垂直距离；α、β、γ、Φ、φ为第一到第五关节的关节角；小狗机器人的单腿运动学模型的单腿运动学模型，单腿具有3个自由度，其中a、b、c分别为第一与第二关节的连杆长度、第二与第三关节的连杆长度、第三关节与足端的距离；α、β、γ分别为第一到第三关节的关节角；六足机器人的单腿运动学模型，单腿具有3个自由度，其中a、b、c分别为第一与第二关节的连杆长度、第二与第三关节的连杆长度、第三关节与足端的距离；α、β、γ分别为第一到第三关节的关节角。

双足机器人的逆运动学公式为：

其中D和f为：

。

四足机器人的逆运行学公式为：

其中d的计算公式为：

。

六足机器人的逆运行学公式为：

其中d的计算公式为：

。

推导出相应的单腿逆运学公式后，根据实际的机器人结构便可得到足端处于确定位置时，各个关节的角度。以人形机器人为例，测量出a、b、c、d、e的长度，确定一个足端位置，比如空间坐标为（20，20，200），带入对应的公式，得出足端位置在（20，20，200）时，得到各个关节的角度大小。

对于人型机器人，为了使得轨迹中的点数尽量少，减小主控芯片的运算负担，在单腿轨迹只选取尽量少的点；首先选取抬足点①和落足点⑤，同时在这两个点的连线上选取其中点⑥，且在中点⑥的正上方根据抬腿高度选取抬高点③，为了使得机器人足端的轨迹更加圆滑，可以在额外补充两个点：抬足点①、落足点⑤分别与抬高点③的连线的中点②、④，人型机器人的足端根据序号顺序依次到达轨迹上的点，最后回到序号①，完成一个单腿周期。因为人型机器人只有两条腿，在行走的过程中需要保证至少有一条腿处于支撑期，图中深色填充的表示该条腿处于支撑期，无填充表示处于摆动期，因此人型双腿的运动次序表中，在①和⑤两个点上，会连续两个时段，以增加行走过程中的稳定性。

在具体的应用中，由于大多数人形机器人的质心位于两条腿的髋关节之间，因此在行走的过程中需要把重心转移到处于支撑期的腿上，但由于在转移重心的过程中，由于质心的加速运动会产生与加速度方向相反的惯性力，导致重力和惯性力的合力外移至支撑面外，致使机器人行走时侧翻。为了解决这个问题，本申请在实际应用过程中，在人型机器人双腿支撑期实现对重心的转移，利用重心转移减速的时期完成迈腿，从而完成重心的稳定转移。

对于以小狗机器人为代表的四足机器人，共选取8个点：首先选取抬足点①和落足点⑤，同时在这两个点的连线上选取中点⑦，且在中点⑦的正上方根据抬腿高度选取抬高点③，为了使得整个轨迹更加圆滑，再分别选择抬足点①与抬高点③连线的中点②、抬高点③与落足点⑤连线的中点④、落足点⑤与中点⑦连线的中点⑥以及抬足点①与中点⑦连线的中点⑧。图中深色填充表示该腿处于支撑期，无填充表示处于摆动期；由于小狗机器人的四条腿是相同的，都以肘方向向后的方式安装在躯体上，因此小狗机器人的质心在水平地面的投影会较躯体几何中心偏后，且在小狗机器人运动的时候质心的惯性力和重力的合力的延长线与水平面的交点会更靠后，因此四条腿的足端所形成支撑面会比躯体的投影面更靠后，否则机体将会往运动反向相反的方向倾倒。

对于六足机器人，同样的选取几个点：首先选取抬足点①和落足点③，抬足点①和落足点③连线的中点④，且在中点④的正上方根据抬腿高度选取抬高点②，由于六足机器人的结构冗余，所以可以忽略六足机器人的平衡，只对足端轨迹和迈腿次序进行设计，以六足机器人的三角步态为例，左前足、左后足和右中足为一组，称为A组；左中足、右前足和右后足为组B，同一组的腿会处于同一时期（支撑期或摆动期）。

为了使得机器人在行走过程中保持匀速运动，所有的腿都按照相同的速度进行运动，因此根据轨迹中相邻点之间的距离，赋予相应的时间；再确定了每只腿足端轨迹的取点后，将每个时刻每条腿足端的点的坐标值代入逆运动学公式，可得出每只腿在各个时刻下的各个关节角度。

最后将所有关节角度根据舵机的安装方式和角度范围映射到舵机具体位置值，并根据实际需求规定相应的速度，主控芯片只需发送舵机具体位置值指令给舵机，控制舵机在一定时间内转动到特定角度，便可完成整个步态，而无须进行更多的运算。例如某一舵机安装位置确定了起始舵机位置值为500，逆运动学公式得出该关节角度为30°，该舵机的角度范围为0°~240°，对应的舵机值为0~1000，因此确定该关节舵机的舵机值为500±30/240/1000，当舵机在一定时间内达到该舵机值时，即实现完成对该动态步态的实现。

本发明的优势在于：

1）根据不同的机器人的运动特点，建立不同的单腿运动模型，采用对应的逆运动学公式，从而使得机器人运动更加稳定；

2）选择具有代表性的点代表腿部的运动轨迹，将这些点的坐标代入公式，最终得到舵机值；

3）使用舵机值完成整个步态周期，免去主控芯片对于步态运动的大量的运算。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种机器人低运算要求的动态步态的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

模型建立：根据不同的腿型结构，建立单腿运动学模型并且采用对应的逆运动学公式；

确定步态：根据机器人运动轨迹，选择多个运动点来模拟机器人足端的一个运动周期；

运动角度的确定：将运动点代入逆运动学公式，计算出在各个时刻下的各个关节的运动角度；

步态实现：根据运动角度、舵机的安装方式和角度范围映射到舵机具体位置值，控制舵机完成整个步态。

2.根据权利要求1所述的机器人低运算要求的动态步态的实现方法，其特征在于，在模型建立步骤中，不同的机器人具有不同的腿型，机器人共有三种，包括双足机器人、四足机器人和六足机器人，对应的腿型也为这三种；运用仿生学原理将三种腿型建立对应的单腿运动学模型，并且推导出逆运动学公式。

3.根据权利要求2所述的机器人低运算要求的动态步态的实现方法，其特征在于，所述双足机器人的逆运动学公式为

其中D和f为

。

4.根据权利要求2所述的机器人低运算要求的动态步态的实现方法，其特征在于，所述四足机器人的逆运行学公式为：

：

其中d的计算公式为：

。

5.根据权利要求2所述的机器人低运算要求的动态步态的实现方法，其特征在于，所述六足机器人的逆运行学公式为：

其中d的计算公式为

。

6.根据权利要求1所述的机器人低运算要求的动态步态的实现方法，其特征在于，在确定步态步骤中，多个点的选择按照以下规则：根据机器人的运动轨迹，选定进行落足和抬足时运动的第一个点作为落足点和抬足点，在落足点和抬足点的连线上选择中点，且在中点的正上方根据抬腿高度再选取一点，将这些点连接起来形成机器人足部的运动轨迹，构成机器人足端的一个运动周期。

7.根据权利要求6所述的机器人低运算要求的动态步态的实现方法，其特征在于，根据运动轨迹中各个点之间的距离，赋予相对应的时间，使得机器人在行走的过程中保持匀速运动。

8.根据权利要求1所述的机器人低运算要求的动态步态的实现方法，其特征在于，确定了足端轨迹的取点后，将每个时刻每个足端的点代入逆运动学公式，计算出每个足在各个时刻下的各个关节的运动角度。

9.根据权利要求1所述的机器人低运算要求的动态步态的实现方法，其特征在于，在步态实现步骤中，将所有关节的运动角度根据舵机的安装方式和角度范围映射到舵机具体位置值，并且规定相应的速度，主控芯片发送舵机具体位置值给舵机，控制舵机在一定时间内转动到特定角度，即完成整个步态的实现。