CN111813115B - 四足完全腾空项步态控制方法、系统及四足机器人 - Google Patents

四足完全腾空项步态控制方法、系统及四足机器人 Download PDF

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Abstract

本公开提出了四足完全腾空项步态控制方法、系统及四足机器人，获得足端轨迹曲线中关键点的位置和速度，以及两个关键点的间隔时间；基于关键点的位置、速度及间隔时间，使用曲线拟合方法得到足端的运动曲线；基于足端的运动曲线计算实时足端坐标，使用运动学逆解计算得到关节角度，基于该关节角度，控制四足机器人运动，以实现四足完全腾空项步态控制。

Description

四足完全腾空项步态控制方法、系统及四足机器人
技术领域
本公开属于机器人控制技术领域，尤其涉及四足完全腾空项步态控制方法、系统及四足机器人。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
四足机器人常见的步态包括爬行(Crawl)、对角小跑(Trot)、遛蹄(Pace)、跳跃(Bound)和飞奔(Gallop)等。其中，Trot步态的对称性好、姿态波动小、能够兼顾移动速度和能耗，因此被广泛采用。在Trot步态中，具有四足完全腾空项的Flying Trot步态可以实现更高的移动速度。
发明人在研究中发现，目前能够实现Flying Trot步态的四足机器人，FlyingTrot--四足完全腾空项，有美国麻省理工学院的Cheetah，美国波士顿动力公司的BigDog、LS3和Spotmini，意大利理工学院的HyQ，瑞士联邦理工学院的ANYmal等四足机器人。但是这些机器人均为大型或者中型四足机器人，存在结构和控制复杂的问题，大部分机器人需要安装足底或者关节力传感器，或者使用缓冲机构，因此很难移植到小型四足机器人上面。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本公开提供了四足机器人四足完全腾空项步态控制方法，通过步态规划，使在相对平整路面上运行的小型四足机器人在不需要使用力传感器或者被动弹性结构的前提下，可以实现具有四足完全腾空项的Flying Trot步态。
为实现上述目的，本公开的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
第一方面，公开了四足完全腾空项步态控制方法，包括：
获得足端轨迹曲线中关键点的位置和速度，以及两个关键点的间隔时间；
基于关键点的位置、速度及间隔时间，使用曲线拟合方法得到足端的运动曲线；
基于足端的运动曲线计算实时足端坐标，使用运动学逆解计算得到关节角度，基于该关节角度，控制四足机器人运动，以实现四足完全腾空项步态控制。
进一步的技术方案，使用曲线拟合方法得到足端的运动曲线时，定义需要求解的运动曲线函数表达式，对函数进行求导，根据曲线开始和结束点的约束条件，得到方程组；
根据得到的关键点的位置、速度及间隔时间，从而求得曲线的四个参数。
进一步的技术方案，获得足端轨迹曲线中关键点参数之前，还包括：
定义四足机器人的步态周期，摆动相和支撑相各占步态周期的二分之一；
使用惯性坐标系为参考坐标系，足端的运动定义成由X、Y、Z三个轴的分量合成，指定Z轴使用高度数据来表示；
根据高度变化，定义足端在Z轴方向上运动轨迹，根据运动速度要求，定义机器人足端在X轴上的运动轨迹，包括支撑相和摆动相两部分。
进一步的技术方案，控制四足机器人运动，之后根据四足机器人运动情况调整参数，得到最佳的运动曲线。
第二方面，公开了四足完全腾空项步态控制系统，包括：控制器，所述控制器被配置为执行以下步骤：
获得足端轨迹曲线中关键点的位置和速度，以及两个关键点的间隔时间；
基于关键点的位置、速度及间隔时间，使用曲线拟合方法得到足端的运动曲线；
基于足端的运动曲线计算实时足端坐标，使用运动学逆解计算得到关节角度，基于该关节角度，控制四足机器人运动，以实现四足完全腾空项步态控制。
第三方面，公开了四足机器人，所述四足机器人按照上述四足完全腾空项步态控制方法实现四足完全腾空项运动。
以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
本公开技术方案通过合理的步态规划，使在相对平整路面上运行的小型四足机器人在不需要使用力传感器或者被动弹性结构的前提下，可以实现具有四足完全腾空项的Flying Trot步态。
本公开技术方案基于足端位置控制的规划方法，通过规划足端轨迹曲线中关键点的位置和速度，以及两个关键点的间隔时间，使用三次曲线连接各个关键点拟合出足端轨迹曲线，从而实现Flying Trot步态。
相比其他小型四足机器人，采用了本公开技术方案的小型四足机器人能够实现四足完全腾空项的FlyingTrot步态运动，最快运动速度达到了每秒3倍身长甚至更高速的跑动。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为本公开实施例控制算法实施框图；
图2为本公开实施例Z轴的高度变化划分时序图；
图3为本公开实施例足端在Z轴方向上的运动轨迹图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
针对四足机器人为了能够实现Flying Trot步态，需要安装力传感器或者采用缓冲结构，且使用复杂控制算法的问题，本公开给小型四足机器人提供了一种不需要传感器和缓冲机构、控制比较简单的Flying Trot步态规划算法。
本实施例公开了四足完全腾空项步态控制方法，基于足端位置控制的路径规划，通过规划足端轨迹曲线中关键点的位置和速度，以及两个关键点的间隔时间，使用三次曲线连接各个关键点拟合出足端轨迹曲线，从而实现Flying Trot步态。
本公开首先将四足机器人在一个步态周期内的运动分成了两个部分，即支撑相和摆动相，然后把足端的运动分成了X轴、Y轴和Z轴三个方向的分量。将四足机器人在一个步态周期的运动过程中的重心高度变化分成了保持和地面接触、向下蹬地、快速抬腿至最高点、从最高点到落地四个阶段，保持和地面接触阶段为腿部处于支撑相的时间段，曲线满足维持匀速运动即可；向下蹬地阶段是摆动相的起始阶段，为了快速抬腿做准备；快速抬腿至最高点阶段是摆动相的关键时间段，需要使用最快的速度完成抬腿动作；从最高点到落地阶段只要满足两段曲线间平滑过渡即可。针对每一个阶段，初步确定足端采用的三次曲线，曲线的最终确定需要4个参数值，因此通过指定曲线的关键点位置、速度和时间间隔，来求解对应的四个参数值，从而确定最终的足端运动曲线。具体控制算法实施框图如图1所示，涉及的步骤如下：
步骤1定义四足机器人的步态周期为T，其中摆动相和支撑相各占二分之一，摆动相的时间＝支撑相时间＝T/2。
步骤2机器人的足端在三维空间中运动，使用惯性坐标系为参考坐标系，足端的运动定义成由X、Y、Z三个轴的分量合成，每一个分量都定义成关于时间t的函数，即x(t)、y(t)、z(t)。足端在每一个时刻对应的位置计算可以通过把时间点代入这三个函数得到。特别指定Z轴使用高度数据h来表示，z(t)＝h(t)。
步骤3将Z轴的高度变化定义成四个时间段，划分的依据主要是一个完整步态周期的时间分配，首先是摆动相和支撑相各占一半的周期，其次摆动相分成向上抬腿和落地两个部分，各占摆动相总时间的1/2，向上抬腿进一步根据2:3的比例划分成两个时间段，对应的为蹬地阶段和抬腿阶段。划分结果如图2所示。
步骤4根据高度变化，定义足端在Z轴方向上运动轨迹，运动轨迹的最高点是抬腿高度，满足运动过程的步高要求，轨迹如图3所示。根据运动速度要求，运动轨迹为三次曲线，三次曲线有四个参数，一次项的系数是足端的运动速度，定义机器人足端在X轴上的运动轨迹，包括支撑相和摆动相两部分。
步骤5确定足端运动轨迹中关键点的位置、速度以及时间间隔，机器人在规划这个运动步态之前会有确定的速度和运动路径要求，根据这两点得到关键点信息，表格里面对应的这些参数从给定的步态速度、运动路径得到。采用表1中的参数定义方法。
表1需要人工调整的所有变量
Figure BDA0002575143710000061
步骤6采用曲线拟合出足端的轨迹，得到曲线。
步骤7根据曲线计算实时足端坐标，使用运动学逆解计算得到关节角度，在四足机器人上面进行验证，采用仿真结果分析和机器人实物运行结果分析的方法人工调整参数，得到最佳的运动曲线。
其中，步骤3的图2说明如下：纵轴是重心高度，横轴是时间。hs表示四足机器人的足端着地时的重心高度；hrs表示四足机器人起跳时的重心高度与足端着地时的重心高度差，也是机器人在支撑相中的足端下蹬高度。0～T表示四足机器人的一个步行周期。SP1表示腿1、腿4的支撑相，RP1表示腿1、腿4的腾空相，SP2表示腿2、腿3的支撑相，RP2表示腿2、腿3的腾空相。ARP表示机器人四支腿均腾空的状态，记每段ARP的时间长度为tARP；以竖直向上为正方向，记重力加速度为g。
步骤4中的图3参数说明如下：zr表示四足机器人支撑相足端着地时，足端在z轴上的坐标，根据四足机器人腿部各个关节长度确定；hrs表示四足机器人腾空时的重心高度与足端着地时的重心高度差；h表示四足机器人在腾空相中的足端抬起高度；ts1与图2中的t1相等。足端在0时刻、ts1时刻、tr1时刻、tr2时刻、T时刻在z轴上的坐标分别为z0＝zr、z1、z2、z3、z4。以轴z的正方向为正方向，足端在0时刻、ts1时刻、tr1时刻、tr2时刻、T时刻相对于躯干的速度分别为vz0、vz1、vz2、vz3、vz4。
步骤6中涉及到的曲线拟合算法，首先定义需要求解的函数表达式为f(x)＝ax3+bx2+cx+d，对函数进行求导，可得f′(x)＝3ax2+2bx+c，根据曲线开始和结束点的约束条件，即速度符合机器人步态设置要求，位置符合机器人运动过程要求，可得到四个方程，即下面的方程组：
f(0)＝d＝x1
f′(0)＝c＝v1
f(T)＝aT3+bT2+cT+d＝x2
f′(T)＝3aT2+2bT+c＝v2
根据步骤5得到的关键点数据，可以确定上面公式中的x1、v1、x2、v2，即曲线运动起始点的位置x1、速度v1和曲线结束点的位置x2、速度v2，从而求得曲线的四个参数a、b、c、d。
在一个或多个实施例子中，还公开了四足完全腾空项步态控制系统，包括：控制器，所述控制器被配置为执行以下步骤：
获得足端轨迹曲线中关键点的位置和速度，以及两个关键点的间隔时间；
基于关键点的位置、速度及间隔时间，使用曲线拟合方法得到足端的运动曲线；
基于足端的运动曲线计算实时足端坐标，使用运动学逆解计算得到关节角度，基于该关节角度，控制四足机器人运动，以实现四足完全腾空项步态控制。
在一个实施例子中，公开了四足机器人，所述四足机器人按照上述四足完全腾空项步态控制方法实现四足完全腾空项运动。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (7)

1.四足完全腾空项步态控制方法，其特征是，包括：
将四足机器人的一个步态周期的运动过程中的重心高度变化分成保持和地面接触、向下蹬地、快速抬腿至最高点、从最高点到落地四个阶段；
所述保持和地面接触阶段为腿部处于支撑相的时间段，曲线满足维持匀速运动即可；
所述向下蹬地阶段是摆动相的起始阶段，为快速抬腿做准备；
所述快速抬腿至最高点阶段是摆动相的关键时间段，需要使用最快的速度完成抬腿动作；
所述从最高点到落地阶段只要满足两段曲线间平滑过渡即可；
针对每一个阶段，初步确定足端采用的三次曲线；
获得足端轨迹曲线中关键点的位置和速度，以及两个关键点的间隔时间；
基于关键点的位置、速度及间隔时间，使用曲线拟合方法得到足端的运动曲线；
所述关键点为曲线运动起始点和曲线运动结束点；
基于足端的运动曲线计算实时足端坐标，使用运动学逆解计算得到关节角度，基于该关节角度，控制四足机器人运动，以实现四足完全腾空项步态控制。
2.如权利要求1所述的四足完全腾空项步态控制方法，其特征是，使用曲线拟合方法得到足端的运动曲线时，定义需要求解的运动曲线函数表达式，对函数进行求导，根据曲线开始和结束点的约束条件，得到方程组；
根据得到的关键点的位置、速度及间隔时间，从而求得曲线的四个参数。
3.如权利要求1所述的四足完全腾空项步态控制方法，其特征是，获得足端轨迹曲线中关键点参数之前，还包括：
定义四足机器人的步态周期，摆动相和支撑相各占步态周期的二分之一；
使用惯性坐标系为参考坐标系，足端的运动定义成由X、Y、Z三个轴的分量合成，指定Z轴使用高度数据来表示；
根据高度变化，定义足端在Z轴方向上运动轨迹，根据运动速度要求，定义机器人足端在X轴上的运动轨迹，包括支撑相和摆动相两部分。
4.如权利要求1所述的四足完全腾空项步态控制方法，其特征是，控制四足机器人运动，之后根据四足机器人运动情况调整参数，得到最佳的运动曲线。
5.如权利要求2所述的四足完全腾空项步态控制方法，其特征是，所述约束条件为速度符合机器人步态设置要求，位置符合机器人运动过程要求。
6.利用如权利要求1-5任一项所述的四足完全腾空项步态控制方法的系统，其特征是，包括：控制器，所述控制器被配置为执行以下步骤：
获得足端轨迹曲线中关键点的位置和速度，以及两个关键点的间隔时间；
基于关键点的位置、速度及间隔时间，使用曲线拟合方法得到足端的运动曲线；
基于足端的运动曲线计算实时足端坐标，使用运动学逆解计算得到关节角度，基于该关节角度，控制四足机器人运动，以实现四足完全腾空项步态控制。
7.四足机器人，其特征是，所述四足机器人按照上述权利要求1-5任一所述的四足完全腾空项步态控制方法实现四足完全腾空项运动。
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