CN112847371B - 一种仿人机器人动态跨越连续障碍物的运动规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿人机器人动态跨越连续障碍物的运动规划方法。包括如下步骤：步骤1，仿人机器人连续跨越障碍物的运动规划约束；步骤2，仿人机器人连续跨越障碍物的运动规划算法；所述步骤1包括几何和双腿运动约束、平衡约束以及减少地面碰撞的约束；所述步骤2包括通用的可行性分析单元、腿部轨迹生成器、双足适配器和上身运动生成器。本发明通过仿人机器人动态连续跨越障碍物的运动规划方法，得到仿人机器人的腿部、腰部和上身的运动轨迹，并通过基于带质心轨迹补偿的仿人机器人上身运动的腿部轨迹规划方法，以实现仿人机器人动态连续跨越障碍物，并获得稳定实用的跨越步态。

Description

一种仿人机器人动态跨越连续障碍物的运动规划方法

技术领域

本发明涉及机器人运动学领域，特别是一种仿人机器人动态跨越连续障碍物的运动规划方法。

背景技术

全尺寸双足仿人机器人对各种环境具有良好的适应性，有望为人类的日常生活和工作提供帮助。腿式机器人在有障碍物和不连续高度变化的地形上更适合移动。对于双足机器人来说，行走或者奔跑时的动态平衡是一个挑战，因为它是不稳定的。在过去的几十年里，各种各样的仿人机器人被开发出来。许多学者对仿人机器人的动力学分析、行走模式、步态生成和系统仿真等理论进行了一系列的研究。虽然仿人机器人的研究已经取得了很大的进展，但由于其在复杂环境下的运动性能限制，其离实际应用还很遥远。在相当多的极端情况下，仿人机器人需要在废墟中执行救援任务。遇到无法避免的障碍，它们必须能够越过障碍，然后到达目的地。机器人在面对不同大小的障碍物时，可以选择两种策略来实现障碍物的处理。一种是使用步进开关法，另一种是采用跨步法。众所周知，仿人机器人可以平稳地跨过小障碍物。对于跨越大型障碍物，以往的研究只有单一的障碍，至于跨越连续的大型障碍物缺乏一定的研究，为了更好的替代或协助人类完成指定的任务，仿人机器人需要具有跨越连续障碍物的能力。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种可以得到仿人机器人的腿部、腰部和上身的运动轨迹，并通过基于带质心轨迹补偿的仿人机器人上身运动的腿部轨迹规划方法，以实现仿人机器人动态连续跨越障碍物，并获得稳定实用的跨越步态的仿人机器人动态跨越连续障碍物的运动规划方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种仿人机器人动态跨越连续障碍物的运动规划方法，包括如下步骤：步骤1，仿人机器人连续跨越障碍物的运动规划约束；步骤2，仿人机器人连续跨越障碍物的运动规划算法；所述步骤1包括几何和双腿运动约束、平衡约束以及减少地面碰撞的约束；所述步骤2包括通用的可行性分析单元、腿部轨迹生成器、双足适配器和上身运动生成器。

进一步地，所述步骤1具体包括如下：

SS00几何和双腿运动约束，具体包括：关节约束、关节空间和笛卡尔空间的连续性、关节处执行器扭矩的约束、仿人机器人在移动过程中髋部高度的约束、仿人机器人在其移动过程中最小髋部高度下的最大步长的约束和仿人机器人在双足支撑阶段的无碰撞约束；

SS01平衡约束，为了获得仿人机器人稳定的运动轨迹，需要选择合适的机器人模型。在这里，选择直线倒立摆模型作为仿人机器人模型，零力矩点作为跨步的稳定性指标；

SS02减少地面碰撞的约束，为了跨过连续的障碍物，仿人机器人需要产生很大的步长，其摆动腿的运动高度较高。因此，在单腿支撑阶段的开始和结束时，仿人机器人的摆动腿应具有零速度。仿人机器人在着陆前以较低的平均速度形成足部的轨迹，以降低着陆足的反弹，同时，也减少对足部传感器的冲击。

进一步地，所述步骤2具体包括如下：

SS00通用的可行性分析单元，具体包括：决定仿人机器人初始中间立足点、输入跨越步态的条件约束、根据连续障碍物的大小和连续障碍物之间的间距的不同，仿人机器人自主分析通过连续障碍物的可行性跨越步态以及仿人机器人跨越步态参数规划的参数化。

SS01腿部轨迹生成器，在仿人机器人坐标系下，通过多个步骤来获得仿人机器人两条腿的运动轨迹。第一步是利用直线倒立摆模型得到支撑腿在三个方向上的运动轨迹。第二步是在世界坐标系中规划摆动退的轨迹，以跨过障碍物。第三步考虑世界坐标系中摆动退轨迹与支撑腿轨迹的关系，得到摆动腿轨迹。具体包括如下过程：

1)腰部/质心轨迹在水平面的规划：利用直线倒立摆模型，仿人机器人的腰部轨迹可以通过几个步长进行计算。由于步长长度可能不是恒定的，在切换支撑脚的同时，必须插入双腿支撑阶段以获得平滑的零力矩点和可调的步长。通过输入的初始/结束速度和加速度，采用四次多项式计算双腿支撑阶段腰部轨迹。

2)腰部/质心轨迹在垂直面的规划：在垂直面上，仿人机器人的腰部/质心运动可根据双腿支撑阶段所需的腰部高度进行计算。

3)世界坐标系中，仿人机器人的摆动腿轨迹规划：为了不与障碍物相撞，跨过大型障碍物，仿人机器人需要更多的控制点信息来规划脚的轨迹。为了通过预先设定的控制点，三次样条插值算法非常有用。三次多项式由n+1个点组成的n条轨迹构成：

q_j(t)＝a_j+b_j(t-t_j-1)+c_j(t-t_j-1)²+d_j(t-t_j-1)³。让两个预设点之间的时间间隔为：h_j-1＝t_j-t_j-1。在每个点添加限制函数如下：

在这些条件下，可得：

与传统方法不同的是，开始和结束速度都设置为零，而不是加速度。此方法能有效避免着陆冲击，可简化计算：

因此，等式写成矩阵形式如下：

4)在机器人坐标系中计算仿人机器人摆动腿的轨迹：世界坐标系中摆动腿的脚轨迹是摆动腿运动和支撑腿运动的运动合成。在得到腰部轨迹和摆动腿轨迹后，可以根据以下公式计算摆动腿轨迹：

Y_{sup port}(t)+Y_swing(t)＝0

X_{sup port}(t)+X_swing(t)＝X_world

Z_{sup port}(t)+Z_swing(t)＝Z_world

5)重新排列质心轨迹：利用腰部和质心的关系，很容易得到仿人机器人质心在水平面和垂直面上的运动轨迹

6)计算期望的零力矩点轨迹：期望的零力矩点轨迹通过推车模型和输入的质心运动轨迹进行重新计算。

SS02仿人机器人的双足适配器，考虑碰撞约束，双足适配器调整脚轨迹和腰部轨迹，以应对中间碰撞。通用的可行性分析单元支持所有双支撑阶段的无碰撞。在单腿支撑阶段没有碰撞检测。在单支撑阶段，后膝关节在向障碍物摆动时可能与安全区域相交，支撑腿的膝盖也可能与近障碍物的底边相交。为了检测单腿支撑阶段的碰撞，可以根据需要修改仿人机器人足部轨迹和腰部高度。

SS03仿人机器人的上身运动生成器，由于采用了直线倒立摆模型，实际仿人机器人的质心是分布式的，跨越的大幅度移动导致仿人机器人质心的明显迁移。因此，通过仿人机器人质心补偿的方法来进行仿人机器人跨越障碍物时的上身运动规划。有两种方法可以使用：一是使用仿人机器人的腰部，二是使用仿人机器人的髋部。

相比于现有技术，本发明的优点在于：1、本发明通过仿人机器人动态连续跨越障碍物的规划方法，实现了仿人机器人动态连续跨越障碍物的能力，提升了仿人机器人克服障碍物的能力，对仿人机器人在工程实践应用中具有很好的指导意义。

2、本发明通过实现仿人机器人动态连续跨越障碍物的能力，使得仿人机器人更加灵活，更加智能，进一步提升了其工作能力和工作范围。

附图说明

图1为本发明的一种仿人机器人动态跨越连续障碍物的运动规划方法的步骤流程图；

图2为XT-I机器人本体图；

图3为两个障碍物之间的距离大于仿人机器人的足长，且在单腿支撑阶段，摆动腿可在一个步长内一次性跨越两个障碍物的OpenHRP仿真平台的仿真结果图；

图4为两个障碍物之间的距离足够大，仿人机器人需要通过多个步长跨越两个障碍物的OpenHRP仿真平台的仿真结果图；

图5为两个障碍物之间的距离大于仿人机器人的足长，且在单腿支撑阶段，摆动腿可在一个步长内一次性跨越两个障碍物的XT-I机器人的实测结果图；

图6为两个障碍物之间的距离足够大，仿人机器人需要通过多个步长跨越两个障碍物的XT-I机器人的实测结果图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。

如图1所示，一种仿人机器人动态跨越连续障碍物的运动规划方法，包括如下步骤：步骤1，仿人机器人连续跨越障碍物的运动规划约束；步骤2，仿人机器人连续跨越障碍物的运动规划算法；所述步骤1包括几何和双腿运动约束、平衡约束以及减少地面碰撞的约束；所述步骤2包括通用的可行性分析单元、腿部轨迹生成器、双足适配器和上身运动生成器。

所述步骤1具体包括如下：

SS00几何和双腿运动约束，具体包括：关节约束、关节空间和笛卡尔空间的连续性、关节处执行器扭矩的约束、仿人机器人在移动过程中髋部高度的约束、仿人机器人在其移动过程中最小髋部高度下的最大步长的约束和仿人机器人在双足支撑阶段的无碰撞约束；

SS01平衡约束，为了获得仿人机器人稳定的运动轨迹，需要选择合适的机器人模型。在这里，选择直线倒立摆模型作为仿人机器人模型，零力矩点作为跨步的稳定性指标；

SS02减少地面碰撞的约束，为了跨过连续的障碍物，仿人机器人需要产生很大的步长，其摆动腿的运动高度较高。因此，在单腿支撑阶段的开始和结束时，仿人机器人的摆动腿应具有零速度。仿人机器人在着陆前以较低的平均速度形成足部的轨迹，以降低着陆足的反弹，同时，也减少对足部传感器的冲击。

所述步骤2具体包括如下：

SS00通用的可行性分析单元，具体包括：决定仿人机器人初始中间立足点、输入跨越步态的条件约束、根据连续障碍物的大小和连续障碍物之间的间距的不同，仿人机器人自主分析通过连续障碍物的可行性跨越步态以及仿人机器人跨越步态参数规划的参数化。

SS01腿部轨迹生成器，在仿人机器人坐标系下，通过多个步骤来获得仿人机器人两条腿的运动轨迹。第一步是利用直线倒立摆模型得到支撑腿在三个方向上的运动轨迹。第二步是在世界坐标系中规划摆动退的轨迹，以跨过障碍物。第三步考虑世界坐标系中摆动退轨迹与支撑腿轨迹的关系，得到摆动腿轨迹。具体包括如下过程：

1)腰部/质心轨迹在水平面的规划：利用直线倒立摆模型，仿人机器人的腰部轨迹可以通过几个步长进行计算。由于步长长度可能不是恒定的，在切换支撑脚的同时，必须插入双腿支撑阶段以获得平滑的零力矩点和可调的步长。通过输入的初始/结束速度和加速度，采用四次多项式计算双腿支撑阶段腰部轨迹。

2)腰部/质心轨迹在垂直面的规划：在垂直面上，仿人机器人的腰部/质心运动可根据双腿支撑阶段所需的腰部高度进行计算。

3)世界坐标系中，仿人机器人的摆动腿轨迹规划：为了不与障碍物相撞，跨过大型障碍物，仿人机器人需要更多的控制点信息来规划脚的轨迹。为了通过预先设定的控制点，三次样条插值算法非常有用。三次多项式由n+1个点组成的n条轨迹构成：

q_j(t)＝a_j+b_j(t-t_j-1)+c_j(t-t_j-1)²+d_j(t-t_j-1)³。让两个预设点之间的时间间隔为：

h_j-1＝t_j-t_j-1。在每个点添加限制函数如下：

在这些条件下，可得：

与传统方法不同的是，开始和结束速度都设置为零，而不是加速度。此方法能有效避免着陆冲击，可简化计算：

因此，等式写成矩阵形式如下：

4)在机器人坐标系中计算仿人机器人摆动腿的轨迹：世界坐标系中摆动腿的脚轨迹是摆动腿运动和支撑腿运动的运动合成。在得到腰部轨迹和摆动腿轨迹后，可以根据以下公式计算摆动腿轨迹：

Y_{sup port}(t)+Y_swing(t)＝0

X_{sup port}(t)+X_swing(t)＝X_world

Z_{sup port}(t)+Z_swing(t)＝Z_world

5)重新排列质心轨迹：利用腰部和质心的关系，很容易得到仿人机器人质心在水平面和垂直面上的运动轨迹

6)计算期望的零力矩点轨迹：期望的零力矩点轨迹通过推车模型和输入的质心运动轨迹进行重新计算。

SS02仿人机器人的双足适配器，考虑碰撞约束，双足适配器调整脚轨迹和腰部轨迹，以应对中间碰撞。通用的可行性分析单元支持所有双支撑阶段的无碰撞。在单腿支撑阶段没有碰撞检测。在单支撑阶段，后膝关节在向障碍物摆动时可能与安全区域相交，支撑腿的膝盖也可能与近障碍物的底边相交。为了检测单腿支撑阶段的碰撞，可以根据需要修改仿人机器人足部轨迹和腰部高度。

SS03仿人机器人的上身运动生成器，由于采用了直线倒立摆模型，实际仿人机器人的质心是分布式的，跨越的大幅度移动导致仿人机器人质心的明显迁移。因此，通过仿人机器人质心补偿的方法来进行仿人机器人跨越障碍物时的上身运动规划。有两种方法可以使用：一是使用仿人机器人的腰部，二是使用仿人机器人的髋部。

实施例1

一种仿人机器人动态跨越连续障碍物的运动规划方法应用于XT-I机器人基于OpenHRP仿真平台的仿真，具体过程如下：

请参阅图2、图3和图4所示，XT-I是一个灾难救援智能机器人，是一个成人大小的仿人机器人，且有足够的自由度来做复杂的运动。本实施例基于XT-I机器人真实的参数在构建虚拟机器人的OpenHRP仿真平台中进行XT-I机器人动态跨越连续障碍物的仿真。鉴于考虑两个障碍物之间的距离与仿人机器人跨步步长的关系，本实施例考虑两个障碍物之间的不同距离的两种情况。一是两个障碍物之间的距离大于仿人机器人的足长，且在单腿支撑阶段，摆动腿可在一个步长内一次性跨越两个障碍物，仿真结果请参阅图3所示；二是两个障碍物之间的距离足够大，仿人机器人需要通过多个步长跨越障碍物，仿真结果请参阅图4所示。

实施例2

一种仿人机器人动态跨越连续障碍物的运动规划方法应用于XT-I仿人机器人，具体过程如下：

请参阅图2、图5和图6所示，XT-I是一个灾难救援智能机器人，是一个成人大小的仿人机器人，且有足够的自由度来做复杂的运动。本实施例基于XT-I仿人机器人进行实际操作。鉴于考虑两个障碍物之间的距离与仿人机器人跨步步长的关系，本实施例考虑两个障碍物之间的不同距离的两种情况。一是两个障碍物之间的距离大于仿人机器人的足长，且在单腿支撑阶段，摆动腿可在一个步长内一次性跨越两个障碍物，实测结果请参阅图5所示；二是两个障碍物之间的距离足够大，仿人机器人需要通过多个步长跨越障碍物，实测结果请参阅图6所示。

Claims (2)

1.一种仿人机器人动态跨越连续障碍物的运动规划方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1)：仿人机器人连续跨越障碍物的运动规划约束；步骤2)：仿人机器人连续跨越障碍物的运动规划算法；所述步骤1)包括几何和双腿运动约束、平衡约束、减少地面碰撞的约束；所述步骤2)包括通用的可行性分析单元、腿部轨迹生成器、双足适配器和上身运动生成器；所述步骤2)具体包括如下：

所述通用的可行性分析单元，具体包括：决定仿人机器人初始中间立足点、输入跨越步态的条件约束、根据连续障碍物的大小和连续障碍物之间的间距的不同，仿人机器人自主分析通过连续障碍物的可行性跨越步态以及仿人机器人跨越步态参数规划的参数化；

所述腿部轨迹生成器，在仿人机器人坐标系下，通过多个步骤来获得仿人机器人两条腿的运动轨迹：第一步是利用直线倒立摆模型得到支撑腿在三个方向上的运动轨迹；第二步是在世界坐标系中规划摆动退的轨迹，以跨过障碍物；第三步考虑世界坐标系中摆动退轨迹与支撑腿轨迹的关系，得到摆动腿轨迹；

所述仿人机器人的双足适配器调整脚轨迹和腰部轨迹，以应对中间碰撞，在单支撑阶段，后膝关节在向障碍物摆动时可能与安全区域相交，支撑腿的膝盖也可能与近障碍物的底边相交，为了检测单腿支撑阶段的碰撞，根据需要修改仿人机器人足部轨迹和腰部高度，

所述仿人机器人的上身运动生成器，通过仿人机器人质心补偿的方法来进行仿人机器人跨越障碍物时的上身运动规划，所述仿人机器人质心补偿的方法包括使用仿人机器人的腰部，或者使用仿人机器人的髋部；

所述腿部轨迹生成器，在仿人机器人坐标系下，通过多个步骤来获得仿人机器人两条腿的运动轨迹具体包括如下过程：

1)腰部/质心轨迹在水平面的规划：利用直线倒立摆模型，仿人机器人的腰部轨迹通过几个步长进行计算；由于步长长度可能不是恒定的，在切换支撑脚的同时，必须插入双腿支撑阶段以获得平滑的零力矩点和可调的步长，通过输入的初始/结束速度和加速度，采用四次多项式计算双腿支撑阶段腰部轨迹，

2)腰部/质心轨迹在垂直面的规划：在垂直面上，仿人机器人的腰部/质心运动可根据双腿支撑阶段所需的腰部高度进行计算：

3)世界坐标系中，仿人机器人的摆动腿轨迹规划：为了不与障碍物相撞，跨过大型障碍物，仿人机器人需要更多的控制点信息来规划脚的轨迹，为了通过预先设定的控制点，三次样条插值算法非常有用，三次多项式由n+1个点组成的n条轨迹构成：

q_j(t)＝a_j+b_j(t-t_j-1)+c_j(t-t_j-1)²+d_j(t-t_j-1)³；让两个预设点之间的时间间隔为：

h_j-1＝t_j-t_j-1，在每个点添加限制函数如下：

在这些条件下，可得：

开始和结束速度都设置为零，而不是加速度，可简化计算：

因此，等式写成矩阵形式如下：

4)在机器人坐标系中计算仿人机器人摆动腿的轨迹：世界坐标系中摆动腿的脚轨迹是摆动腿运动和支撑腿运动的运动合成，在得到腰部轨迹和摆动腿轨迹后，根据以下公式计算摆动腿轨迹：

Y_support(t)+Y_swing(t)＝0

X_support(t)+X_swing(t)＝X_world

Z_support(t)+Z_swing(t)＝Z_world

5)重新排列质心轨迹：利用腰部和质心的关系，得到仿人机器人质心在水平面和垂直面上的运动轨迹；

6)计算期望的零力矩点轨迹：期望的零力矩点轨迹通过推车模型和输入的质心运动轨迹进行重新计算。

2.根据权利要求1所述的一种仿人机器人动态跨越连续障碍物的运动规划方法，其特征在于所述步骤1)具体包括如下：

所述几何和双腿运动约束，具体包括：关节约束、关节空间和笛卡尔空间的连续性、关节处执行器扭矩的约束、仿人机器人在移动过程中髋部高度的约束、仿人机器人在其移动过程中最小髋部高度下的最大步长的约束和仿人机器人在双足支撑阶段的无碰撞约束；

所述平衡约束，选择直线倒立摆模型作为仿人机器人模型，零力矩点作为跨步的稳定性指标；

所述减少地面碰撞的约束，在单腿支撑阶段的开始和结束时，仿人机器人的摆动腿具有零速度，仿人机器人在着陆前以较低的平均速度形成足部的轨迹。

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