CN113031639B - 机器人步长处理方法、装置、机器人控制设备及存储介质 - Google Patents

机器人步长处理方法、装置、机器人控制设备及存储介质 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种机器人步长处理方法、装置、机器人控制设备及存储介质，涉及机器人控制技术领域。本申请在检测到仿人机器人当前并非处于平衡状态的情况下，会相应地获取仿人机器人当前的机体偏转姿态参数、下肢机体参数以及腿部摆动频率，而后直接根据得到的机体偏转姿态参数、下肢机体参数以及腿部摆动频率，运用摆动腿落点捕获算法自行计算仿人机器人当前满足姿态平衡需求的用于维持仿人机器人稳定状态的待实施迈步步长，以便于仿人机器人采纳计算出的步长进行运动后，能够恢复平衡状态，提升机器人抗干扰能力。

Description

机器人步长处理方法、装置、机器人控制设备及存储介质
技术领域
本申请涉及机器人控制技术领域，具体而言，涉及一种机器人步长处理方法、装置、机器人控制设备及存储介质。
背景技术
随着科学技术的不断发展，机器人技术因具有极大的研究价值及应用价值受到了各行各业的广泛重视，其中仿人机器人控制便是机器人控制技术领域中的一项重要研究方向。而在仿人机器人的实际控制过程中，仿人机器人通常会受到外部干扰(例如，外部推动、外界大风环境干扰等)和/或内部干扰(例如，机器人头部重量增加、机器人手臂断开等)而存在失稳现象，无法保持平衡状态。
发明内容
有鉴于此，本申请的目的在于提供一种机器人步长处理方法、装置、机器人控制设备及存储介质，能够在仿人机器人失稳情况下自行计算出仿人机器人维稳所需步长，使仿人机器人采用计算出的步长运动后对应恢复平衡状态，提升机器人抗干扰能力。
为了实现上述目的，本申请实施例采用的技术方案如下：
第一方面，本申请提供一种机器人步长处理方法，所述方法包括：
检测仿人机器人当前是否处于平衡状态；
在检测到所述仿人机器人当前并非处于平衡状态的情况下，获取所述仿人机器人当前的机体偏转姿态参数、下肢机体参数以及腿部摆动频率；
根据所述机体偏转姿态参数、所述下肢机体参数以及所述腿部摆动频率，采用摆动腿落点捕获算法计算所述仿人机器人当前满足姿态平衡需求的待实施迈步步长。
在可选的实施方式中，所述机体偏转姿态参数包括所述仿人机器人的躯干在俯仰方向上的俯仰角速度以及所述仿人机器人的躯干在横滚方向上的横滚角速度，所述根据所述机体偏转姿态参数、所述下肢机体参数以及所述腿部摆动频率，采用摆动腿落点捕获算法计算所述仿人机器人当前满足姿态平衡需求的待实施迈步步长的步骤包括：
调用与摆动腿落点捕获算法对应的满足姿态平衡需求的第一步长快速计算方程及第二步长快速计算方程；
将所述俯仰角速度、所述腿部摆动频率以及所述下肢机体参数所包括的腿部长度分别代入到所述第一步长快速计算方程中，计算得到所述仿人机器人在俯仰方向上相对于水平面的第一迈步步长；
将所述横滚角速度、所述腿部摆动频率以及所述下肢机体参数所包括的腿部长度分别代入到所述第二步长快速计算方程中，计算得到所述仿人机器人在横滚方向上相对于水平面的第二迈步步长。
在可选的实施方式中，所述第一步长快速计算方程采用式子进行表达，所述第二步长快速计算方程采用式子/>进行表达；
其中，Δx用于表示所述第一迈步步长，Δy用于表示所述第二迈步步长，L用于表示所述仿人机器人的腿部长度，ω用于表示所述仿人机器人的腿部摆动频率，用于表示所述俯仰角速度，/>用于表示所述横滚角速度。
在可选的实施方式中，所述机体偏转姿态参数包括所述仿人机器人的躯干在俯仰方向上的俯仰角度和俯仰角速度，以及所述仿人机器人的躯干在横滚方向上的横滚角度和横滚角速度，所述根据所述机体偏转姿态参数、所述下肢机体参数以及所述腿部摆动频率，采用摆动腿落点捕获算法计算所述仿人机器人当前满足姿态平衡需求的待实施迈步步长的步骤包括：
调用与摆动腿落点捕获算法对应的满足姿态平衡需求的第一步长精准计算方程以及第二步长精准计算方程；
将所述俯仰角速度、所述俯仰角度、所述腿部摆动频率以及所述下肢机体参数所包括的腿部长度和脚掌长度分别代入到所述第一步长精准计算方程中，计算得到所述仿人机器人在俯仰方向上相对于水平面的第一迈步步长；
将所述横滚角速度、所述横滚角度、所述腿部摆动频率以及所述下肢机体参数所包括的腿部长度和脚掌宽度分别代入到所述第二步长精准计算方程中，计算得到所述仿人机器人在横滚方向上相对于水平面的第二迈步步长。
在可选的实施方式中，所述第一步长精准计算方程采用式子进行表达，所述第二步长精准计算方程采用式子/>进行表达；
其中，Δx用于表示所述第一迈步步长，Δy用于表示所述第二迈步步长，L用于表示所述仿人机器人的腿部长度，ω用于表示所述仿人机器人的腿部摆动频率，用于表示所述俯仰角速度，θ用于表示所述俯仰角度，/>用于表示所述横滚角速度，γ用于表示所述横滚角度，l用于表示所述仿人机器人的脚掌长度，d用于表示所述仿人机器人的脚掌宽度。
在可选的实施方式中，所述方法还包括：
根据所述待实施迈步步长确定所述仿人机器人的摆动腿末端期望位置，并按照所述摆动腿末端期望位置控制所述仿人机器人当前的摆动腿进行运动。
第二方面，本申请提供一种机器人步长处理装置，所述装置包括：
平衡检测模块，用于检测仿人机器人当前是否处于平衡状态；
参数获取模块，用于在检测到所述仿人机器人当前并非处于平衡状态的情况下，获取所述仿人机器人当前的机体偏转姿态参数、下肢机体参数以及腿部摆动频率；
步长计算模块，用于根据所述机体偏转姿态参数、所述下肢机体参数以及所述腿部摆动频率，采用摆动腿落点捕获算法计算所述仿人机器人当前满足姿态平衡需求的待实施迈步步长。
在可选的实施方式中，所述装置还包括：
运动控制模块，用于根据所述待实施迈步步长确定所述仿人机器人的摆动腿末端期望位置，并按照所述摆动腿末端期望位置控制所述仿人机器人当前的摆动腿进行运动。
第三方面，本申请提供一种机器人控制设备，包括处理器和存储器，所述存储器存储有能够被所述处理器执行的计算机程序，所述处理器可执行所述计算机程序，实现前述实施方式中任意一项所述的机器人步长处理方法。
第四方面，本申请提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现前述实施方式中任意一项所述的机器人步长处理方法。
本申请实施例的有益效果包括以下内容：
本申请在检测到仿人机器人当前并非处于平衡状态的情况下，会相应地获取仿人机器人当前的机体偏转姿态参数、下肢机体参数以及腿部摆动频率，而后直接根据得到的机体偏转姿态参数、下肢机体参数以及腿部摆动频率，运用摆动腿落点捕获算法自行计算仿人机器人当前满足姿态平衡需求的用于维持仿人机器人稳定状态的待实施迈步步长，以便于仿人机器人采纳计算出的步长进行运动后，能够恢复平衡状态，提升机器人抗干扰能力。
为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例提供的机器人控制设备的组成示意图；
图2为本申请实施例提供的仿人机器人的移动示意图；
图3为本申请实施例提供的机器人步长处理方法的流程示意图之一；
图4为仿人机器人在俯仰方向上的受力示意图；
图5为仿人机器人在横滚方向上的受力示意图；
图6为图3中的步骤S230包括的子步骤的流程示意图之一；
图7为图3中的步骤S230包括的子步骤的流程示意图之二；
图8为本申请实施例提供的机器人步长处理方法的流程示意图之二；
图9为本申请实施例提供的机器人步长处理装置的组成示意图之一；
图10为本申请实施例提供的机器人步长处理装置的组成示意图之二。
图标：10-机器人控制设备；11-存储器；12-处理器；13-通信单元；100-机器人步长处理装置；110-平衡检测模块；120-参数获取模块；130-步长计算模块；140-运动控制模块。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互结合。
请参照图1，图1是本申请实施例提供的机器人控制设备10的组成示意图。在本申请实施例中，所述机器人控制设备10用于对仿人机器人的运动状况进行调控，所述机器人控制设备10可以与仿人机器人远程通信连接，也可以与所述仿人机器人集成在一起，以在仿人机器人失去平衡时自行针对该仿人机器人计算其维稳所需步长，而后控制仿人机器人采用计算出的步长进行运动，使仿人机器人能够对应恢复到平衡状态，提升机器人抗干扰能力。
在本实施例中，所述机器人控制设备10可以包括存储器11、处理器12、通信单元13及机器人步长处理装置100。其中，所述存储器11、所述处理器12及所述通信单元13各个元件相互之间直接或间接地电性连接，以实现数据的传输或交互。例如，所述存储器11、所述处理器12及所述通信单元13这些元件相互之间可通过一条或多条通讯总线或信号线实现电性连接。
在本实施例中，所述存储器11可以是，但不限于，随机存取存储器(Random AccessMemory，RAM)，只读存储器(Read Only Memory，ROM)，可编程只读存储器(ProgrammableRead-Only Memory，PROM)，可擦除只读存储器(Erasable Programmable Read-OnlyMemory，EPROM)，电可擦除只读存储器(Electric Erasable Programmable Read-OnlyMemory，EEPROM)等。其中，所述存储器11用于存储计算机程序，所述处理器12在接收到执行指令后，可相应地执行所述计算机程序。
其中，所述存储器11还用于预先存储所述仿人机器人的下肢机体参数，其中所述下肢机体参数用于表示所述仿人机器人的下肢结构的整体尺寸大小，其中所述下肢机体参数包括所述仿人机器人的腿部长度、脚掌长度以及脚掌宽度等。
在本实施例中，所述处理器12可以是一种具有信号的处理能力的集成电路芯片。所述处理器12可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、图形处理器(Graphics Processing Unit，GPU)及网络处理器(Network Processor，NP)、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现成可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件中的至少一种。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，可以实现或者执行本申请实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。
在本实施例中，所述通信单元13用于通过网络建立所述机器人控制设备10与其他电子设备之间的通信连接，并通过所述网络收发数据，其中所述网络包括有线通信网络及无线通信网络。例如，所述机器人控制设备10可以通过所述通信单元13从作业规划设备处获取针对所述仿人机器人的期望运动轨迹信息，并通过所述通信单元13向所述仿人机器人发送运动控制指令，使所述仿人机器人按照所述运动控制指令进行运动。
在本实施例中，所述机器人步长处理装置100包括至少一个能够以软件或固件的形式存储于所述存储器11中或者在所述机器人控制设备10的操作系统中的软件功能模块。所述处理器12可用于执行所述存储器11存储的可执行模块，例如所述机器人步长处理装置100所包括的软件功能模块及计算机程序等。所述机器人控制设备10可通过所述机器人步长处理装置100在仿人机器人失稳情况下自行计算出仿人机器人维稳所需步长，使仿人机器人采用计算出的步长运动后对应恢复平衡状态，提升机器人抗干扰能力。
可以理解的是，图1所示的框图仅为所述机器人控制设备10的一种组成示意图，所述机器人控制设备10还可包括比图1中所示更多或者更少的组件，或者具有与图1所示不同的配置。图1中所示的各组件可以采用硬件、软件或其组合实现。
而对仿人机器人来说，可以参照图2所示的仿人机器人的移动示意图进行行走运动描述。在本实施例中，所述仿人机器人在具体行走时可对应包括支撑腿及摆动腿，其中所述支撑腿用于表示支撑所述仿人机器人整个身体的腿部结构，所述摆动腿用于表示所述仿人机器人当前需要进行移动轨迹变化(摆动)的腿部结构。
当仿人机器人的支撑腿的足底与地面接触时，可以将地面作为世界坐标系的原点，建立笛卡尔右手坐标系，使X轴的正方向代表仿人机器人的前进方向，使Z轴的正方向垂直地面向上，此时由X轴与Z轴所构成的俯仰面即为所述仿人机器人能够作出俯仰变化操作的平面，由Y轴与Z轴所构成的横滚面即为所述仿人机器人能够作出横滚变化操作的平面，处于所述俯仰面内的任意方向即为所述仿人机器人进行俯仰运动的俯仰方向，处于所述横滚面内的任意方向即为所述仿人机器人进行横滚运动的横滚方向，而俯仰方向与Z轴正方向之间的夹角即为所述仿人机器人进行俯仰运动的俯仰角，横滚方向与Z轴正方向之间的夹角即为所述仿人机器人进行横滚运动的横滚角。
在本申请中，为确保所述机器人控制设备10能够在仿人机器人失稳情况下自行计算出仿人机器人维稳所需步长，使仿人机器人采用计算出的步长运动后对应恢复平衡状态，提升机器人抗干扰能力，本申请实施例提供一种对仿人机器人的步长处理方法实现前述目的。下面对本申请提供的机器人处理方法进行详细描述。
可选地，请参照图3，图3是本申请实施例提供的机器人步长处理方法的流程示意图之一。在本申请实施例中，图3所示的机器人步长处理方法可以包括步骤S210～步骤S230。
步骤S210，检测仿人机器人当前是否处于平衡状态。
在本实施例中，所述机器人控制设备10可通过安装在所述仿人机器人身上的力传感器、姿态传感器等传感器件，获取所述仿人机器人的运行状态，而后通过对所述运行状态进行分析以确定所述仿人机器人当前是否处于平衡状态。
例如，若所述机器人控制设备10通过所述姿态传感器获取到所述仿人机器人的姿态角度大小，可将得到的姿态角度大小与预设姿态角阈值进行比较，进而在所述姿态角度大小大于或等于所述预设姿态角阈值的情况下，判定所述仿人机器人当前并非处于平衡状态，否则判定所述仿人机器人当前处于平衡状态。若所述机器人控制设备10通过所述力传感器获取到所述仿人机器人的受力大小，可将得到的受力大小与预设力阈值进行比较，并在所述受力大小大于或等于所述预设力阈值的情况下，判定所述仿人机器人当前并非处于平衡状态，否则判定所述仿人机器人当前处于平衡状态。
步骤S220，在检测到仿人机器人当前并非处于平衡状态的情况下，获取仿人机器人当前的机体偏转姿态参数、下肢机体参数以及腿部摆动频率。
在本实施例中，所述机体偏转姿态参数用于表示所述仿人机器人的机体偏转状况。其中，所述机体偏转姿态参数可以包括所述仿人机器人的躯干在俯仰方向上的俯仰角度和俯仰角速度，以及所述仿人机器人的躯干在横滚方向上的横滚角度和横滚角速度。
步骤S230，根据机体偏转姿态参数、下肢机体参数以及腿部摆动频率，采用摆动腿落点捕获算法计算仿人机器人当前满足姿态平衡需求的待实施迈步步长。
在本实施例中，当所述机器人控制设备10获取到所述仿人机器人失稳时的机体偏转姿态参数、下肢机体参数以及腿部摆动频率后，可利用摆动腿落点捕获(Capture Point)算法针对所述仿人机器人当前摆动腿计算摆动腿配合支撑腿保证机器人平衡所需的步长大小，即满足姿态平衡需求的待实施迈步步长。其中，所述待实施迈步步长可以包括所述仿人机器人在俯仰方向上相对于水平面的第一迈步步长，以及所述仿人机器人在横滚方向上相对于水平面的第二迈步步长。
其中，所述机器人控制设备10可采用倒立摆模型对所述仿人机器人进行抽象化处理，以将所述仿人机器人的所有质量都集中在质心处，将所述仿人机器人的两条腿视作两个无质量的伸缩摆杆。在此情况下，若所述仿人机器人出现失稳状况，则可通过图4及图5对所述仿人机器人当时的受力状况进行有效表达。
在图4所示的受力示意图中，失稳状态下的仿人机器人会受到沿姿态变化方向的失稳作用力在俯仰方向上的作用力分量，此时该仿人机器人在俯仰方向上的第一目标速度大小可采用式子进行表达，其中/>用于表示所述仿人机器人的躯干在俯仰方向上的俯仰角速度，θ用于表示所述仿人机器人的躯干在俯仰方向上的俯仰角度，L用于表示所述仿人机器人的腿部长度，l用于表示所述仿人机器人的脚掌长度，v1用于表示该仿人机器人在俯仰方向上的第一目标速度大小，vd1用于表示该仿人机器人在俯仰方向上的期望速度，vpush1用于表示该仿人机器人在俯仰方向所对应的作用力分量的作用下产生的速度大小。
此时，利用摆动腿落点捕获(Capture Point)算法对上述第一目标速度大小的计算式子进行约束，以求得所述仿人机器人在俯仰方向上所需的第一迈步步长，即可在落点捕获(Capture Point)算法所对应的算法表达式的基础上对上述第一目标速度大小的计算式子进行约束。其中，ξ1用于表示仿人机器人在俯仰方向上的捕捉落脚点，x用于表示倒立摆质心到机器人支撑点的距离在俯仰面上的距离分量，/>用于表示所述倒立摆质心在俯仰方向上的质心变化的微分，ω用于表示所述仿人机器人的腿部摆动频率。
由此，可令落点捕获算法的算法表达式中的ξ1＝0，以表征所述仿人机器人当前的姿态平衡需求，此时即可将上述算法表达式变化为第一步长相关式子从而通过对该式子进行再次变化，得到用于计算所述仿人机器人在俯仰方向上相对于水平面的第一迈步步长的步长计算公式，进而求得满足所述姿态平衡需求的第一迈步步长。
而在图5所示的受力示意图中，失稳状态下的仿人机器人会受到沿姿态变化方向的失稳作用力在横滚方向上的作用力分量，此时该仿人机器人在横滚方向上的第二目标速度大小可采用式子进行表达，其中/>用于表示所述仿人机器人的躯干在横滚方向上的横滚角速度，γ用于表示所述仿人机器人的躯干在横滚方向上的横滚角度，d用于表示所述仿人机器人的脚掌宽度，L用于表示所述仿人机器人的腿部长度，v2用于表示该仿人机器人在横滚方向上的第二目标速度大小，vd2用于表示该仿人机器人在横滚方向上的期望速度，vpush2用于表示该仿人机器人在横滚方向所对应的作用力分量的作用下产生的速度大小。
此时，利用摆动腿落点捕获(Capture Point)算法对上述第二目标速度大小的计算式子进行约束，以求得所述仿人机器人在横滚方向上所需的第二迈步步长，即可在落点捕获(Capture Point)算法所对应的算法表达式的基础上对上述第二目标速度大小的计算式子进行约束。其中，ξ2用于表示仿人机器人在横滚方向上的捕捉落脚点，y用于表示倒立摆质心到机器人支撑点的距离在横滚面上的距离分量，/>用于表示所述倒立摆质心在横滚方向上的质心变化的微分，ω用于表示所述仿人机器人的腿部摆动频率。
由此，可令落点捕获算法的算法表达式中的ξ2＝0，以表征所述仿人机器人当前的姿态平衡需求，此时即可将上述算法表达式变化为第二步长相关式子从而通过对该式子进行再次变化，得到用于计算所述仿人机器人在横滚方向上相对于水平面的第二迈步步长的步长计算公式，进而求得满足所述姿态平衡需求的第二迈步步长。
因此，本申请可通过执行上述步骤S210～步骤S230，为失稳仿人机器人计算出维稳所需步长，使仿人机器人在采用计算出的步长运动后能够对应恢复到平衡状态，提升机器人抗干扰能力。
可选地，请参照图6，图6是图3中的步骤S230包括的子步骤的流程示意图之一。在本实施例中，所述步骤S230可以包括子步骤S231～子步骤S233，以通过执行子步骤S231～子步骤S233达到快速计算维稳所需步长的目的。
子步骤S231，调用与摆动腿落点捕获算法对应的满足姿态平衡需求的第一步长快速计算方程及第二步长快速计算方程。
在本实施例中，为实现快速计算维稳所需步长的目的，当所述机器人控制设备10确定出得到满足姿态平衡需求的第一步长相关式子和第二步长相关式子后，可将两个式子中的脚掌长度、脚掌宽度进行忽略后进行公式换算，以得到所需计算参数种类少的与第一步长相关式子相对应的第一步长快速计算方程，以及与第二步长相关式子相对应的第二步长快速计算方程。
此时，所述第一步长快速计算方程采用式子进行表达，所述第二步长快速计算方程采用式子/>进行表达。其中，Δx用于表示所述第一迈步步长，Δy用于表示所述第二迈步步长，L用于表示所述仿人机器人的腿部长度，ω用于表示所述仿人机器人的腿部摆动频率，/>用于表示所述俯仰角速度，/>用于表示所述横滚角速度。
子步骤S232，将俯仰角速度、腿部摆动频率以及下肢机体参数所包括的腿部长度分别代入到第一步长快速计算方程中，计算得到仿人机器人在俯仰方向上相对于水平面的第一迈步步长。
子步骤S233，将横滚角速度、腿部摆动频率以及下肢机体参数所包括的腿部长度分别代入到第二步长快速计算方程中，计算得到仿人机器人在横滚方向上相对于水平面的第二迈步步长。
由此，本申请可通过直接预先存储所需计算参数种类少的第一步长快速计算方程及第二步长快速计算方程，而后直接利用机体偏转姿态参数所包括的俯仰角速度和横滚角速度、下肢机体参数所包括的腿部长度以及腿部摆动频率，快速地计算出维稳所需步长。
可选地，请参照图7，图7是图3中的步骤S230包括的子步骤的流程示意图之二。在本实施例中，所述步骤S230可以包括子步骤S235～子步骤S237，以通过执行子步骤S235～子步骤S237达到精准计算维稳所需步长的目的。
子步骤S235，调用与摆动腿落点捕获算法对应的满足姿态平衡需求的第一步长精准计算方程以及第二步长精准计算方程。
在本实施例中，为实现精准计算维稳所需步长的目的，当所述机器人控制设备10确定出得到满足姿态平衡需求的第一步长相关式子和第二步长相关式子后，将直接对这两个式子进行公式换算，以得到所需计算参数种类多的与第一步长相关式子相对应的第一步长精准计算方程，以及与第二步长相关式子相对应的第二步长精准计算方程。
此时，所述第一步长精准计算方程采用式子进行表达，所述第二步长精准计算方程采用式子/>进行表达。其中，Δx用于表示所述第一迈步步长，Δy用于表示所述第二迈步步长，L用于表示所述仿人机器人的腿部长度，ω用于表示所述仿人机器人的腿部摆动频率，/>用于表示所述俯仰角速度，θ用于表示所述俯仰角度，/>用于表示所述横滚角速度，γ用于表示所述横滚角度，l用于表示所述仿人机器人的脚掌长度，d用于表示所述仿人机器人的脚掌宽度。
子步骤S236，将俯仰角速度、俯仰角度、腿部摆动频率以及下肢机体参数所包括的腿部长度和脚掌长度分别代入到第一步长精准计算方程中，计算得到仿人机器人在俯仰方向上相对于水平面的第一迈步步长。
子步骤S237，将横滚角速度、横滚角度、腿部摆动频率以及下肢机体参数所包括的腿部长度和脚掌宽度分别代入到第二步长精准计算方程中，计算得到仿人机器人在横滚方向上相对于水平面的第二迈步步长。
由此，本申请可通过预先存储所需计算参数种类多的第一步长精准计算方程及第二步长精准计算方程，而后直接利用机体偏转姿态参数所包括的俯仰角度、俯仰角速度、横滚角度和横滚角速度，下肢机体参数所包括的腿部长度、脚掌长度和脚掌宽度，以及腿部摆动频率，精准地计算出维稳所需步长。
可选地，请参照图8，图8是本申请实施例提供的机器人步长处理方法的流程示意图之二。在本申请实施例中，与图3所示的机器人步长处理方法相比，图8所示的机器人步长处理方法还可以包括步骤S240。
步骤S240，根据待实施迈步步长确定仿人机器人的摆动腿末端期望位置，并按照摆动腿末端期望位置控制仿人机器人当前的摆动腿进行运动。
在本实施例中，当所述机器人控制设备10确定出所述仿人机器人恢复平衡所需的待实施迈步步长后，会在当前笛卡尔右手坐标系下确定出所述仿人机器人的摆动腿按照所述待实施迈步步长进行迈步后所对应的摆动腿末端期望位置，而后通过运用逆运动学求解实现所述摆动腿末端期望位置所需的仿人机器人各关节角度，进而将求解出的各关节角度输入到所述仿人机器人中进行关节状态调整，使所述仿人机器人当前的摆动腿能够正常地运动到所述摆动腿末端期望位置，让所述仿人机器人得以从失稳状态恢复到平衡状态，提升了机器人抗干扰能力。
由此，本申请可通过执行上述步骤S240，使仿人机器人当前的摆动腿能够正常地运动到恢复平衡状态所需的位置，让所述仿人机器人得以从失稳状态恢复到平衡状态，提升了机器人抗干扰能力。
在本申请中，为确保所述机器人控制设备10能够通过所述机器人步长处理装置100执行上述机器人步长处理方法，本申请通过对所述机器人步长处理装置100进行功能模块划分的方式实现前述功能。下面对本申请提供的机器人步长处理装置100的具体组成进行相应描述。
请参照图9，图9是本申请实施例提供的机器人步长处理装置100的组成示意图之一。在本申请实施例中，所述机器人步长处理装置100可以包括平衡检测模块110、参数获取模块120及步长计算模块130。
平衡检测模块110，用于检测仿人机器人当前是否处于平衡状态。
参数获取模块120，用于在检测到仿人机器人当前并非处于平衡状态的情况下，获取仿人机器人当前的机体偏转姿态参数、下肢机体参数以及腿部摆动频率。
步长计算模块130，用于根据机体偏转姿态参数、下肢机体参数以及腿部摆动频率，采用摆动腿落点捕获算法计算仿人机器人当前满足姿态平衡需求的待实施迈步步长。
请参照图10，图10是本申请实施例提供的机器人步长处理装置100的组成示意图之二。在本申请实施例中，所述机器人步长处理装置100还可以包括运动控制模块140。
运动控制模块140，用于根据待实施迈步步长确定仿人机器人的摆动腿末端期望位置，并按照摆动腿末端期望位置控制仿人机器人当前的摆动腿进行运动。
需要说明的是，本申请实施例所提供的机器人步长处理装置100，其基本原理及产生的技术效果与前述的机器人步长处理方法相同。为简要描述，本实施例部分未提及之处，可参考上述的针对机器人步长处理方法的描述内容。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本申请的实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
另外，在本申请各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random AccessMemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
综上所述，在本申请提供的机器人步长处理方法、装置、机器人控制设备及存储介质中，本申请在检测到仿人机器人当前并非处于平衡状态的情况下，会相应地获取仿人机器人当前的机体偏转姿态参数、下肢机体参数以及腿部摆动频率，而后直接根据得到的机体偏转姿态参数、下肢机体参数以及腿部摆动频率，运用摆动腿落点捕获算法自行计算仿人机器人当前满足姿态平衡需求的用于维持仿人机器人稳定状态的待实施迈步步长，以便于仿人机器人采纳计算出的步长进行运动后，能够恢复平衡状态，提升机器人抗干扰能力。
以上所述，仅为本申请的各种实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应当以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种机器人步长处理方法，其特征在于，所述方法包括：
检测仿人机器人当前是否处于平衡状态；
在检测到所述仿人机器人当前并非处于平衡状态的情况下，获取所述仿人机器人当前的机体偏转姿态参数、下肢机体参数以及腿部摆动频率；
根据所述机体偏转姿态参数、所述下肢机体参数以及所述腿部摆动频率，采用摆动腿落点捕获算法计算所述仿人机器人当前满足姿态平衡需求的待实施迈步步长，其中所述待实施迈步步长包括所述仿人机器人在俯仰方向上相对于水平面的第一迈步步长，以及所述仿人机器人在横滚方向上相对于水平面的第二迈步步长；
其中，所述摆动腿落点捕获算法在表征所述姿态平衡需求时的算法表达式采用如下式子进行表示：
其中，ξ1用于表示所述仿人机器人在俯仰方向上的捕捉落脚点，x用于表示所述仿人机器人的倒立摆质心到机器人支撑点的距离在俯仰面上的距离分量，用于表示所述倒立摆质心在俯仰方向上的质心变化的微分，ξ2用于表示所述仿人机器人在横滚方向上的捕捉落脚点，y用于表示所述倒立摆质心到机器人支撑点的距离在横滚面上的距离分量，/>用于表示所述倒立摆质心在横滚方向上的质心变化的微分，ω用于表示所述仿人机器人的腿部摆动频率，所述第一迈步步长由上述算法表达式中的式子/>对所述仿人机器人在俯仰方向上的第一目标速度大小进行约束得到，所述第二迈步步长由上述算法表达式中的式子/>对所述仿人机器人在横滚方向上的第二目标速度大小进行约束得到；
其中，所述仿人机器人在俯仰方向上的第一目标速度大小采用式子进行表达，其中/>用于表示所述仿人机器人的躯干在俯仰方向上的俯仰角速度，θ用于表示所述仿人机器人的躯干在俯仰方向上的俯仰角度，L用于表示所述仿人机器人的腿部长度，l用于表示所述仿人机器人的脚掌长度，v1用于表示该仿人机器人在俯仰方向上的第一目标速度大小，vd1用于表示该仿人机器人在俯仰方向上的期望速度，vpush1用于表示该仿人机器人在俯仰方向所对应的失稳作用力的作用力分量的作用下产生的速度大小；
所述仿人机器人在横滚方向上的第二目标速度大小采用式子进行表达，其中/>用于表示所述仿人机器人的躯干在横滚方向上的横滚角速度，γ用于表示所述仿人机器人的躯干在横滚方向上的横滚角度，d用于表示所述仿人机器人的脚掌宽度，L用于表示所述仿人机器人的腿部长度，v2用于表示该仿人机器人在横滚方向上的第二目标速度大小，vd2用于表示该仿人机器人在横滚方向上的期望速度，vpush2用于表示该仿人机器人在横滚方向所对应的失稳作用力的作用力分量的作用下产生的速度大小。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述机体偏转姿态参数包括所述仿人机器人的躯干在俯仰方向上的俯仰角速度以及所述仿人机器人的躯干在横滚方向上的横滚角速度，所述根据所述机体偏转姿态参数、所述下肢机体参数以及所述腿部摆动频率，采用摆动腿落点捕获算法计算所述仿人机器人当前满足姿态平衡需求的待实施迈步步长的步骤包括：
调用与摆动腿落点捕获算法对应的满足姿态平衡需求的第一步长快速计算方程及第二步长快速计算方程；
将所述俯仰角速度、所述腿部摆动频率以及所述下肢机体参数所包括的腿部长度分别代入到所述第一步长快速计算方程中，计算得到所述仿人机器人在俯仰方向上相对于水平面的第一迈步步长；
将所述横滚角速度、所述腿部摆动频率以及所述下肢机体参数所包括的腿部长度分别代入到所述第二步长快速计算方程中，计算得到所述仿人机器人在横滚方向上相对于水平面的第二迈步步长；
其中，所述第一步长快速计算方程采用式子进行表达，所述第二步长快速计算方程采用式子/>进行表达；
其中，Δx用于表示所述第一迈步步长，Δy用于表示所述第二迈步步长，L用于表示所述仿人机器人的腿部长度，ω用于表示所述仿人机器人的腿部摆动频率，用于表示所述俯仰角速度，/>用于表示所述横滚角速度。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述机体偏转姿态参数包括所述仿人机器人的躯干在俯仰方向上的俯仰角度和俯仰角速度，以及所述仿人机器人的躯干在横滚方向上的横滚角度和横滚角速度，所述根据所述机体偏转姿态参数、所述下肢机体参数以及所述腿部摆动频率，采用摆动腿落点捕获算法计算所述仿人机器人当前满足姿态平衡需求的待实施迈步步长的步骤包括：
调用与摆动腿落点捕获算法对应的满足姿态平衡需求的第一步长精准计算方程以及第二步长精准计算方程；
将所述俯仰角速度、所述俯仰角度、所述腿部摆动频率以及所述下肢机体参数所包括的腿部长度和脚掌长度分别代入到所述第一步长精准计算方程中，计算得到所述仿人机器人在俯仰方向上相对于水平面的第一迈步步长；
将所述横滚角速度、所述横滚角度、所述腿部摆动频率以及所述下肢机体参数所包括的腿部长度和脚掌宽度分别代入到所述第二步长精准计算方程中，计算得到所述仿人机器人在横滚方向上相对于水平面的第二迈步步长；
其中，所述第一步长精准计算方程采用式子进行表达，所述第二步长精准计算方程采用式子/>进行表达；
其中，Δx用于表示所述第一迈步步长，Δy用于表示所述第二迈步步长，L用于表示所述仿人机器人的腿部长度，ω用于表示所述仿人机器人的腿部摆动频率，用于表示所述俯仰角速度，θ用于表示所述俯仰角度，/>用于表示所述横滚角速度，γ用于表示所述横滚角度，l用于表示所述仿人机器人的脚掌长度，d用于表示所述仿人机器人的脚掌宽度。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据所述待实施迈步步长确定所述仿人机器人的摆动腿末端期望位置，并按照所述摆动腿末端期望位置控制所述仿人机器人当前的摆动腿进行运动。
5.一种机器人步长处理装置，其特征在于，所述装置包括：
平衡检测模块，用于检测仿人机器人当前是否处于平衡状态；
参数获取模块，用于在检测到所述仿人机器人当前并非处于平衡状态的情况下，获取所述仿人机器人当前的机体偏转姿态参数、下肢机体参数以及腿部摆动频率；
步长计算模块，用于根据所述机体偏转姿态参数、所述下肢机体参数以及所述腿部摆动频率，采用摆动腿落点捕获算法计算所述仿人机器人当前满足姿态平衡需求的待实施迈步步长，其中所述待实施迈步步长包括所述仿人机器人在俯仰方向上相对于水平面的第一迈步步长，以及所述仿人机器人在横滚方向上相对于水平面的第二迈步步长；
其中，所述摆动腿落点捕获算法在表征所述姿态平衡需求时的算法表达式采用如下式子进行表示：
其中，ξ1用于表示所述仿人机器人在俯仰方向上的捕捉落脚点，x用于表示所述仿人机器人的倒立摆质心到机器人支撑点的距离在俯仰面上的距离分量，用于表示所述倒立摆质心在俯仰方向上的质心变化的微分，ξ2用于表示所述仿人机器人在横滚方向上的捕捉落脚点，y用于表示所述倒立摆质心到机器人支撑点的距离在横滚面上的距离分量，/>用于表示所述倒立摆质心在横滚方向上的质心变化的微分，ω用于表示所述仿人机器人的腿部摆动频率，所述第一迈步步长由上述算法表达式中的式子/>对所述仿人机器人在俯仰方向上的第一目标速度大小进行约束得到，所述第二迈步步长由上述算法表达式中的式子/>对所述仿人机器人在横滚方向上的第二目标速度大小进行约束得到；
其中，所述仿人机器人在俯仰方向上的第一目标速度大小采用式子进行表达，其中/>用于表示所述仿人机器人的躯干在俯仰方向上的俯仰角速度，θ用于表示所述仿人机器人的躯干在俯仰方向上的俯仰角度，L用于表示所述仿人机器人的腿部长度，l用于表示所述仿人机器人的脚掌长度，v1用于表示该仿人机器人在俯仰方向上的第一目标速度大小，vd1用于表示该仿人机器人在俯仰方向上的期望速度，vpush1用于表示该仿人机器人在俯仰方向所对应的失稳作用力的作用力分量的作用下产生的速度大小；
所述仿人机器人在横滚方向上的第二目标速度大小采用式子进行表达，其中/>用于表示所述仿人机器人的躯干在横滚方向上的横滚角速度，γ用于表示所述仿人机器人的躯干在横滚方向上的横滚角度，d用于表示所述仿人机器人的脚掌宽度，L用于表示所述仿人机器人的腿部长度，v2用于表示该仿人机器人在横滚方向上的第二目标速度大小，vd2用于表示该仿人机器人在横滚方向上的期望速度，vpush2用于表示该仿人机器人在横滚方向所对应的失稳作用力的作用力分量的作用下产生的速度大小。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
运动控制模块，用于根据所述待实施迈步步长确定所述仿人机器人的摆动腿末端期望位置，并按照所述摆动腿末端期望位置控制所述仿人机器人当前的摆动腿进行运动。
7.一种机器人控制设备，其特征在于，包括处理器和存储器，所述存储器存储有能够被所述处理器执行的计算机程序，所述处理器可执行所述计算机程序，实现权利要求1-4中任意一项所述的机器人步长处理方法。
8.一种存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时，实现权利要求1-4中任意一项所述的机器人步长处理方法。
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