CN114137954A - 一种四足机器人质心轨迹规划方法、装置及存储介质 - Google Patents

一种四足机器人质心轨迹规划方法、装置及存储介质 Download PDF

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CN114137954A CN202111197000.1A CN202111197000A CN114137954A CN 114137954 A CN114137954 A CN 114137954A CN 202111197000 A CN202111197000 A CN 202111197000A CN 114137954 A CN114137954 A CN 114137954A
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Abstract

本申请公开了一种四足机器人质心轨迹规划方法、装置及存储介质，用于提高机器人在行进过程中的稳定性。本申请方法包括：获取机器人的质心参考轨迹；根据传感器获取所述机器人当前控制周期的状态参数集合；根据所述质心参考轨迹、代价函数、目标约束条件及所述当前控制周期的状态参数集合获取第一控制输入量；根据所述当前控制周期的状态参数集合和所述第一控制输入量获取后续至少一个控制周期的目标状态参数集合；根据所述质心参考轨迹、代价函数和目标约束条件和所述后续至少一个控制周期的目标状态参数集合获取后续至少一个控制周期对应的目标控制输入量；根据所述后续至少一个控制周期对应的目标控制输入量控制机器人以优化后的轨迹移动。

Description

一种四足机器人质心轨迹规划方法、装置及存储介质
技术领域
本申请涉及机器人控制技术领域，尤其涉及一种四足机器人质心轨迹规划方法、装置及存储介质。
背景技术
足式机器人相较于传统的轮式机器人和履带式机器人，其优势在于良好的越障性能，足式机器人多自由度的腿足结构使其可以应对一些较为复杂的地形。而四足机器人作为对常见哺乳动物的仿生机器人，具有良好的应用前景和潜力。
现有技术中，当给予四足机器人一个速度指令时，机器人会按照所指定的速度以及规划好的轨迹进行直线行走。但是当遇到楼梯或其它路面崎岖不平的场景时，由于轨迹中的落足点是按照平路来设定，但这些落足点在非平路的环境下是不适用的，如果机器人还是按照之前的轨迹走直线则可能会失去平衡甚至摔跤，导致四足机器人执行爬楼梯任务或在崎岖地形行走时稳定性差。
发明内容
本申请提供了一种四足机器人质心轨迹规划方法、装置及存储介质，用于提高四足机器人的行进过程中的稳定性。
本申请第一方面提供了一种四足机器人质心轨迹规划方法，包括：
获取机器人的质心参考轨迹；
根据传感器获取所述机器人当前控制周期的状态参数集合；
根据所述质心参考轨迹、代价函数、目标约束条件及所述当前控制周期的状态参数集合获取第一控制输入量；
根据所述当前控制周期的状态参数集合和所述第一控制输入量获取后续至少一个控制周期的目标状态参数集合；
根据所述质心参考轨迹、代价函数和目标约束条件和所述后续至少一个控制周期的目标状态参数集合获取后续至少一个控制周期对应的目标控制输入量；
根据所述后续至少一个控制周期对应的目标控制输入量控制机器人以优化后的轨迹移动。
可选的，所述根据所述质心参考轨迹、代价函数、目标约束条件及所述当前控制周期的状态参数集合获取第一控制输入量包括：
确定所述质心参考轨迹中的参考状态参数集合；
根据所述参考状态参数集合、代价函数、目标约束条件及所述当前控制周期的状态参数集合获取第一控制输入量。
可选的，所述目标约束条件包括：
起始状态约束、足端力约束、支撑力约束和动力学约束；
所述起始状态约束为所述机器人的起始位置和起始姿态；
所述足端力约束为所述机器人的足端力在摩擦锥内；
所述支撑力约束为所述机器人的支撑脚速度为0；
所述动力学约束为轨迹上相邻两个点的状态的差值等于动力学方程在两个时刻间的积分量。
可选的，所述代价函数为所述机器人的质心速度与控制输入量之间的关系函数。
可选的，所述状态参数集合包括所述机器人质心的位置、姿态角、速度、角速度以及足端位置，所述控制输入量包括所述机器人的足端力以及足端速度。
本申请第二方面提供了一种四足机器人质心轨迹规划装置，包括：
第一获取单元，用于获取机器人的质心参考轨迹；
第二获取单元，用于根据传感器获取所述机器人当前控制周期的状态参数集合；
第三获取单元，用于根据所述质心参考轨迹、代价函数、目标约束条件及所述当前控制周期的状态参数集合获取第一控制输入量；
第四获取单元，用于根据所述当前控制周期的状态参数集合和所述第一控制输入量获取后续至少一个控制周期的目标状态参数集合；
第五获取单元，用于根据所述质心参考轨迹、代价函数和目标约束条件和所述后续至少一个控制周期的目标状态参数集合获取后续至少一个控制周期对应的目标控制输入量；
控制单元，用于根据所述后续至少一个控制周期对应的目标控制输入量控制机器人以优化后的轨迹移动。
可选的，所述第三获取单元具体用于：
确定所述质心参考轨迹中的参考状态参数集合；
根据所述参考状态参数集合、代价函数、目标约束条件及所述当前控制周期的状态参数集合获取第一控制输入量。
可选的，所述目标约束条件包括：
起始状态约束、足端力约束、支撑力约束和动力学约束；
所述起始状态约束为所述机器人的起始位置和起始姿态；
所述足端力约束为所述机器人的足端力在摩擦锥内；
所述支撑力约束为所述机器人的支撑脚速度为0；
所述动力学约束为轨迹上相邻两个点的状态的差值等于动力学方程在两个时刻间的积分量。
可选的，所述代价函数为所述机器人的质心速度与控制输入量之间的关系函数。
可选的，所述状态参数集合包括所述机器人质心的位置、姿态角、速度、角速度以及足端位置，所述控制输入量包括所述机器人的足端力以及足端速度。
本申请第三方面提供了一种四足机器人质心轨迹规划装置，所述装置包括：
处理器、存储器、输入输出单元以及总线；
所述处理器与所述存储器、所述输入输出单元以及所述总线相连；
所述存储器保存有程序，所述处理器调用所述程序以执行第一方面以及第一方面中任一项可选的四足机器人质心轨迹规划方法。
本申请第四方面提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上保存有程序，所述程序在计算机上执行时执行第一方面以及第一方面中任一项可选的四足机器人质心轨迹规划方法。
从以上技术方案可以看出，本申请具有以下优点：
通过获取机器人的质心参考轨迹和当前的质心状态，再根据当前的质心状态以及代价函数和相关约束迭代出后续几个控制周期内的机器人质心状态以及控制输入量，并以计算得到的控制输入量来控制机器人移动。
通过本申请提供的方法，可以根据机器人当前时刻的质心状态规划出后续几个控制周期内的轨迹，即每隔几个控制周期就会根据机器人实时的质心状态更新一次轨迹，以使得机器人的质心参考轨迹得到优化，并且使得优化后的质心轨迹接近参考轨迹，机器人的速度接近预设速度。由此实现了机器人行进过程中姿态的动态调整，防止足端打滑，提高机器人在行进过程中的稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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的附图。
图1为本申请提供的四足机器人的硬件结构示意图；
图2为本申请提供的四足机器人的机械结构示意图；
图3为本申请提供的四足机器人质心轨迹规划方法一个实施例流程示意图；
图4为本申请提供的四足机器人质心轨迹规划方法中目标控制输入量的计算过程示意图；
图5为本申请提供的四足机器人质心轨迹规划方法中质心参考轨迹与优化后的质心轨迹的示意图；
图6为本申请提供的四足机器人质心轨迹规划方法中质心参考轨迹与优化后的质心轨迹的另一示意图；
图7为本申请提供的四足机器人质心轨迹规划装置一个实施例结构示意图；
图8为本申请提供的四足机器人质心轨迹规划装置另一个实施例结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明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发明一部分实施例，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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本申请所提供的四足机器人质心轨迹规划方法应用于机器人控制技术领域，以下将对本申请提供的四足机器人的硬件结构和机械结构进行说明。在后续的描述中，使用用于表示部件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身没有特定的意义。因此，“模块”、“部件”或“单元”可以混合地使用。
请参阅图1，图1为本发明其中一个实施方式的四足机器人100的硬件结构示意图。在图1所示的实施方式中，四足机器人100包括机械单元101、通讯单元102、传感单元103、接口单元104、存储单元105、控制模块110、电源111。四足机器人100的各种部件可以以任何方式连接，包括有线或无线连接等。本领域技术人员可以理解，图1中示出的四足机器人100的具体结构并不构成对四足机器人100的限定，四足机器人100可以包括比图示更多或更少的部件，某些部件也并不属于四足机器人100的必须构成，完全可以根据需要在不改变发明的本质的范围内而省略，或者组合某些部件。
下面结合图1对四足机器人100的各个部件进行具体的介绍：
机械单元101为四足机器人100的硬件。如图1所示，机械单元101可包括驱动板1011、电机1012、机械结构1013，如图2所示，机械结构1013可包括机身主体1014、可伸展的腿部1015、足部1016，在其他实施方式中，机械结构1013还可包括可伸展的机械臂、可转动的头部结构、可摇动的尾巴结构、载物结构、鞍座结构、摄像头结构等。需要说明的是，机械单元101的各个部件模块可以为一个也可以为多个，可根据具体情况设置，比如腿部1015可为4个，每个腿部1015可配置3个电机1012，对应的电机1012为12个。
通讯单元102可用于信号的接收和发送，还可以通过与网络和其他设备通信，比如，接收遥控器或其他四足机器人100发送的按照特定步态以特定速度值向特定方向移动的指令信息后，传输给控制模块110处理。通讯单元102包括如WiFi模块、4G模块、5G模块、蓝牙模块、红外模块等。
传感单元103用于获取四足机器人100周围环境的信息数据以及监控四足机器人100内部各部件的参数数据，并发送给控制模块110。传感单元103包括多种传感器，如获取周围环境信息的传感器：激光雷达(用于远程物体检测、距离确定和/或速度值确定)、毫米波雷达(用于短程物体检测、距离确定和/或速度值确定)、摄像头、红外摄像头、全球导航卫星系统(GNSS，Global Navigation Satellite System)等。如监控四足机器人100内部各部件的传感器：惯性测量单元(IMU，Inertial Measurement Unit)(用于测量速度值、加速度值和角速度值的值)，足底传感器(用于监测足底着力点位置、足底姿态、触地力大小和方向)、温度传感器(用于检测部件温度)。至于四足机器人100还可配置的载荷传感器、触摸传感器、电机角度传感器、扭矩传感器等其他传感器，在此不再赘述。
接口单元104可以用于接收来自外部装置的输入(例如，数据信息、电力等)并且将接收到的输入传输到四足机器人100内的一个或多个部件，或者可以用于向外部装置输出(例如，数据信息、电力等)。接口单元104可包括电源端口、数据端口(如USB端口)、存储卡端口、用于连接具有识别模块的装置的端口、音频输入/输出(I/O)端口、视频I/O端口等。
存储单元105用于存储软件程序以及各种数据。存储单元105可主要包括程序存储区和数据存储区，其中，程序存储区可存储操作系统程序、运动控制程序、应用程序(比如文本编辑器)等；数据存储区可存储四足机器人100在使用中所生成的数据(比如传感单元103获取的各种传感数据，日志文件数据)等。此外，存储单元105可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如磁盘存储器、闪存器、或其他易失性固态存储器。
显示单元106用于显示由用户输入的信息或提供给用户的信息。显示单元106可包括显示面板1061，可以采用液晶显示器(Liquid Crystal Display，LCD)、有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode,OLED)等形式来配置显示面板1061。
输入单元107可用于接收输入的数字或字符信息。具体地，输入单元107可包括触控面板1071以及其他输入设备1072。触控面板1071，也称为触摸屏，可收集用户的触摸操作(比如用户使用手掌、手指或适合的附件在触控面板1071上或在触控面板1071附近的操作)，并根据预先设定的程式驱动相应的连接装置。触控面板1071可包括触摸检测装置1073和触摸控制器1074两个部分。其中，触摸检测装置1073检测用户的触摸方位，并检测触摸操作带来的信号，将信号传送给触摸控制器1074；触摸控制器1074从触摸检测装置1073上接收触摸信息，并将它转换成触点坐标，再送给控制模块110，并能接收控制模块110发来的命令并加以执行。除了触控面板1071，输入单元107还可以包括其他输入设备1072。具体地，其他输入设备1072可以包括但不限于遥控操作手柄等中的一种或多种，具体此处不做限定。
进一步的，触控面板1071可覆盖显示面板1061，当触控面板1071检测到在其上或附近的触摸操作后，传送给控制模块110以确定触摸事件的类型，随后控制模块110根据触摸事件的类型在显示面板1061上提供相应的视觉输出。虽然在图1中，触控面板1071与显示面板1061是作为两个独立的部件来分别实现输入和输出功能，但是在某些实施例中，可以将触控面板1071与显示面板1061集成而实现输入和输出功能，具体此处不做限定。
控制模块110是四足机器人100的控制中心，利用各种接口和线路连接整个四足机器人100的各个部件，通过运行或执行存储在存储单元105内的软件程序，以及调用存储在存储单元105内的数据，从而对四足机器人100进行整体控制。
电源111用于给各个部件供电，电源111可包括电池和电源控制板，电源控制板用于控制电池充电、放电、以及功耗管理等功能。在图1所示的实施方式中，电源111电连接控制模块110，在其它的实施方式中，电源111还可以分别与传感单元103(比如摄像头、雷达、音箱等)、电机1012电性连接。需要说明的是，各个部件可以各自连接到不同的电源111，或者由相同的电源111供电。
在上述实施方式的基础上，具体地，在一些实施方式中，可以通过终端设备来与四足机器人100进行通信连接，在终端设备与四足机器人100进行通信时，可以通过终端设备来向四足机器人100发送指令信息，四足机器人100可通过通讯单元102来接收指令信息，并可在接收到指令信息的情况下，将指令信息传输至控制模块110，使得控制模块110可根据指令信息来处理得到目标速度值。终端设备包括但不限于：具备图像拍摄功能的手机、平板电脑、服务器、个人计算机、可穿戴智能设备、其它电器设备。
指令信息可以根据预设条件来确定。在一个实施方式中，四足机器人100可以包括传感单元103，传感单元103可根据四足机器人100所在的当前环境可生成指令信息。控制模块110可根据指令信息来判断四足机器人100的当前速度值是否满足对应的预设条件。若满足，则会保持四足机器人100的当前速度值和当前步态移动；若不满足，则会根据对应的预设条件来确定目标速度值和相应的目标步态，从而可控制四足机器人100以目标速度值和相应的目标步态移动。环境传感器可以包括温度传感器、气压传感器、视觉传感器、声音传感器。指令信息可以包括温度信息、气压信息、图像信息、声音信息。环境传感器与控制模块110之间的通信方式可以为有线通信，也可以为无线通信。无线通信的方式包括但不限于：无线网络、移动通信网络(3G、4G、5G等)、蓝牙、红外。
以上对本申请提供的四足机器人的硬件结构和机械结构进行说明，下面对本申请提供的四足机器人质心轨迹规划方法进行说明。
现有技术中，当给予四足机器人一个速度指令时，机器人会按照所指定的速度以及规划好的轨迹进行直线行走。但是当遇到楼梯或其它路面崎岖不平的场景时，由于轨迹中的落足点是按照平路来设定，但这些落足点在非平路的环境下是不适用的，如果机器人还是按照之前的轨迹走直线则可能会失去平衡甚至摔跤，导致四足机器人执行爬楼梯任务或在崎岖地形行走时稳定性差。
基于上述问题，本申请提供了一种四足机器人质心轨迹规划方法、装置及存储介质，用于提高机器人在行进过程中的稳定性。为方便描述，本实施例中以控制单元为执行主体进行举例说明，以下将四足机器人简称为机器人。
请参阅图3，图3为本申请提供的四足机器人质心轨迹规划方法的一个实施例，该方法包括：
301、获取机器人的质心参考轨迹；
当机器人的控制单元接收到一个速度指令时，控制单元会根据该速度指令进行积分以得到一条直线轨迹，该直线轨迹即为本申请中的质心参考轨迹。如果该速度指令为一个固定的速度值，即机器人为匀速运动，控制单元根据速度公式即可计算出该质心参考轨迹。而如果该速度不断变化，例如机器人获取一个目标点后，会在不同的时间按照不同的速度移动，那么就需要进行积分运算才能够计算出该质心参考轨迹，积分是为了应对轨迹中包含不同速度值的计算。
需要说明的是，本申请提供的四足机器人质心轨迹规划方法的目标是根据机器人实时的状态来对该质心参考轨迹进行优化，以提高机器人在不同的地形中行进的稳定性，并且让优化后的轨迹接近于该质心参考轨迹，机器人的速度接近于预设速度。
在不进行任何干预的情况下控制单元将根据该质心参考轨迹来控制机器人的运动，需要说明的是，该质心参考轨迹由多个离散点构成，轨迹上的每个点包含位置和时间数据。
质心参考轨迹中还包含机器人行进过程中每一个控制周期的状态参数集合和控制输入量。其中控制周期是指机器人的运动控制周期，机器人的控制周期是一个非常短的时间段，一般为0.001秒-0.003秒之间，优选0.002秒。机器人在运动过程中，是根据预设的控制逻辑实现每一步的运动，多个控制周期的运动就形成了机器人的运动轨迹。
状态参数集合是指机器人质心的位置、姿态角、速度、角速度和足端位置等参数的集合。其中，姿态角指的是机身姿态旋转的角度，而质心会随着机身姿态旋转而产生角速度。具体的，控制单元可以通过惯性测量单元(IMU,Inertial Measurement Unit)来检测质心移动距离(位置)、机身姿态旋转的角度、速度以及角速度等参数。
第N个控制周期的状态参数集合Xn表示为：
Xn＝[p(n)θ(n)v(n)ω(n)pfoot1(n)pfoot2(n)pfoot3(n)pfoot4(n)]；
其中p(n)为机器人质心的位置、θ(n)为机器人的姿态角、v(n)为机器人的质心速度、ω(n)为机器人质心的角速度、pfoot1(n)pfoot2(n)pfoot3(n)pfoot4(n)则分别为机器人四足的足端位置。
控制输入量是指机器人的足端力和足端速度，在得知机器人(质心)要以一定速度移动后，控制单元会根据该速度计算出需要输出多大的足端力和足端速度，让质心达到该速度。
第N个控制周期的控制输入量Un表示为：
Un＝[F1(n)F2(n)F3(n)F4(n)qd1(n)qd2(n)qd3(n)qd4(n)]；
其中，F1(n)F2(n)F3(n)F4(n)分别为机器人四足的足端力，qd1(n)qd2(n)qd3(n)qd4(n)则分别为机器人四足的足端速度。
302、根据传感器获取机器人当前控制周期的状态参数集合；
由于质心参考轨迹是仅考虑速度积分得到的直线轨迹，而没有考虑该轨迹上的每一个点机器人是否可以到达，是否有合适的落足点等。机器人在平坦的地面上行走时问题不明显，一旦在执行爬楼梯任务或者行走在崎岖地形时，原轨迹规划方式的缺点就会暴露出来，此时就需要根据具体情况对质心参考轨迹进行动态调整，以提高机器人在行进过程中的稳定性。
控制单元根据IMU中的速度传感器、加速度传感器等传感器或其它相关传感器来获取机器人实时的状态参数集合，即本申请中的当前控制周期的状态参数集合。该当前控制周期的状态参数集合是指机器人当前控制周期内的质心的位置、姿态角、速度、角速度和足端位置等参数的集合。
303、根据质心参考轨迹、代价函数、目标约束条件及当前控制周期的状态参数集合获取第一控制输入量；
具体的，根据质心参考轨迹、代价函数、目标约束条件及当前控制周期的状态参数集合获取第一控制输入量的步骤包括：
确定质心参考轨迹中的参考状态参数集合；
根据参考状态参数集合、代价函数、目标约束条件及所述当前控制周期的状态参数集合获取第一控制输入量。
质心参考轨迹是状态和时间的集合，即质心参考轨迹上的每个控制周期都有一个质心状态参数集合。控制单元以质心参考轨迹中当前控制周期的状态参数集合作为期望状态，根据期望状态和当前状态的偏差计算对应的控制输入量，这是反馈控制的典型过程。在计算过程中，还需要结合代价函数和目标约束条件来计算，其中代价函数保证控制输入量产生的质心速度尽量小，并且符合所有目标约束条件，代价函数的输入为计算出的控制输入量，输出为质心速度，这个代价函数保证了输出的质心速度尽可能小，如果没有代价函数的限制，计算出的控制输入量将不一定是最优解。
具体的，下面对本申请中的目标约束条件和代价函数分别进行说明：
一、起始状态约束：
四足机器人的起始位置和姿态，可以由底层运动控制器获取得到，或者由质心参考轨迹来得到，轨迹在计算过程中需满足X1＝X(0)，Xn＝X(T)，其中X1为当前时刻的状态，X(0)为轨迹起点的状态，Xn为第N个时刻的状态，X(T)为轨迹终点的状态。
二、足端力约束：
Ci，nFi，n≤di，n，其中i＝1...4分别指机器人四个足部，Ci，n指第n个时刻第i个足部的摩擦锥，Fi，n是指第n个时刻第i个足部的地面支反力，di，n第n个时刻第i个足部的地面最大静摩擦力。该约束用于使机器人足端力均约束在摩擦锥内，以防止支撑脚打滑。
三、支撑力约束：
四足机器人行走过程中，例如walk步态中，支撑脚为着地的脚，摆动脚为处于腾空状态的脚，由于支撑脚固定在地面不动，足端着地，因此支撑脚速度为零；而摆动脚为处于腾空状态的脚，摆动脚的足端悬空，没有反作用力，所以摆动脚足端力为零。
四、动力学约束：
对于轨迹上相邻两个点，其状态差值等于动力学方程在两个时刻间的积分量，即满足Xn+1＝Xn+XdnΔt，其中n＝1...N-1，Xn+1为N+1时刻的状态，Xn为N时刻的状态，XdnΔt为动力学积分量，该状态包括位置，速度，角速度，姿态角等。
五、代价函数：
Figure BDA0003303415290000121
其中Y是指控制输入量，J是指质心速度，优选控制的目标就是找到合适的控制输入量Y，使得输出的质心速度J越小越好。计算控制输入量Y的时候，代价函数的目的是在以上所有约束下达到优选的控制表现，即在满足以上所有约束的前提下保证计算得到的控制输入量Y产生的质心速度J尽量小。质心速度J越小越好是为了在保证跟随误差最小的情况下，尽量节省机器人能源、减小机器人动作幅度，有利于在完成轨迹跟随任务的同时增加续航、增加寿命。
304、根据当前控制周期的状态参数集合和第一控制输入量获取后续至少一个控制周期的目标状态参数集合；
x[n+1]＝Ax[n]+Bu[n]；
其中x为状态参数集合，u为控制输入量，而参数A和B由选取的动力学模型决定，即由n时刻的状态参数集合及控制输入量通过动力学模型可以计算得到n+1时刻的状态参数集合。
需要说明的是，对于上述动力学模型的建模方式有多种，例如应用拉格朗日动力学理论所建立的动力学模型、应用欧拉理论所建立的动力学模型等等，不同的动力学模型产生的控制效果不同，具体此处不做限定。
305、根据质心参考轨迹、代价函数和目标约束条件和后续至少一个控制周期的目标状态参数集合获取后续至少一个控制周期对应的目标控制输入量；
步骤304和步骤305是根据机器人的当前控制周期的状态参数集合迭代计算后续至少一个控制周期内的目标状态参数集合和目标控制输入量的过程，即由t时刻的状态参数集合和控制输入量可以根据动力学计算出t+1时刻的状态参数集合，由t+1时刻的状态参数集合和t+1时刻的期望状态又可以计算出t+1时刻的控制输入量。
例如，请参阅图4，控制单元由t时刻(当前时刻)的状态参数集合x1(当前控制周期的状态参数集合)根据质心参考轨迹、代价函数和目标约束条件计算出控制输入量u1；
t时刻的状态参数集合x1和控制输入量u1根据动力学模型计算出t+1时刻的状态参数集合x2；
t+1时刻的状态参数集合x2和t+1时刻的质心参考轨迹可以计算出t+1时刻的控制输入量u2...
由此可以迭代出多个控制周期内的目标状态参数集合和对应的目标控制输入量，计算过程中还要考虑代价函数和目标约束条件。需要说明的是，控制单元可以只计算后续一个控制周期内的目标状态参数集合以进行质心参考轨迹的实时调整，也可以连续计算几个控制周期内的目标状态参数集合(优选5-10个控制周期)以每隔多个控制周期调整一次轨迹，具体此处不做限定。
306、根据后续至少一个控制周期对应的目标控制输入量控制机器人以优化后的轨迹移动。
控制单元根据计算得到的目标控制输入量来控制机器人移动，由于计算目标控制输入量时结合了机器人的实时状态，以及质心参考轨迹、代价函数和目标约束条件，因此该目标控制输入量相较于原质心参考轨迹中的控制输入量，能够根据实际情况进行及时的更新，由此避免机器人在行进过程中失去平衡。
在本实施例中，通过获取机器人的质心参考轨迹和当前的质心状态，再根据当前的质心状态以及代价函数和相关约束迭代出后续几个控制周期内的机器人质心状态以及控制输入量，并以计算得到的控制输入量来控制机器人移动。
通过本申请提供的方法，可以根据机器人当前时刻的质心状态规划出后续几个控制周期内的轨迹，即每隔几个控制周期就会根据机器人实时的质心状态更新一次轨迹，以使得机器人的质心参考轨迹得到优化，并且使优化后的质心轨迹接近参考轨迹，机器人的速度接近预设速度。由此实现了机器人行进过程中姿态的动态调整，防止足端打滑，提高机器人在行进过程中的稳定性。尤其是在机器人在非平面的复杂地形(楼梯、陡坡或崎岖地形之类的特殊地形)行进时，机器人可以及时地根据实时的质心状态对质心参考轨迹进行优化，并且以优化后的轨迹来控制机器人行进，能够有效防止机器人在非平面的复杂地形行进时失去平衡或者摔跤。
此外，在本申请中将轨迹表示为分段多项式，以此来减少计算维度，保证运动平滑性。这是由于轨迹是由质点的位置角度和时间组成，任意一条轨迹曲线可以用曲线上点的集合来描述，点取的越密集，越能描述真实的曲线，但过多的点会给计算带来负担。因此可以将轨迹曲线描述成多项式，只要有多项式的系数，便能描述这条曲线。例如：y＝kx这条直线，既可以用这条线上的n个点的集合来表示，也可以仅用系数为k的一次多项式来表示，后者只需记录一个系数k来表示曲线更方便，使得计算更加快速。
在另一种可能的实现方式中，控制单元还可以根据视觉传感器所采集的环境信息进行分析，当确定质心参考轨迹上存在非平面的复杂地形时才进行质心参考轨迹的动态调整，例如控制单元通过摄像头所拍摄的视频图像信息来分析质心参考轨迹上是否存在非平面的复杂地形。具体的，该非平面的复杂地形是指楼梯、陡坡或崎岖地形之类的特殊地形。当控制单元确定该质心参考轨迹上存在非平面的复杂地形时，则执行上述方法以进行质心参考轨迹的动态调整。
请参阅图5和图6，图5和图6本申请提供的四足机器人质心轨迹规划方法中质心参考轨迹和优化后的质心轨迹示意图。
上述实施例对本申请中提供的四足机器人质心轨迹规划方法进行了详细阐述，下面将结合附图对本申请中提供的四足机器人质心轨迹规划装置以及计算机可读存储介质进行详细阐述。
请参阅图7，图7为本申请提供的四足机器人质心轨迹规划装置的一个实施例，该装置包括：
第一获取单元701，用于获取机器人的质心参考轨迹；
第二获取单元702，用于根据传感器获取机器人当前控制周期的状态参数集合；
第三获取单元703，用于根据质心参考轨迹、代价函数、目标约束条件及当前控制周期的状态参数集合获取第一控制输入量；
第四获取单元704，用于根据当前控制周期的状态参数集合和第一控制输入量获取后续至少一个控制周期的目标状态参数集合；
第五获取单元705，用于根据质心参考轨迹、代价函数和目标约束条件和后续至少一个控制周期的目标状态参数集合获取后续至少一个控制周期对应的目标控制输入量；
控制单元706，用于根据后续至少一个控制周期对应的目标控制输入量控制机器人以优化后的轨迹移动。
可选的，第三获取单元703具体用于：
确定质心参考轨迹中的参考状态参数集合；
根据参考状态参数集合、代价函数、目标约束条件及当前控制周期的状态参数集合获取第一控制输入量。
可选的，目标约束条件包括：
起始状态约束、足端力约束、支撑力约束和动力学约束；
起始状态约束为机器人的起始位置和起始姿态；
足端力约束为机器人的足端力在摩擦锥内；
支撑力约束为机器人的支撑脚速度为0；
动力学约束为轨迹上相邻两个点的状态的差值等于动力学方程在两个时刻间的积分量。
可选的，代价函数为机器人的质心速度与控制输入量之间的关系函数。
可选的，状态参数集合包括机器人质心的位置、姿态角、速度、角速度以及足端位置，控制输入量包括机器人的足端力以及足端速度。
本申请还提供了一种四足机器人质心轨迹规划装置，请参阅图8，图8为本申请提供的四足机器人质心轨迹规划装置一个实施例，该装置包括：
处理器801、存储器802、输入输出单元803、总线804；
处理器801与存储器802、输入输出单元803以及总线804相连；
存储器802保存有程序，处理器801调用程序以执行如上任一四足机器人质心轨迹规划方法。
本申请还涉及一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上保存有程序，其特征在于，当程序在计算机上运行时，使得计算机执行如上任一四足机器人质心轨迹规划方法。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。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全部或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-onlymemory)、随机存取存储器(RAM，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

Claims (10)

1.一种四足机器人质心轨迹规划方法，其特征在于，所述方法包括：
获取机器人的质心参考轨迹；
根据传感器获取所述机器人当前控制周期的状态参数集合；
根据所述质心参考轨迹、代价函数、目标约束条件及所述当前控制周期的状态参数集合获取第一控制输入量；
根据所述当前控制周期的状态参数集合和所述第一控制输入量获取后续至少一个控制周期的目标状态参数集合；
根据所述质心参考轨迹、代价函数和目标约束条件和所述后续至少一个控制周期的目标状态参数集合获取后续至少一个控制周期对应的目标控制输入量；
根据所述后续至少一个控制周期对应的目标控制输入量控制机器人以优化后的轨迹移动。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述质心参考轨迹、代价函数、目标约束条件及所述当前控制周期的状态参数集合获取第一控制输入量包括：
确定所述质心参考轨迹中的参考状态参数集合；
根据所述参考状态参数集合、代价函数、目标约束条件及所述当前控制周期的状态参数集合获取第一控制输入量。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标约束条件包括：
起始状态约束、足端力约束、支撑力约束和动力学约束；
所述起始状态约束为所述机器人的起始位置和起始姿态；
所述足端力约束为所述机器人的足端力在摩擦锥内；
所述支撑力约束为所述机器人的支撑脚速度为0；
所述动力学约束为轨迹上相邻两个点的状态的差值等于动力学方程在两个时刻间的积分量。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述代价函数为所述机器人的质心速度与控制输入量之间的关系函数。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述状态参数集合包括所述机器人质心的位置、姿态角、速度、角速度以及足端位置，所述控制输入量包括所述机器人的足端力以及足端速度。
6.一种四足机器人质心轨迹规划装置，其特征在于，所述装置包括：
第一获取单元，用于获取机器人的质心参考轨迹；
第二获取单元，用于根据传感器获取所述机器人当前控制周期的状态参数集合；
第三获取单元，用于根据所述质心参考轨迹、代价函数、目标约束条件及所述当前控制周期的状态参数集合获取第一控制输入量；
第四获取单元，用于根据所述当前控制周期的状态参数集合和所述第一控制输入量获取后续至少一个控制周期的目标状态参数集合；
第五获取单元，用于根据所述质心参考轨迹、代价函数和目标约束条件和所述后续至少一个控制周期的目标状态参数集合获取后续至少一个控制周期对应的目标控制输入量；
控制单元，用于根据所述后续至少一个控制周期对应的目标控制输入量控制机器人以优化后的轨迹移动。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第三获取单元具体用于：
确定所述质心参考轨迹中的参考状态参数集合；
根据所述参考状态参数集合、代价函数、目标约束条件及所述当前控制周期的状态参数集合获取第一控制输入量。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述目标约束条件包括：
起始状态约束、足端力约束、支撑力约束和动力学约束；
所述起始状态约束为所述机器人的起始位置和起始姿态；
所述足端力约束为所述机器人的足端力在摩擦锥内；
所述支撑力约束为所述机器人的支撑脚速度为0；
所述动力学约束为轨迹上相邻两个点的状态的差值等于动力学方程在两个时刻间的积分量。
9.一种四足机器人质心轨迹规划装置，其特征在于，所述装置包括：
处理器、存储器、输入输出单元以及总线；
所述处理器与所述存储器、所述输入输出单元以及所述总线相连；
所述存储器保存有程序，所述处理器调用所述程序以执行如权利要求1至5中任一项所述方法。
10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上保存有程序，所述程序在计算机上执行时执行如权利要求1至5中任一项所述方法。
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