一種四足仿生機(jī)器人的自由步態(tài)生成方法
【專利摘要】一種四足仿生機(jī)器人的自由步態(tài)生成方法，是將四足機(jī)器人的整個(gè)自由步態(tài)按運(yùn)動(dòng)周期進(jìn)行規(guī)劃，每個(gè)運(yùn)動(dòng)周期分為四足支撐階段和邁步階段；在四足支撐階段，機(jī)器人的四只足均處于支撐相，機(jī)器人的重心沿前進(jìn)方向和前進(jìn)方向的側(cè)方向移動(dòng)，在前進(jìn)方向上，機(jī)器人移動(dòng)當(dāng)前狀態(tài)允許的最大前進(jìn)距離，在側(cè)方向上，同時(shí)兼顧機(jī)器人的穩(wěn)定性以及能量消耗確定移動(dòng)距離；在邁步階段，機(jī)器人的一只足處于擺動(dòng)相，其余三只足處于支撐相；當(dāng)某個(gè)運(yùn)動(dòng)周期中的擺動(dòng)足接觸地面時(shí)，機(jī)器人將進(jìn)行下一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。該方法有效地提高了四足機(jī)器人的地形適應(yīng)性，能夠提高機(jī)器人穩(wěn)定性，保證機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性，降低能耗，提高平均運(yùn)動(dòng)速度。
【專利說(shuō)明】-種四足仿生機(jī)器人的自由步態(tài)生成方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種生成四足仿生機(jī)器人自由步態(tài)的方法，使得四足仿生機(jī)器人能夠 通過(guò)崎嶇度較高的地形，屬于機(jī)器人控制【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 四足仿生機(jī)器人具有在崎嶇度較高的地形上行走的能力，而步態(tài)規(guī)劃是四足仿生 機(jī)器人能夠順利通過(guò)復(fù)雜地形的基礎(chǔ)。四足機(jī)器人一般采用自由步態(tài)在復(fù)雜度較高的崎 嶇地形上行走，對(duì)自由步態(tài)合理地規(guī)劃能使四足仿生機(jī)器人順利通過(guò)多種不同崎嶇度的地 形。
[0003] 當(dāng)使用自由步態(tài)行進(jìn)時(shí)，四足機(jī)器人不按預(yù)先設(shè)定的模式運(yùn)動(dòng)，而是根據(jù)機(jī)器人 自身狀態(tài)及地形信息進(jìn)行實(shí)時(shí)步態(tài)規(guī)劃。崎嶇度較高的地形中包含的適合機(jī)器人落足的區(qū) 域數(shù)量有限且離散，如何根據(jù)地形信息以及機(jī)器人自身的機(jī)械結(jié)構(gòu)約束合理地規(guī)劃自由步 態(tài)的生成方法，是使四足機(jī)器人順利通過(guò)復(fù)雜地形的關(guān)鍵問題。
[0004] 目前，國(guó)內(nèi)對(duì)四足機(jī)器人的自由步態(tài)生成的研究較少，國(guó)外的研究人員提出了一 些自由步態(tài)的生成方法，以期提高四足機(jī)器人通過(guò)復(fù)雜地形的能力。但是，這些自由步態(tài) 生成方法普遍存在著對(duì)機(jī)器人的穩(wěn)定性、運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性、快速性和靈活性等實(shí)際應(yīng)用方面 考慮不足等問題。有鑒于此，對(duì)于四足機(jī)器人的自由步態(tài)生成，必須充分考慮實(shí)際的應(yīng)用問 題，以提高機(jī)器人在行走過(guò)程中的穩(wěn)定性、快速性和靈活性，保證機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性為目 標(biāo)，使生成的自由步態(tài)，易于應(yīng)用且符合實(shí)際需要。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有四足機(jī)器人自由步態(tài)生成方法存在的不足，提供一種能夠提高機(jī) 器人穩(wěn)定性，保證機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性的四足仿生機(jī)器人的自由步態(tài)生成方法，該方法還 能夠降低能耗，提高平均運(yùn)動(dòng)速度，使四足機(jī)器人以最短的時(shí)間自主地通過(guò)崎嶇度較高的 地形。
[0006] 本發(fā)明的四足仿生機(jī)器人的自由步態(tài)生成方法，是：
[0007] 將四足機(jī)器人的整個(gè)自由步態(tài)按運(yùn)動(dòng)周期進(jìn)行規(guī)劃，每個(gè)運(yùn)動(dòng)周期分為四足支撐 階段和邁步階段；在四足支撐階段，機(jī)器人的四只足均處于支撐相，在這個(gè)階段，機(jī)器人的 重心沿前進(jìn)方向和前進(jìn)方向的側(cè)方向移動(dòng)，在前進(jìn)方向上，機(jī)器人移動(dòng)當(dāng)前狀態(tài)允許的最 大前進(jìn)距離（以提高機(jī)器人的平均運(yùn)動(dòng)的速度，使機(jī)器人以最短的時(shí)間通過(guò)復(fù)雜地形），在 側(cè)方向上，同時(shí)兼顧機(jī)器人的穩(wěn)定性以及能量消耗確定移動(dòng)距離（在增大機(jī)器人穩(wěn)定性的 同時(shí)降低能耗）；在邁步階段，機(jī)器人的一只足處于擺動(dòng)相，其余三只足處于支撐相，擺動(dòng) 足沿規(guī)劃的足底軌跡擺動(dòng)至選定的落足點(diǎn)，在擺動(dòng)足擺動(dòng)時(shí)，機(jī)器人的軀干保持靜止（能 夠避免因支撐足的支撐運(yùn)動(dòng)造成足底滑動(dòng)，而使機(jī)器人向擺動(dòng)腿傾倒而失去穩(wěn)定性的情 況）；
[0008] 當(dāng)某個(gè)運(yùn)動(dòng)周期中的擺動(dòng)足接觸地面時(shí)，機(jī)器人將進(jìn)行下一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期的運(yùn)動(dòng)規(guī) 劃，然后機(jī)器人按照規(guī)劃進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，完成一個(gè)完整的運(yùn)動(dòng)周期，具體包括以下步驟：
[0009] (1)根據(jù)機(jī)器人四只足的運(yùn)動(dòng)學(xué)裕度，選擇運(yùn)動(dòng)學(xué)裕度最小的足作為接下來(lái)要擺 動(dòng)的足，然后根據(jù)機(jī)器人的位置，以及提前預(yù)知的地形信息，為選定的擺動(dòng)足搜尋最優(yōu)的落 足點(diǎn)，之后，根據(jù)目標(biāo)落足點(diǎn)為擺動(dòng)足規(guī)劃足底擺動(dòng)軌跡；
[0010] (2)規(guī)劃?rùn)C(jī)器人的重心擺動(dòng)軌跡，保證機(jī)器人的擺動(dòng)足在向前擺動(dòng)的過(guò)程中機(jī)器 人具有足夠的穩(wěn)定性；
[0011] (3)機(jī)器人沿規(guī)劃的重心擺動(dòng)軌跡主動(dòng)擺動(dòng)重心；
[0012] (5)機(jī)器人抬起選定的擺動(dòng)足向前擺動(dòng)；
[0013] (6)擺動(dòng)足的足底觸地時(shí)（由觸底傳感器檢測(cè)），轉(zhuǎn)到步驟（1)，重復(fù)整個(gè)過(guò)程。
[0014] 本發(fā)明具有以下特點(diǎn)：
[0015] 1.使四足機(jī)器人在行走過(guò)程中始終擁有足夠的穩(wěn)定裕度，有效地提高了四足機(jī)器 人的地形適應(yīng)性；
[0016] 2.考慮了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性，機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中能夠保證其軀干運(yùn)動(dòng)的速度 和加速度連續(xù)，有效地避免了出現(xiàn)速度或加速度突變而造成機(jī)器人失去穩(wěn)定性的情況；
[0017] 3.兼顧了運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的能耗，使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)具有低能耗的特點(diǎn)；
[0018] 4.提高了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度，是機(jī)器人在穩(wěn)定的前提下，以最短的時(shí)間通過(guò)復(fù)雜 地形。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019] 圖1為十二自由度四足仿生機(jī)器人的結(jié)構(gòu)模型圖。
[0020] 圖2為用高低不同，距離不一的立柱表示復(fù)雜地形的示意圖。
[0021] 圖3為機(jī)器人的初始坐標(biāo){1}和機(jī)體坐標(biāo)系{B}的示意圖。
[0022] 圖4機(jī)器人的支撐足的投影以及水平地面上的二維坐標(biāo)系{G}的示意圖。
[0023] 圖5機(jī)器人足的工作空間在水平地面上投影的俯視圖。
[0024] 圖6機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)示意圖。
[0025] 圖7機(jī)器人重心軌跡規(guī)劃中的相關(guān)參數(shù)的示意圖。
[0026] 圖8機(jī)器人擺動(dòng)足的足底軌跡的示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0027] 以圖1所示的十二自由度四足機(jī)器人通過(guò)圖2所示的崎嶇地形為例，對(duì)四足機(jī)器 人自由步態(tài)的生成方法作詳細(xì)描述。圖3為四足機(jī)器人在初始位置時(shí)的狀態(tài)，坐標(biāo)系{B} 為機(jī)體坐標(biāo)系，其原點(diǎn)與機(jī)器人重心重合，坐標(biāo)系{1}為初始坐標(biāo)系，其原點(diǎn)位于水平地面 上。
[0028] 本發(fā)明中的自由步態(tài)生成方法是基于兩個(gè)假設(shè)條件提出來(lái)的。第一，機(jī)器人軀干 的質(zhì)量分布均勻，機(jī)器人的重心與軀干的幾何中心重合；第二，提前已知地形中所有適合機(jī) 器人落足的點(diǎn)，并給出這些點(diǎn)在坐標(biāo)系{1}中的坐標(biāo)：
[0029]

【權(quán)利要求】
1. 一種四足仿生機(jī)器人的自由步態(tài)生成方法，其特征是： 將四足機(jī)器人的整個(gè)自由步態(tài)按運(yùn)動(dòng)周期進(jìn)行規(guī)劃，每個(gè)運(yùn)動(dòng)周期分為四足支撐階段 和邁步階段；在四足支撐階段，機(jī)器人的四只足均處于支撐相，在這個(gè)階段，機(jī)器人的重心 沿前進(jìn)方向和前進(jìn)方向的側(cè)方向移動(dòng)，在前進(jìn)方向上，機(jī)器人移動(dòng)當(dāng)前狀態(tài)允許的最大前 進(jìn)距離，在側(cè)方向上，同時(shí)兼顧機(jī)器人的穩(wěn)定性以及能量消耗確定移動(dòng)距離；在邁步階段， 機(jī)器人的一只足處于擺動(dòng)相，其余三只足處于支撐相，擺動(dòng)足沿規(guī)劃的足底軌跡擺動(dòng)至選 定的落足點(diǎn)，在擺動(dòng)足擺動(dòng)時(shí)，機(jī)器人的軀干保持靜止； 當(dāng)某個(gè)運(yùn)動(dòng)周期中的擺動(dòng)足接觸地面時(shí)，機(jī)器人將進(jìn)行下一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃， 然后機(jī)器人按照規(guī)劃進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，完成一個(gè)完整的運(yùn)動(dòng)周期，具體包括以下步驟： (1) 根據(jù)機(jī)器人四只足的運(yùn)動(dòng)學(xué)裕度，選擇運(yùn)動(dòng)學(xué)裕度最小的足作為接下來(lái)要擺動(dòng)的 足，然后根據(jù)機(jī)器人的位置，以及提前預(yù)知的地形信息，為選定的擺動(dòng)足搜尋最優(yōu)的落足 點(diǎn)，之后，根據(jù)目標(biāo)落足點(diǎn)為擺動(dòng)足規(guī)劃足底擺動(dòng)軌跡，完成上層規(guī)劃； (2) 規(guī)劃?rùn)C(jī)器人重心的擺動(dòng)軌跡，保證機(jī)器人的擺動(dòng)足在向前擺動(dòng)的過(guò)程中機(jī)器人具 有足夠的穩(wěn)定性； (3) 機(jī)器人沿規(guī)劃的重心的擺動(dòng)軌跡主動(dòng)擺動(dòng)重心； (5) 機(jī)器人抬起選定的擺動(dòng)足向前擺動(dòng)； (6) 擺動(dòng)足的足底觸地時(shí)，轉(zhuǎn)到步驟（1)，重復(fù)整個(gè)過(guò)程。
【文檔編號(hào)】G05D1/00GK104267720SQ201410579726
【公開日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2014年10月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月24日
【發(fā)明者】李貽斌, 張帥帥, 榮學(xué)文, 李彬 申請(qǐng)人:山東大學(xué)