一種仿人機(jī)器人步行模式的在線生成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于機(jī)器人領(lǐng)域，尤其涉及一種仿人機(jī)器人步行模式的在線生成方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 機(jī)器人是隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展而出現(xiàn)的綜合學(xué)科，而仿人機(jī)器人是機(jī)器人研宄中 的重要分支，其涉及到機(jī)器人制造中的各個(gè)領(lǐng)域，如自主行為控制、人工智能、動(dòng)態(tài)管理、機(jī) 械設(shè)計(jì)等，因此仿人機(jī)器人在一定程度上代表著機(jī)器人研宄的最高水平。穩(wěn)定步行是仿人 機(jī)器人研宄的關(guān)鍵問題之一。
[0003] 仿人機(jī)器人要應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，關(guān)鍵且首要問題是穩(wěn)定行走。針對(duì)這一問題，已有 不少學(xué)者做了研宄，其中，1972年由Vukobratovic和Stepanenko在一篇關(guān)于仿人機(jī)器人控 制的論文開頭提出的零力矩點(diǎn)（ZMP,zero-momentpoint)在如今仿人機(jī)器人步態(tài)控制和規(guī) 劃領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。而仿人機(jī)器人在行走中，很容易碰到上下坡的情況，要保證其 穩(wěn)定性，就要求在控制規(guī)劃中考慮到這一情況，只有這樣，才能使機(jī)器人具有更高的環(huán)境適 應(yīng)性。
[0004] 中國專利號(hào)CN101323325發(fā)明了一種以被動(dòng)行走為基礎(chǔ)，通過在支撐腿前擺過程 中伸直支撐腿膝關(guān)節(jié)逐步提高機(jī)器人的重心，補(bǔ)入重力勢能的方法。該方法提高了機(jī)器人 的行走速度，但由于運(yùn)用的是開環(huán)控制，因此在穩(wěn)定性方面有所欠缺。
[0005] 中國專利號(hào)CN101847009A發(fā)明了一種系統(tǒng)化的步態(tài)能效優(yōu)化方法，解決了高能 耗產(chǎn)生的機(jī)器人實(shí)用化障礙，并有效的降低了機(jī)器人能耗并保證了其穩(wěn)定性。此方法較為 復(fù)雜，且沒有考慮機(jī)器人在行走過程中地面未必平整等問題。
[0006] 此外，在機(jī)器人行動(dòng)時(shí)可能存在水平-斜面的過渡（包括如下四種情況：先水平步 行而后上坡、先水平步行而后下坡、先上坡而后水平步行、先下坡而后水平步行），利用上世 紀(jì)提出的桌子-小車模型和ZMP方法，在預(yù)觀控制的框架下可以在線生成仿人機(jī)器人在水 平地面上的步行模式。
[0007] 中國專利號(hào)ZL201110193236. 8發(fā)明了一種斜面上的桌子-小車模型，并基于預(yù) 觀控制提出了仿人機(jī)器人在斜坡上的步行模式的在線生成方法，其方法既可用于機(jī)器人上 坡，也可用于機(jī)器人下坡，在該專利中，機(jī)器人在初始時(shí)刻是在斜面上的，而且在整個(gè)運(yùn)動(dòng) 過程中機(jī)器人都在同一斜坡上步行。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種仿人機(jī)器人步行模式的在線生成方法。
[0009] 一種仿人機(jī)器人步行模式的在線生成方法，仿人機(jī)器人的步行過程包括第一階段 和第二階段，其中一階段沿水平的軌跡平面運(yùn)動(dòng)，另一階段沿傾斜的軌跡平面運(yùn)動(dòng)，所述在 線生成方法包括：
[0010] (1)在第一階段和第二階段的轉(zhuǎn)折處增設(shè)一個(gè)過渡ZMP點(diǎn)，為過渡ZMP點(diǎn)分配停留 時(shí)長，并得到ZMP點(diǎn)隨時(shí)間變化的曲線；
[0011] (2)按照預(yù)設(shè)的采樣周期對(duì)所述的ZMP點(diǎn)隨時(shí)間變化的曲線進(jìn)行離散化處理，得 到離散ZMP序列；
[0012] (3)將離散ZMP序列在第一階段的軌跡平面上進(jìn)行分解，以在過渡ZMP點(diǎn)停留時(shí)長 的中點(diǎn)時(shí)刻對(duì)應(yīng)的位置作為第一階段步行的終點(diǎn)，基于相應(yīng)的桌子-小車模型和預(yù)觀控制 在線生成仿人機(jī)器人在第一階段的步行模式；
[0013] (4)將離散ZMP序列在第二階段的軌跡平面上進(jìn)行分解，基于相應(yīng)的桌子-小車模 型和預(yù)觀控制在線生成仿人機(jī)器人在第二階段的步行模式。
[0014] 步驟⑶中進(jìn)行預(yù)觀控制時(shí)，當(dāng)用作預(yù)觀的離散點(diǎn)在第二階段時(shí)，以在過渡ZMP點(diǎn) 停留時(shí)長的中點(diǎn)時(shí)刻對(duì)應(yīng)的位置作為第一階段步行的終點(diǎn)，避免因第一階段和第二階段對(duì) 應(yīng)的軌跡平面不同而出現(xiàn)的預(yù)觀控制不準(zhǔn)的問題，從而提高了形成的步行模式的準(zhǔn)確性。
[0015] 所述步驟（1)中通過如下方法增設(shè)過渡ZMP點(diǎn)：
[0016] 過第一階段內(nèi)的最后一個(gè)ZMP點(diǎn)和第二階段內(nèi)的第一個(gè)ZMP點(diǎn)作水平的軌跡平面 的垂直面，第一階段與第二階段軌跡平面的交線與所述垂直面交點(diǎn)即為過渡ZMP點(diǎn)。
[0017] 所述步驟（1)中過渡ZMP點(diǎn)上分配的停留時(shí)長大于仿人機(jī)器人在其它各個(gè)ZMP點(diǎn) 處雙足支撐的時(shí)長。
[0018] 仿人機(jī)器人每個(gè)落足位置的觸地時(shí)長都由1個(gè)單足支撐時(shí)長和2個(gè)雙足支撐時(shí)長 構(gòu)成，單足支撐時(shí)長均取為Ts，在水平面上或斜坡上的雙足支撐時(shí)長均取為Td。
[0019] 為避免在平斜轉(zhuǎn)折時(shí)仿人機(jī)器人運(yùn)動(dòng)切換造成不穩(wěn)定，所述步驟（1)中為過渡 ZMP點(diǎn)上分配的停留時(shí)長大于仿人機(jī)器人在其它（除過渡ZMP點(diǎn)外的ZMP點(diǎn)）各個(gè)ZMP點(diǎn) 處雙足支撐的時(shí)長。
[0020] 作為優(yōu)選，所述步驟（1)中過渡ZMP點(diǎn)上分配的停留時(shí)長為仿人機(jī)器人在其它各 個(gè)ZMP點(diǎn)處雙足支撐的時(shí)長的1. 5?4倍。進(jìn)一步優(yōu)選，所述步驟（1)中過渡ZMP點(diǎn)上分 配的停留時(shí)長為仿人機(jī)器人在其它各個(gè)ZMP點(diǎn)處雙足支撐的時(shí)長的3倍。
[0021] 本發(fā)明采樣周期t<<min(Ts，Td)，基于采樣周期t將ZMP點(diǎn)隨時(shí)間變化的曲 線散化，得到離散ZMP點(diǎn)序列p(k)，k為整數(shù)。
[0022] 由于對(duì)ZMP點(diǎn)隨時(shí)間變化的曲線進(jìn)行離散化處理時(shí)過渡ZMP點(diǎn)的停留時(shí)長的中間 時(shí)刻是第一階段和第二階段步行模式的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，作為優(yōu)選，所述步驟（2)中對(duì)ZMP點(diǎn)隨時(shí)間 變化的曲線進(jìn)行離散化處理時(shí)過渡ZMP點(diǎn)的停留時(shí)長的中間時(shí)刻ta離散化后的離散值為：
[0023]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種仿人機(jī)器人步行模式的在線生成方法，仿人機(jī)器人的步行過程包括第一階段和 第二階段，其中一階段沿水平的軌跡平面運(yùn)動(dòng)，另一階段沿傾斜的軌跡平面運(yùn)動(dòng)，其特征在 于，所述在線生成方法包括： (1) 在第一階段和第二階段的轉(zhuǎn)折處增設(shè)一個(gè)過渡ZMP點(diǎn)，為過渡ZMP點(diǎn)分配停留時(shí) 長，并得到ZMP點(diǎn)隨時(shí)間變化的曲線； (2) 按照預(yù)設(shè)的采樣周期對(duì)所述的ZMP點(diǎn)隨時(shí)間變化的曲線進(jìn)行離散化處理，得到離 散ZMP序列； (3) 將離散ZMP序列在第一階段的軌跡平面上進(jìn)行分解，以在過渡ZMP點(diǎn)停留時(shí)長的中 點(diǎn)時(shí)刻對(duì)應(yīng)的位置作為第一階段步行的終點(diǎn)，基于相應(yīng)的桌子-小車模型和預(yù)觀控制在線 生成仿人機(jī)器人在第一階段的步行模式； (4) 將離散ZMP序列在第二階段的軌跡平面上進(jìn)行分解，基于相應(yīng)的桌子-小車模型和 預(yù)觀控制在線生成仿人機(jī)器人在第二階段的步行模式。
2. 如權(quán)利要求1所述的仿人機(jī)器人步行模式的在線生成方法，其特征在于，所述步驟 (1)中通過如下方法增設(shè)過渡ZMP點(diǎn)： 過第一階段內(nèi)的最后一個(gè)ZMP點(diǎn)和第二階段內(nèi)的第一個(gè)ZMP點(diǎn)作水平的軌跡平面的垂 直面，第一階段與第二階段軌跡平面的交線與所述垂直面交點(diǎn)即為過渡ZMP點(diǎn)。
3. 如權(quán)利要求1所述的仿人機(jī)器人步行模式的在線生成方法，其特征在于，所述步驟 (1)中過渡ZMP點(diǎn)上分配的停留時(shí)長大于仿人機(jī)器人在其它各個(gè)ZMP點(diǎn)處雙足支撐的時(shí)長。
4. 如權(quán)利要求3所述的仿人機(jī)器人步行模式的在線生成方法，其特征在于，所述步驟 (1)中過渡ZMP點(diǎn)上分配的停留時(shí)長為仿人機(jī)器人在其它各個(gè)ZMP點(diǎn)處雙足支撐的時(shí)長的 1. 5?4倍。
5. 如權(quán)利要求4所述的仿人機(jī)器人步行模式的在線生成方法，其特征在于，所述步驟 (1) 中過渡ZMP點(diǎn)上分配的停留時(shí)長為仿人機(jī)器人在其它各個(gè)ZMP點(diǎn)處雙足支撐的時(shí)長的 3倍。
6. 如權(quán)利要求1所述的仿人機(jī)器人步行模式的在線生成方法，其特征在于，所述步驟 (2) 中對(duì)ZMP點(diǎn)隨時(shí)間變化的曲線進(jìn)行離散化處理時(shí)過渡ZMP點(diǎn)的停留時(shí)長的中間時(shí)刻ta 離散化后的離散值為：
7. 如權(quán)利要求1所述的仿人機(jī)器人步行模式的在線生成方法，其特征在于，所述步驟 (3) 和（4)中將離散ZMP序列在相應(yīng)的軌跡平面上進(jìn)行分解時(shí)首先設(shè)定分解坐標(biāo)系，所述分 解坐標(biāo)系中其中一個(gè)坐標(biāo)軸平行于第一階段和第二軌跡平面的交線。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種仿人機(jī)器人步行模式的在線生成方法，仿人機(jī)器人的步行過程包括第一階段和第二階段，其中一階段沿水平的軌跡平面運(yùn)動(dòng)，另一階段沿傾斜的軌跡平面運(yùn)動(dòng)，所述在線生成方法包括：在第一階段和第二階段的轉(zhuǎn)折處增設(shè)一個(gè)過渡ZMP點(diǎn)并為過渡ZMP點(diǎn)分配停留時(shí)長，得到ZMP點(diǎn)隨時(shí)間變化的曲線，離散化處理后得到離散ZMP序列；分別將離散ZMP序列在第一階段和第二階段的軌跡平面上進(jìn)行分解，基于相應(yīng)的桌子-小車模型和預(yù)觀控制在線生成仿人機(jī)器人在第一階段的步行模式和第二階段的步行模式。本發(fā)明的仿人機(jī)器人步行模式的在線生成方法適用范圍廣，實(shí)現(xiàn)簡單，且增設(shè)過渡ZMP點(diǎn)，大大提高了生產(chǎn)的步行模式的精度，以保證仿人機(jī)器人穩(wěn)定步行。
【IPC分類】G05B13-04, G05D1-02
【公開號(hào)】CN104570732
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410775484
【發(fā)明人】吳俊 , 朱秋國, 熊蓉
【申請(qǐng)人】浙江大學(xué)
【公開日】2015年4月29日
【申請(qǐng)日】2014年12月15日