预规划的实时步态控制算法制造技术

本发明专利技术公开了一种预规划的实时步态控制算法，通过在双足机器人控制器的控制下，先建立双足机器人运动学坐标系模型，然后进行机器人的姿态规划和平稳性判断，最终完成步态行走，实时规划下一步的姿态，以保证机器人行走的稳定性。在算法的复杂度方面，需要的信息量少，方法简单；在算法的时效性方面，因为本发明专利技术需要的信息量少，实施的复杂度低，从而降低了算法的处理时间；在实际应用方面，本算法能够其能够结合机器人与地形的实际特点，预先设计出机器人每一步的动作使机器人按照计划完成相应的动作，并且通过实时采集前方图像信息进行避障，保证了行走的成功率。

【技术实现步骤摘要】
预规划的实时步态控制算法
本专利技术涉及步态算法
，具体涉及一种预规划的实时步态控制算法。
技术介绍
机器人集中了多种学科的最新研究成果，代表机电一体化的最高技术水平，为人工智能领域提供实践的机会。并且双足机器人作为灵活性、适应性最高的机器人之一，具有能够代替人类在恶劣环境下工作的潜力，成为国内外研究的热点。步态规划有利于提升机器人的稳定步行能力，因此对此方面的研究具有十分重要的意义。目前常见的步态算法有：圆规步态算法、三维线性倒立摆模型、捕获点理论等，总结目前已有技术可分为两类。第一类模型简单，易于计算，但其稳定性较差；第二类稳定性强，能量消耗少，但其计算繁杂，计算量巨大。因此，如何提供一种计算简便而又稳定性较强的步态算法成为本领域技术人员目前需要解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种预规划的实时步态控制算法，在保证稳定性前提下，尽可能地简化算法。为了实现上述任务，本专利技术采用以下技术方案：一种预规划的实时步态控制算法，包括以下步骤：步骤1，建立双足机器人运动学坐标系模型所述的双足机器人身上的关节处安装有驱动关节旋转的舵机，其中在机器人腿部的裸关节具有前向关节和侧向关节，膝关节具有前向关节，髋关节具有前向关节、侧向关节及水平旋转关节；步骤1.1，对机器人的各个关节进行编号，对于关节i，确定该关节的原点，原点确定的原则为：当关节i的轴线与关节i+1的轴线相交时，取交点作为关节i的原点，当关节i的轴线与关节i+1的轴线异面时，取两条轴线公垂线与关节i+1轴线的交点作为关节i的原点；当关节i的轴线与关节i+1的轴线平行时，取关节i+1轴线与关节i+2轴线的公垂线与关节i+1轴线交点作为关节i的原点，记为Oi；步骤1.2，确立关节i处坐标系的各个坐标轴Xi、Yi、Zi，以在各个关节处建立坐标系，确定原则为：Zi坐标轴与关节i+1的轴线重合，Xi坐标轴沿i关节轴线、i+1关节轴线的公垂线并指向i+1关节，Yi坐标轴按右手法则确定；步骤1.3，根据在各个关节处建立的坐标系，相邻的两个坐标系Oi与Oi-1相比，获得相邻两个坐标系的差距，即变换矩阵；通过上面的变换矩阵得到相邻的两个坐标系之间的运动学关系，记双足机器人的左脚膝关节的坐标系为参考坐标系，可得到其他关节坐标系与参考坐标系之间的运动学关系；将每个关节处的坐标系与参考坐标系之间的变换矩阵作为该关节与参考坐标系所在关节之间的数学模型，所有数学模型构成双足机器人运动学坐标系模型；步骤2，对双足机器人的姿态进行规划步骤2.1，设计双足机器人行走步态流程机器人通过摆动腿前摆改变重心，在摆动腿前摆时，身体重心从双腿中心移到支撑腿上，因此身体先要向支撑腿一侧扭动来移动重心，即通过髋关节的侧向关节来调整重心；为了防止在侧扭时抬腿而造成身体向摆动腿一侧倾倒、步态设计中将侧扭和抬腿分步设计；则机器人一次行走时的关节步态规划如下：先通过右腿的髋关节、裸关节的侧向关节进行右侧扭来调整重心，侧扭到位后保持，然后左腿的裸关节、膝关节和髋关节的前向关节弯曲，以实现左腿抬起；左腿放下为相反动作，即先通过右腿的髋关节、裸关节左侧扭，然后左腿的裸关节、膝关节和髋关节的前向关节弯曲；步骤2.2，规划机器人行走时各个关节的姿态先假设髋关节的侧向不发生变化，则求解行走轨迹步骤如下：(1)绘制出髋关节与裸关节随时间改变而变化的曲线图，由此获得髋关节、裸关节的运动学轨迹；(2)与人类行走轨迹进行对比，按照人类行走过程的受力情况明确机器人髋关节、裸关节运动受力的关键点，然后通过三次样条插值的方式，对所有关键点进行插值处理；(3)分别将髋关节、裸关节处理后的关键点与步骤(1)中髋关节、裸关节运动学轨迹中的多项式进行拟合，获得髋关节与裸关节的平滑轨迹；则该轨迹即为髋关节与裸关节每一步行走后形成的轨迹；按照相同的方法，可获得机器人双腿上其他关节在行走时形成的轨迹；将双足机器人一次行走过程中所涉及的关节的轨迹作为规划姿态，则获得规划的姿态后，通过关节处的舵机驱动机器人按照规划的姿态进行行走。进一步地，所述的预规划的实时步态控制算法，还包括：步骤3，进行姿态规划平稳性判断根据步骤2中的规划姿态，在机器人每次准备落脚时进行平稳性计算，判断当前机器人是否满足平稳性要求，判断依据为机器人的平稳点是否在设定的范围内，如在设定的范围内，则不干预，使机器人按照规划姿态进行行走，否则暂停行走，通过机器人的控制器调整机器人腿部的关节的姿态后，重新计算平稳性，直至平稳性满足要求，其中所述的平稳点计算方法为：计算机器人的质心位置：其中，n表示机器人全身关节的数量，mi表示第i个关节的质量，表示第i个关节的质心位置；COMi为第i次采样时机器人的质心位置；即当前为第i次采样；计算平稳点W：W＝-a+COM其中，上式中，ts为采样时间，COMi，COMi-1，COMi-2分别为第i次、第i-1次和第i-2次采样时机器人的质心位置，COM为机器人站立不动时的质心位置；判断平稳点W的位置，若W在设定的范围内，则认为机器人此步行走稳定，否则不稳定。进一步地，所述的机器人在行走时，按照以下方法进行障碍物的判断和避障：步骤4，在机器人的头部安装有双目摄像头，其包括左右两个单目摄像头，用于机器人前方图像信息的采集；对双目摄像头的左右两个摄像头分别进行标定，分别计算地面在左、右摄像头坐标系下的平面方程；步骤5，通过双目摄像头采集机器人前方图像；步骤6，对左右摄像头采集的两幅图像进行畸变和极线校正，消去失真，将匹配点约束在一条直线上，减少误匹配并大大缩短匹配时间，最终匹配得到一张视差图；步骤7，计算视差图中匹配点在左摄像头坐标系下的三维坐标(x,y,z)，获取其高度与水平距离，并与设定阈值比较，判断障碍物是否存在；此处使用OpenCV视觉库中的cvFindCon—tours轮廓检测函数检测物体的轮廓，并用其外接矩形框标记；对障碍物的判别算法：首先随机提取视差图中外接矩形框内物体上若干个白色像素点，计算其位于左摄像机坐标系下的三维坐标(x，y，z)，其中x和z分别表示物体相对于左摄像头的高度距离与水平距离，y则表示物体相对于左摄像头光心的左右偏移距离，然后根据设定的阈值判断矩形框内的物体是否为障碍物；步骤8，如判断前方无障碍物，则使机器人按照规划的路径行进；如判断前方有障碍物，则令机器人停止动作，并获取障碍物的参数信息；步骤9，进行避障路径规划。进一步地，所述的对障碍物的判别算法具体包括：步骤7.1，随机提取视差图中外接矩形框内若干白色像素点i＝1，2，3，...，计算其三维坐标di(xi,yi,zi)，并按照水平距离zi的大小排序；步骤7.2，取所有白色像素点水平距离zi的中位数z0，并设定阈值φ，对于所述的白色像素点，如白色像素点i的水平距离zi满足|zi-z0|＞φ，则将白色像素点i作为异常点剔除，剩余白色像素点构成集合I；步骤7.3，计算集合I中白色像素点水平距离zi的平均值z作为外接矩形框内障碍物距离机器人的水平距离；取集合I中白色像素点三维坐标中xi的最大值xmax作为所述障碍物的高度；步骤7.4，设定高度阈值xd和水平距离阈值zd，当满足xmax＞xd，且时，则判定外接矩形框内的物体为障碍物。进一步地，所述的如判断前方本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种预规划的实时步态控制算法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，建立双足机器人运动学坐标系模型所述的双足机器人身上的关节处安装有驱动关节旋转的舵机，其中在机器人腿部的裸关节具有前向关节和侧向关节，膝关节具有前向关节，髋关节具有前向关节、侧向关节及水平旋转关节；步骤1.1，对机器人的各个关节进行编号，对于关节i，确定该关节的原点，原点确定的原则为：当关节i的轴线与关节i+1的轴线相交时，取交点作为关节i的原点，当关节i的轴线与关节i+1的轴线异面时，取两条轴线公垂线与关节i+1轴线的交点作为关节i的原点；当关节i的轴线与关节i+1的轴线平行时，取关节i+1轴线与关节i+2轴线的公垂线与关节i+1轴线交点作为关节i的原点，记为Oi；步骤1.2，确立关节i处坐标系的各个坐标轴Xi、Yi、Zi，以在各个关节处建立坐标系，确定原则为：Zi坐标轴与关节i+1的轴线重合，Xi坐标轴沿i关节轴线、i+1关节轴线的公垂线并指向i+1关节，Yi坐标轴按右手法则确定；步骤1.3，根据在各个关节处建立的坐标系，相邻的两个坐标系Oi与Oi‑1相比，获得相邻两个坐标系的差距，即变换矩阵；通过上面的变换矩阵得到相邻的两个坐标系之间的运动学关系，记双足机器人的左脚膝关节的坐标系为参考坐标系，可得到其他关节坐标系与参考坐标系之间的运动学关系；将每个关节处的坐标系与参考坐标系之间的变换矩阵作为该关节与参考坐标系所在关节之间的数学模型，所有数学模型构成双足机器人运动学坐标系模型；步骤2，对双足机器人的姿态进行规划步骤2.1，设计双足机器人行走步态流程机器人通过摆动腿前摆改变重心，在摆动腿前摆时，身体重心从双腿中心移到支撑腿上，因此身体先要向支撑腿一侧扭动来移动重心，即通过髋关节的侧向关节来调整重心；为了防止在侧扭时抬腿而造成身体向摆动腿一侧倾倒、步态设计中将侧扭和抬腿分步设计；则机器人一次行走时的关节步态规划如下：先通过右腿的髋关节、裸关节的侧向关节进行右侧扭来调整重心，侧扭到位后保持，然后左腿的裸关节、膝关节和髋关节的前向关节弯曲，以实现左腿抬起；左腿放下为相反动作，即先通过右腿的髋关节、裸关节左侧扭，然后左腿的裸关节、膝关节和髋关节的前向关节弯曲；步骤2.2，规划机器人行走时各个关节的姿态先假设髋关节的侧向不发生变化，则求解行走轨迹步骤如下：(1)绘制出髋关节与裸关节随时间改变而变化的曲线图，由此获得髋关节、裸关节的运动学轨迹；(2)与人类行走轨迹进行对比，按照人类行走过程的受力情况明确机器人髋关节、裸关节运动受力的关键点，然后通过三次样条插值的方式，对所有关键点进行插值处理；(3)分别将髋关节、裸关节处理后的关键点与步骤(1)中髋关节、裸关节运动学轨迹中的多项式进行拟合，获得髋关节与裸关节的平滑轨迹；则该轨迹即为髋关节与裸关节每一步行走后形成的轨迹；按照相同的方法，可获得机器人双腿上其他关节在行走时形成的轨迹；将双足机器人一次行走过程中所涉及的关节的轨迹作为规划姿态，则获得规划的姿态后，通过关节处的舵机驱动机器人按照规划的姿态进行行走。...

【技术特征摘要】
1.一种预规划的实时步态控制算法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，建立双足机器人运动学坐标系模型所述的双足机器人身上的关节处安装有驱动关节旋转的舵机，其中在机器人腿部的裸关节具有前向关节和侧向关节，膝关节具有前向关节，髋关节具有前向关节、侧向关节及水平旋转关节；步骤1.1，对机器人的各个关节进行编号，对于关节i，确定该关节的原点，原点确定的原则为：当关节i的轴线与关节i+1的轴线相交时，取交点作为关节i的原点，当关节i的轴线与关节i+1的轴线异面时，取两条轴线公垂线与关节i+1轴线的交点作为关节i的原点；当关节i的轴线与关节i+1的轴线平行时，取关节i+1轴线与关节i+2轴线的公垂线与关节i+1轴线交点作为关节i的原点，记为Oi；步骤1.2，确立关节i处坐标系的各个坐标轴Xi、Yi、Zi，以在各个关节处建立坐标系，确定原则为：Zi坐标轴与关节i+1的轴线重合，Xi坐标轴沿i关节轴线、i+1关节轴线的公垂线并指向i+1关节，Yi坐标轴按右手法则确定；步骤1.3，根据在各个关节处建立的坐标系，相邻的两个坐标系Oi与Oi-1相比，获得相邻两个坐标系的差距，即变换矩阵；通过上面的变换矩阵得到相邻的两个坐标系之间的运动学关系，记双足机器人的左脚膝关节的坐标系为参考坐标系，可得到其他关节坐标系与参考坐标系之间的运动学关系；将每个关节处的坐标系与参考坐标系之间的变换矩阵作为该关节与参考坐标系所在关节之间的数学模型，所有数学模型构成双足机器人运动学坐标系模型；步骤2，对双足机器人的姿态进行规划步骤2.1，设计双足机器人行走步态流程机器人通过摆动腿前摆改变重心，在摆动腿前摆时，身体重心从双腿中心移到支撑腿上，因此身体先要向支撑腿一侧扭动来移动重心，即通过髋关节的侧向关节来调整重心；为了防止在侧扭时抬腿而造成身体向摆动腿一侧倾倒、步态设计中将侧扭和抬腿分步设计；则机器人一次行走时的关节步态规划如下：先通过右腿的髋关节、裸关节的侧向关节进行右侧扭来调整重心，侧扭到位后保持，然后左腿的裸关节、膝关节和髋关节的前向关节弯曲，以实现左腿抬起；左腿放下为相反动作，即先通过右腿的髋关节、裸关节左侧扭，然后左腿的裸关节、膝关节和髋关节的前向关节弯曲；步骤2.2，规划机器人行走时各个关节的姿态先假设髋关节的侧向不发生变化，则求解行走轨迹步骤如下：(1)绘制出髋关节与裸关节随时间改变而变化的曲线图，由此获得髋关节、裸关节的运动学轨迹；(2)与人类行走轨迹进行对比，按照人类行走过程的受力情况明确机器人髋关节、裸关节运动受力的关键点，然后通过三次样条插值的方式，对所有关键点进行插值处理；(3)分别将髋关节、裸关节处理后的关键点与步骤(1)中髋关节、裸关节运动学轨迹中的多项式进行拟合，获得髋关节与裸关节的平滑轨迹；则该轨迹即为髋关节与裸关节每一步行走后形成的轨迹；按照相同的方法，可获得机器人双腿上其他关节在行走时形成的轨迹；将双足机器人一次行走过程中所涉及的关节的轨迹作为规划姿态，则获得规划的姿态后，通过关节处的舵机驱动机器人按照规划的姿态进行行走。2.如权利要求1所述的预规划的实时步态控制算法，其特征在于，所述的预规划的实时步态控制算法，还包括：步骤3，进行姿态规划平稳性判断根据步骤2中的规划姿态，在机器人每次准备落脚时进行平稳性计算，判断当前机器人是否满足平稳性要求，判断依据为机器人的平稳点是否在设定的范围内，如在设定的范围内，则不干预，使机器人按照规划姿态进行行走，否则暂停行走，通过机器人的控制器调整机器人腿部的关节的姿态后，重新计算平稳性，直至平稳性满足要求，其中所述的平稳点计算方法为：计算机器人的质心位置：其中，n表示机器人全身关节的数量，mi表示第i个关节的质量，表示第i个关节的质心位置；COMi为第i次采样时机器人的质心位置；计算平稳点W：W＝-a+COM其中，上式中，ts为采样时间，COMi，COMi-1，COMi-2分别为第i次、第i-1次和第i-2次采...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁宇，杜玉晓，黄修平，卢冠雄，陈梓瀚，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东,44