一种双足机器人斜面行走的步态规划方法技术

本发明专利技术公开了一种双足机器人斜面行走的步态规划方法，属于机器人技术领域。所述方法包括三维线性倒立摆的非正交分解与合成和基于双腿长线性倒立摆的步态规划两大核心理论。所述方法包括以下步骤：步行参数的配置，三维线性倒立摆的非正交分解，基于三次样条插值的足部轨迹规划，基于双腿长线性倒立摆的矢状面和冠状面的质心轨迹规划，矢状面和冠状面质心轨迹的非正交合成，逆运动学求解机器人各个关节轨迹。本发明专利技术提供的方法能够有效地解决双足机器人在斜面上各个方向上的稳定行走，具有通用性，同时，算法简单，实用性强。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，属于机器人
。
技术介绍
由于与人类在外形上和功能上具有相似性，双足机器人对人类的日常生活环境具 有很强的适应性，因此双足机器人的研究一直是机器人领域的热点之一。双足机器人是集 机械、电子、材料、控制、人工智能和仿生学等多学科于一体的综合性平台，是高新技术密集 的机电一体化产品。双足机器人的研究对其他各学科的发展也具有促进作用。 双足机器人辅助和服务人类的前提是能够在人类生活的各种环境稳定行走。然而 双足机器人自身的高质心、多自由度耦合、支撑区域小等特点，使其自身在行走过程中容易 失去稳定性。因此，早期为了有效地简化双足机器人的步态规划和平衡控制，结构化的平整 地面是研究的重点。通过学者们的研究，不少关键的理论得到应用，例如ZMP(零力矩点） 稳定判据和基于三维线性倒立摆模型的轨迹规划等。随着研究的深入和相关科学技术的发 展，科研人员清楚地认识到双足机器人的应用必须应对环境中的各种地面（如台阶、斜面、 崎岖路面等），这也是双足机器人优于其他类型机器人的一个重要特征。本专利技术就是以实现 双足机器人在斜面上各个方向上的稳定行走这一目标提出的。 现有论文The 3D Linear Inverted Pendulum Mode:A simple modeling for a biped walking pattern generation,阐述了一种基于三维线性倒立摆的仿人机器人行走 的步态规划方法，该方法能有效地解决平地和台阶上的双足行走，但是对于斜面上的双足 行走没有进入深入的解释和说明。 申请号为201110193236. 8的中国专利技术专利申请公开了一种仿人机器人斜坡步行 模式的在线生成的方法，尝试建立仿人机器人在斜坡上的桌子-小车模型，从而实现在线 生成斜坡步行模式。但是，该专利技术在建模过程中默认仿人机器人的前进方向与斜面最大/ 小梯度方向重合，即上下坡这种特殊情况，因此该方法不适用于斜面上各个方向上的步行。 现有论文3_D Biped Robot Walking along Slope with Dual Length Linear Inverted Pendulum Method (DLLIPM)，提出了一种双足机器人沿着斜面行走的步态规划 方法，该方法采用不同腿长的方式使机器人的质心在行走过程中保持水平，以达到减小地 面冲击的目的，但是该方法也只是局限在一个特殊方向的斜面行走，同时，由于缺少双脚支 撑期，不同腿长带来左右腿运动的不协调使得步态很不自然。 虽然现有文献和专利尝试解决双足机器人在斜面上行走的问题，但是多数研究具 有局限性，只能实现斜面上特殊方向（如上下坡、沿斜面）的行走，不适用于斜面上各个方 向行走这种一般情况，因此，本专利技术提出了一种通用的双足机器人斜面行走的步态规划方 法，以实现双足机器人在斜面上各个方向的稳定行走，从而达到提高双足机器人环境适应 性这一目的。
技术实现思路
： 为了实现双足机器人在斜面上各个方向的稳定行走，提高双足机器人的环境适应 性。本专利技术提供了，利用三维线性倒立摆的非正 交分解与合成能有效解决双足机器人在斜面上矢状面和冠状面在世界坐标系的描述问题， 具有双脚支撑期的双腿长线性倒立摆的斜面步态规划能在减少地面冲击的同时保证步态 的协调性。 本专利技术通过以下技术方案实现。 ，所述方法包括以下步骤： 步骤1，配置斜面参数和步行参数，对双足机器人在斜面各个方向的行走进行参数 统一化描述，从而实现步态规划方法通用性的特征； 步骤2,对三维线性倒立摆进行矢状面和冠状面的非正交分解，并计算矢状面和冠 状面的相关变换参数，为后续协调稳定的质心轨迹规划做准备； 步骤3,基于三次样条插值的足部轨迹规划，实现双足机器人的迈步软着地这一过 程； 步骤4,计算双腿长倒立摆的模型参数和单双脚支撑期衔接处的规划参数，对矢状 面和冠状面的质心轨迹进行规划，其中单脚支撑期采用双腿长线性倒立摆，双脚支撑期采 用四次多项式插值，以实现分解平面中质心运动的稳定性和协调性规划。 步骤5,质心运动的非正交合成，实现三维质心轨迹在正交世界坐标系中的描述。 步骤6,将世界坐标系下的足部轨迹转换到双足机器人质心坐标系，并通过双足机 器人的逆运动学求解得到各个关节的轨迹规划。 优选地，所述步骤1包括配置双足机器人在斜面上各个方向行走统一化参数a和 3，其中a为斜面的倾斜角度，取值范围为-90°?90°，0为斜面最大/小梯度方向（注： a>0,取最大方向；a〈〇,取最小方向）与双足机器人前进方向的角度，取值范围为-90°? 90°。如此，就可描述双足机器人在斜面上各个方向上的行走，一些特殊参数的意义描述如 下： a= 〇,双足机器人在水平地面行走； a>〇，双足机器人上坡； a〈〇，双足机器人下坡； P= 〇,双足机器人沿着斜面最大/小梯度方向上下坡； 0 = ±90°，双足机器人沿着斜面梯度为0的方向行走； 所述步骤1中还包括步行参数的配置,包括步行速度V、步长Lst6p、步行周期Tst6p、 步宽Wstep、双脚支撑期的时间占比r、步行质心高度z。和抬脚高度Hstep等参数，其中参数 Lstep、Wstep、Hstep在斜面世界坐标系2S描述（定义斜面世界坐标系原点固定在斜面上，位于 2只脚的中点，y轴是双足机器人的前进方向，z轴垂直斜面向上，x轴由右手定则得到），而 z。在水平世界坐标系2H描述（定义水平世界坐标系的原点固定，与2S的原点重合，z轴 坚直向上，x，y轴在水平面内，y轴指向斜面最大/小梯度方向，x轴由右手定则得到）。 优选地，所述步骤2中的三维线性倒立摆的非正交分解详细描述如下： 在进行双足机器人步态规划的过程中，通常将质心的运动分解到双足机器人的矢 状面和冠状面，但是由于重力是在坚直方向而不是垂直于斜面，所以规划应该在水平世界 坐标系下描述而不是在斜面世界坐标系描述。同时，由于双足机器人的矢状面和冠状面在 水平面上的投影构成的不是一个直角，需要对三维线性倒立摆规划的非正交分解进行论 证，具体证明如下： 三维线性倒立摆的最大特征是无质量杆对质心的作用力在坚直方向上（水平世 界坐标系的z轴）抵消重力，在水平面上驱动质心做变速运动，当三维线性倒立摆分解在在 冠状面xOz与矢状面yOz时，其动力学模型的描述如下：本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双足机器人斜面行走的步态规划方法，所述方法包括以下步骤：步骤1，配置斜面参数和步行参数，对双足机器人在斜面各个方向的行走进行参数统一化描述，从而实现步态规划方法通用性的特征；步骤2，对三维线性倒立摆进行矢状面和冠状面的非正交分解，并计算矢状面和冠状面的相关变换参数，为后续协调稳定的质心轨迹规划做准备；步骤3，基于三次样条插值的足部轨迹规划，实现双足机器人的迈步软着地这一过程；步骤4，计算双腿长倒立摆的模型参数和单双脚支撑期衔接处的规划参数，对矢状面和冠状面的质心轨迹进行规划，其中单脚支撑期采用双腿长线性倒立摆，双脚支撑期采用四次多项式插值，以实现分解平面中质心运动的稳定性和协调性规划；步骤5，质心运动的非正交合成，实现三维质心轨迹在正交世界坐标系中的描述；步骤6，将世界坐标系下的足部轨迹转换到双足机器人自身质心坐标系，并通过双足机器人的逆运动学求解得到各个关节的轨迹规划。

【技术特征摘要】
1. 一种双足机器人斜面行走的步态规划方法，所述方法包括以下步骤： 步骤1，配置斜面参数和步行参数，对双足机器人在斜面各个方向的行走进行参数统一 化描述，从而实现步态规划方法通用性的特征； 步骤2,对三维线性倒立摆进行矢状面和冠状面的非正交分解，并计算矢状面和冠状面 的相关变换参数，为后续协调稳定的质心轨迹规划做准备； 步骤3,基于三次样条插值的足部轨迹规划，实现双足机器人的迈步软着地这一过程； 步骤4,计算双腿长倒立摆的模型参数和单双脚支撑期衔接处的规划参数，对矢状面和 冠状面的质心轨迹进行规划，其中单脚支撑期采用双腿长线性倒立摆，双脚支撑期采用四 次多项式插值，以实现分解平面中质心运动的稳定性和协调性规划； 步骤5,质心运动的非正交合成，实现三维质心轨迹在正交世界坐标系中的描述； 步骤6,将世界坐标系下的足部轨迹转换到双足机器人自身质心坐标系，并通过双足机 器人的逆运动学求解得到各个关节的轨迹规划。2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1包括配置双足机器人在斜面上 各个方向行走统一化参数ct和0 ;其中a为斜面的倾斜角度，取值范围为-90°?90° ; 3为斜面最大/小梯度方向与双足机器人前进方向的角度，取值范围为-90°?90°，其 中a >〇时取最大方向，a〈〇时取最小方向；如此，就可描述双足机器人在斜面上各个方向 上的行走，一些特殊参数的意义描述如下： a = 0,双足机器人在水平地面行走； a >〇,双足机器人上坡； a〈〇,双足机器人下坡； e =0,双足机器人沿着斜面最大/小梯度方向上下坡； 3 = ±90°，双足机器人沿着斜面梯度为0的方向行走； 所述步骤1中还包括步行参数的配置，包括步行速度V、步长Lstep、步行周期Tstep、步宽 Wstep、双脚支撑期的时间占比r、步行质心高度z。和抬脚高度Hstep，其中参数L step、Wstep、Hstep在斜面世界坐标系Ss描述，所述斜面世界坐标系原点固定在斜面上，位于2只脚的中点， 所述斜面世界坐标系y轴是双足机器人的前进方向，所述斜面世界坐标系z轴垂直斜面向 上，所述斜面世界坐标系X轴由右手定则得到，而z。在水平世界坐标系I：H描述，所述水平 世界坐标系的原点固定，与Ss的原点重合，所述水平世界坐标系的z轴坚直向上，所述水 平世界坐标系的x、y轴在水平面内，所述水平世界坐标系的y轴指向斜面最大/小梯度方 向，所述水平世界坐标系的X轴由右手定则得到。3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2中的三维线性倒立摆的非正交 分解包括： 在进行双足机器人步态规划的过程中，将质心的运动分解到双足机器人的矢状面和冠 状面，但是由于重力是在坚直方向而不是垂直于斜面，所以规划应该在水平世界坐标系下 描述而不是在斜面世界坐标系描述；同时，由于双足机器人的矢状面和冠状面在水平面上 的投影构成的不是一个直角，需要对三维线性倒立摆规划的非正交分解进行变换，具体过 程包括： 三维线性倒立摆的最大特征是无质量杆对质心的作用力在坚直方向上，即水平世界坐 标系的z轴方向抵消重力，在水平面上驱动质心做变速运动，当三维线性倒立摆分解在冠 状面xOz与矢状面yOz时，其动力学模型的描述如下： Mx = (x! r)f My = (y/r)f Mz = (z / r)f-Mg 其中，M是倒立摆质心质量，x表示双足机器人冠状面在水平面投影方向，y表示双足机 器人矢状面在水平面的投影方向，z表示坚直向上方向，r是支撑杆长度，f是支撑杆的伸缩 力，g是重力加速度，进一步分别得到冠状面和矢状面的质心运动学方程：这里，z。为线性倒立摆的质心高度，设质心在X方向上的初始位置为X (0)，杯〇)，可求 解微分方程得X，y关于时间t的解析表达式，仅列举X方向表达式X(t)，i⑴如下，y方向 相同：因此，水平面上x，y轴是否正交对双足机器人的三维线性倒立摆模型分解与合成没有 影响，将质心运动分解为矢状面和冠状面后，矢状面和冠状面的相关参数与斜面参数a和 3的关系以及各个坐标系之间的变换需要得到，如下定义： 矢状面坐标系Ssag :z轴坚直向上，y轴是斜面世界坐标系Ss的y轴在水平面上的投 影，水平世界坐标系轴旋转Y可以得到Ssag，！:Sag绕X轴旋转CP后 y轴与斜面世 界坐标系Ss的y轴重合； 冠状面坐标系:Z轴坚直向上，X轴是斜面世界坐标系Ss的1轴在水平面上的投 影，水平世界坐标系轴旋转0可以得到2@，！：^绕7轴旋转〖后X轴与斜面世 界坐标系Ss...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄强，张文，余张国，陈学超，孟立波，张伟民，高峻峣，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11