提高六足机器人行走稳定性的步态规划方法技术

本发明专利技术公开了一种提高六足机器人行走稳定性的步态规划方法，包括：行进：抬起不相邻两足，开始沿平行于机身中心和终点连线的每足末端的平移路径行进，行进时始终保证四足着地，不相邻两足抬起，且每足的各关节按周期旋转到对应预设角度，使每足末端在其平移路径上抬起、落下；变向：机器人头部摄像模块旋转到正对目标终点方向，再执行行进基本动作。本发明专利技术避免动作顿挫、生硬、机身倾斜，步态流畅稳定；同时旋转时仅旋转头部，机身不动，保持机器人正面始终直线向前，不出现角度扭曲，能够实现不必移动肢体即可快速改变正面朝向或向指定方向移动。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及六足机器人，具体涉及提高六足机器人行走稳定性的步态规划方法。
技术介绍
六足机器人又叫蜘蛛机器人，是多足机器人的一种，具有稳定性好、承载能力高、地形适应性强等优势，是复杂作业环境下的最佳选择，具有广阔的应用前景。目前，六足机器人的常见步态以三角步态为主，即将六足分为交替相隔的两组，每组三足，通过两组关节交替起落旋转来实现机器人的前进、转向、后退等行动。三角步态虽然能实现移动、旋转等动作，不仅动作单调生硬、动作的节奏感较强，无法流畅平滑移动；而且由于三角步态的前进动作实际上是通过两个不同方向的交替旋转进行的，无法保持机器人机身正面方向稳定一致，对于有摄像头功能的六足机器人来说，会造成视频画面的剧烈晃动，严重影响视频质量和应用范围。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是现有六足机器人的三角步态不仅动作单调生硬、动作的节奏感较强，无法流畅平滑移动，而且无法保持机器人机身正面方向稳定一致的问题。为了解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是提供一种提高六足机器人行走稳定性的步态规划方法，包括以下基本动作：行进：抬起不相邻两足，开始沿平行于机身中心和终点连线的每足末端的平移路径行进，行进时始终保证四足着地，不相邻两足抬起，且每足的各关节按周期旋转到对应预设角度，使每足末端在其平移路径上抬起、落下；变向：机器人头部摄像模块旋转到正对目标终点方向，再执行行进基本动作。在上述方案中，行进时始终保证四足着地，不相邻两足抬起包括交替抬起不相邻的两足和不相邻的两足交替抬起两种步态，其中，交替抬起不相邻的两足为：行进开始后，抬起的两足一起落地，着地、不相邻的两足一起抬起；不相邻的两足交替抬起为：行进开始后，抬起的一足落地，同时着地的四足中一足抬起，且该抬起足与原抬起足不相邻。在上述方案中，每足末端的平移路径计算方式为：利用变换算法建立每足的足坐标系与机身坐标系的对应关系，在标准站立姿态下，通过机身中心平移路径，计算出每足末端的平移路径；其中，机身中心平移路径的计算方法为：在机身坐标系中，将机身中心映射到经过目标终点垂直于地面的直线上，通过目标终点坐标得到机身映射中心坐标，机身中心与机身映射中心连线为机身中心平移路径。在上述方案中，在机身坐标系中，目标终点坐标的获取是摄像模块搜索得到在环境坐标系下的目标终点坐标，再通过变换算法将目标终点在环境坐标系坐标投射到机身坐标系中，获取在机身坐标系中目标终点坐标。在上述方案中，通过变换算法建立每足的足坐标系与机身坐标系的对应关系具体包括以下步骤：第一步、通过对机身坐标系坐标(x,y)进行旋转，得到足坐标系坐标(x’,y’)为：x′y′=cosθ-sinθ+sinθcosθxy.]]>其中，θ为机身中心和摄像模块方向连线与机身中心和足根部在机身连接点连线的夹角；第二步、对坐标(x’,y’)在足坐标系的y轴上平移r，r为机身半径，在x轴上不变，则得到机身坐标系坐标(x,y,z)在足坐标系的坐标(x’’,y’’,z’’)；其中，平移后x’’＝x’，y’’＝y’+r，由于z轴未发生变换，所以z’’＝z。在上述方案中，机器人包括髋关节、膝关节和踝关节三个关节，标准站立姿态时三个关节的角度如下：髋关节：与机身圆周接触点的切线方向垂直；膝关节：与机身水平方向平行；踝关节：使两段肢体成90度，足末端与地面垂直。在上述方案中，所述髋关节能沿着机身圆周运动，使机身转动。在上述方案中，各关节旋转的预设角度的计算方法为：在每个足坐标系中，将机器人各个关节角度与足末端点坐标进行映射，通过坐标映射计算出各个足末端在其平移路径竖直平面上的运动轨迹，并获得足末端在该运动轨迹不同坐标点上对应的各关节旋转角度，配置关节旋转预设角度；足末端在运动轨迹不同坐标点上对应的各关节旋转角度采取D-H矩阵进行计算，具体公式为：足末端的变换矩阵T为：[T]＝[Z1][Z2]...[Zn]；相邻两连杆间的变换矩阵Zi为：[Zi]=cosθi-sinθi00sinθicosθi00001di0001,]]>其中，θi表示运动时各关节绕自身坐标系z轴的旋转角；di表示运动时在z轴上各关节之间的偏移；i取值为1至3。在上述方案中，每足按相同周期、不同相位差进行循环动作，各足平稳交替平移；每足的运动周期大致分为三部分：抬起、下落、后蹬；其中，后蹬部分时间占到周期的2/3。在上述方案中，每足的运动周期的三部分动作的实现是通过将每个运动周期足末端的运动轨迹均匀设置多个关键坐标点，再根据关键坐标点数量将整个运动周期分为均匀的小周期，然后在一个小周期内将足末端从一个关键坐标点移到下一个关键坐标点。本专利技术依赖变换算法保证各足末端位置在移动中始终保持直线，以使得机身位置也保持直线向前，且保证在任何情况下保证不相邻四足着地，避免动作顿挫、生硬、机身倾斜，步态流畅稳定；同时旋转时仅旋转头部，机身不动，保持机器人正面始终直线向前，不出现角度扭曲，能够实现不必移动肢体即可快速改变正面朝向或向指定方向移动。附图说明图1为本专利技术提供的一种提高六足机器人行走稳定性的步态规划方法每足的平移路径示意图；图2、图3为本专利技术提供的一种提高六足机器人行走稳定性的步态规划方法的六足末端状态示意图；图4为本专利技术中机器人各相邻连杆的空间关系示意图。具体实施方式本专利技术是基于机身为圆周对称结构、六足均匀分布于机身圆周的六足机器人，且设在机身之上的机器人头部可360度旋转，并在头部正脸带有摄像模块。为了方便说明，本专利技术定义了三个坐标系，具体如下：机身坐标系，以机器人机身中心为原点，经过原点、平行于机身平面、垂直于头部正脸表面中分线的直线为Y轴，平行机身平面、垂直于Y轴直线为X轴，垂直于机身平面的直线为Z轴；足坐标系，以每足根部与机身连接处为坐标原点，经坐标原点的机身切线为X轴，坐标原点与机身中心连接延长线为Y轴、经坐标原点垂直于机身平面的直线Z轴，简称足坐标系，共6个；环境坐标系，以机器人足末端所踏的地平面作为X-Y平面，原点可以设置在X-Y平面任意位置上，经过原点并垂直于地平面方向为Z轴。下面结合说明书附图和具体实施例对本专利技术做出详细的说明。本专利技术提本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提高六足机器人行走稳定性的步态规划方法，其特征在于，包括以下基本动作：行进：抬起不相邻两足，开始沿平行于机身中心和终点连线的每足末端的平移路径行进，行进时始终保证四足着地，不相邻两足抬起，且每足的各关节按周期旋转到对应预设角度，使每足末端在其平移路径上抬起、落下；变向：机器人头部摄像模块旋转到正对目标终点方向，再执行行进基本动作。

【技术特征摘要】
1.一种提高六足机器人行走稳定性的步态规划方法，其特征在于，包
括以下基本动作：
行进：抬起不相邻两足，开始沿平行于机身中心和终点连线的每足末端
的平移路径行进，行进时始终保证四足着地，不相邻两足抬起，且每足的各
关节按周期旋转到对应预设角度，使每足末端在其平移路径上抬起、落下；
变向：机器人头部摄像模块旋转到正对目标终点方向，再执行行进基本
动作。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，行进时始终保证四足着地，
不相邻两足抬起包括交替抬起不相邻的两足和不相邻的两足交替抬起两种
步态，其中，
交替抬起不相邻的两足为：行进开始后，抬起的两足一起落地，着地、
不相邻的两足一起抬起；
不相邻的两足交替抬起为：行进开始后，抬起的一足落地，同时着地的
四足中一足抬起，且该抬起足与原抬起足不相邻。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，每足末端的平移路径计算
方式为：利用变换算法建立每足的足坐标系与机身坐标系的对应关系，在标
准站立姿态下，通过机身中心平移路径，计算出每足末端的平移路径；其中，
机身中心平移路径的计算方法为：在机身坐标系中，将机身中心映射到
经过目标终点垂直于地面的直线上，通过目标终点坐标得到机身映射中心坐
标，机身中心与机身映射中心连线为机身中心平移路径。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在机身坐标系中，目标终
点坐标的获取是摄像模块搜索得到在环境坐标系下的目标终点坐标，再通过
变换算法将目标终点在环境坐标系坐标投射到机身坐标系中，获取在机身坐
标系中目标终点坐标。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，通过变换算法建立每足的

\t足坐标系与机身坐标系的对应关系具体包括以下步骤：
第一步、通过对机身坐标系坐标(x,y)进行旋转，得到足坐标系坐标
(x’,y’)为：
x′y′=cosθ-sinθ+sinθcosθxy,]]>其中，θ为机身中心和摄像模块方向连线与机身中心和足根部在机身连
接点连线的夹角；
第二步...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙天齐，
申请(专利权)人：奇弩北京科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11