一种双足机器人爬楼梯步态规划方法、装置及机器人制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种双足机器人爬楼梯步态规划方法、装置及机器人，其方法包括：在爬楼梯过程中，采用变长一阶倒立摆模型对前向步态进行轨迹规划，根据预设的约束条件约束踝关节的运动轨迹以及采用一阶线性倒立摆模型对侧向步态进行轨迹规划，实现双足机器人爬楼梯；过程为：当面对第一楼梯，控制身体重心左移；抬起摆动腿右脚，令右脚落到楼梯上；将身体重心转移到右脚，并抬起摆动腿左脚，令左脚落到楼梯上；重复以上步骤直至第一楼梯为最后一级楼梯；判断重心是否落在了稳定区域内；若是，则结束行走；若否，则控制两腿进行靠拢，回到起步状态。基于本发明专利技术，可实现一种有效的机器人行走方式应用,使得机器人像人类一样自如地在楼梯上行走。

A Gait Planning Method, Device and Robot for Biped Robot Climbing Stairs

The invention discloses a gait planning method, device and robot for biped robot climbing stairs. The method includes: in the process of climbing stairs, a variable-length first-order inverted pendulum model is used to plan the trajectory of forward gait, the motion trajectory of ankle joint is constrained according to preset constraints, and the lateral gait is planned using the first-order linear inverted pendulum model to realize the trajectory planning of biped machine. Robots climb stairs; the process is: when facing the first staircase, control the body center of gravity to move left; raise the right foot of swinging leg, so that the right foot landed on the staircase; transfer the body center of gravity to the right foot, and raise the left foot of swinging leg, so that the left foot landed on the staircase; repeat the above steps until the first staircase is the last staircase; judge whether the center of gravity landed in the stable area; if so, stop walking. If not, control the legs to close and return to the starting state. Based on the invention, an effective application of robot walking mode can be realized, so that the robot can walk freely on the stairs like human beings.

【技术实现步骤摘要】
一种双足机器人爬楼梯步态规划方法、装置及机器人
本专利技术涉及智能机器人领域，尤其涉及一种双足机器人爬楼梯步态规划方法、装置及机器人。
技术介绍
仿人双足机器人应该实现以下三个特征：可以在人所处的环境工作、能够使用人类的工具和具有人的形状。虽然仿人机器人拥有与人类类似的双足，但由于关节自由度的限制，不能像人类一样完成许多高难度动作。参照法国一公司推出的NAO机器人，其总共拥有25个自由度，可以实现踢足球，打太极，打高尔夫等诸多复杂运动。为了推广仿人双足机器人在日常生活中的应用，机器人能否在现实生活中的诸多复杂地形中自由地行走就变的极其重要。诸多学者在仿人双足机器人走楼梯方面做出了巨大贡献：MatthewJ.Powell等人提出了提出了一种用于多运动行为的双足机器人控制技术的开发方法，陈广龙等人提出了规划步行和控制与期望的ZMP楼梯两足步行机器人的一种新方法：从迭代最优算法得到的期望ZMP不仅具有足够的稳定裕度并且满足执行器规格，而且可用于实现和节能，然后，提出了一种具有力敏感和可变阻抗的控制器，可以很好地感知和补偿环境干扰。楼梯作为日常生活中最常出现的地形，更是需要针对性地规划出步态规划的可行方案。目前为止，机器人仍无法在楼梯上行走，所以规划一种有效的行走方式应用在这些特殊地面上就变得至关重要。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种双足机器人爬楼梯步态规划方法、装置及机器人，可以实现一种有效的机器人行走方式应用,使得机器人像人类一样自如地在特殊地面上行走。为实现以上目的，本专利技术提供的双足机器人爬楼梯步态规划方法的技术方案如下：建立双足机器人的摆动腿与支撑腿在走楼梯过程中的关键步态的几何模型；其中，所述关键步态包括起步步态、中步步态以及止步步态；所述中步步态包括前向步态和侧向步态；在爬楼梯过程中，采用变长一阶倒立摆模型对前向步态进行轨迹规划，根据预设的约束条件约束踝关节的运动轨迹以及采用一阶线性倒立摆模型对侧向步态进行轨迹规划，实现双足机器人爬楼梯；其中，爬楼梯的过程为：当面对第一楼梯，控制身体重心左移；运用踝关节的约束条件控制抬起摆动腿右脚，令右脚落到楼梯上；将身体重心转移到右脚，并再次运用踝关节的约束条件控制抬起摆动腿左脚，令左脚落到楼梯上；重复以上步骤直至第一楼梯为最后一级楼梯；判断重心是否落在了稳定区域内；若是，则结束行走；若否，则控制两腿进行靠拢，回到起步状态。优选地，所述运用踝关节的约束条件控制抬起摆动腿右脚，还包括：控制摆动腿离开地面和踏上楼梯的瞬时速度接近0，且摆动腿抬起的最高点处的高度高于所述楼梯的高度，并运用样条插值对摆动腿的移动轨迹进行平滑处理。优选地，所述双足机器人为NAO机器人，所述关键步态的几何模型基于NAO机器人的物理结构及参数进行运动学建模生成。优选地，所述双足机器人的起始位置与楼梯平行，且行走过程中世界坐标系保持不变，即世界坐标系的y轴始终与楼梯平行；则还包括：当所述双足机器人到达楼梯跟前时，通过计算所述双足机器人的双脚的连线与Y轴的夹角来获取双足机器人的双脚的连线与楼梯的夹角，以调整所述双足机器人与楼梯的位置。进一步地，本专利技术实施例还提供了一种双足机器人爬楼梯步态规划装置，包括：几何模型建立单元，用于建立双足机器人的摆动腿与支撑腿在走楼梯过程中的关键步态的几何模型；其中，所述关键步态包括起步步态、中步步态以及止步步态；所述中步步态包括前向步态和侧向步态；爬楼梯规划单元，用于在爬楼梯过程中，采用变长一阶倒立摆模型对前向步态进行轨迹规划、根据预设的约束条件约束踝关节的运动轨迹以及采用一阶线性倒立摆模型对侧向步态进行轨迹规划，实现双足机器人爬楼梯；其中，爬楼梯规划单元具体包括：重心左移模块，用于当面对第一楼梯，控制身体重心左移；右腿控制模块，用于运用踝关节的约束条件控制抬起摆动腿右脚，令右脚落到楼梯上；左腿控制模块，用于将身体重心转移到右脚，并再次运用踝关节的约束条件控制抬起摆动腿左脚，令左脚落到楼梯上；重心判断模块，用于判断重心是否落在了稳定区域内；若是，则结束行走；若否，则控制两腿进行靠拢，回到起步状态。优选地，所述右腿控制模块具体用于：控制摆动腿离开地面和踏上楼梯的瞬时速度接近0，且摆动腿抬起的最高点处的高度高于所述楼梯的高度，并运用样条插值对摆动腿的移动轨迹进行平滑处理。优选地，所述双足机器人为NAO机器人，所述关键步态的几何模型基于NAO机器人的物理结构及参数进行运动学建模生成。优选地，所述双足机器人的起始位置与楼梯平行，且行走过程中世界坐标系保持不变，即世界坐标系的y轴始终与楼梯平行；则还包括：调整单元，用于当所述双足机器人到达楼梯跟前时，通过计算所述双足机器人的双脚的连线与Y轴的夹角来获取双足机器人的双脚的连线与楼梯的夹角，以调整所述双足机器人与楼梯的位置。本专利技术实施例还提供了一种机器人，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置为由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时包括上述的双足机器人爬楼梯步态规划方法。专利技术实施例提供的双足机器人爬楼梯步态规划方法、装置及机器人，可实现一种有效的机器人行走方式应用,使得机器人像人类一样自如地在特殊地面上行走。附图说明为了更清楚地说明本专利技术的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一种实施方式，图1为本专利技术实施例提供的的一种双足机器人爬楼梯步态规划方法的走楼梯流程图。图2为本专利技术实施例提供的的一种双足机器人爬楼梯步态规划装置的支撑腿模型。图3为本专利技术实施例提供的的一种双足机器人爬楼梯步态规划装置的摆动腿模型。图4为本专利技术实施例提供的的一种双足机器人爬楼梯步态规划装置的变长一阶倒立摆模型。图5为本专利技术实施例提供的的一种双足机器人爬楼梯步态规划装置的踝关节的运动轨迹模型。图6为本专利技术实施例提供的的一种双足机器人爬楼梯步态规划装置的一阶倒立摆模型。图7为本专利技术实施例提供的的一种双足机器人爬楼梯步态规划装置的侧向运动的调整关节角度模型。图8为本专利技术实施例提供的的一种双足机器人爬楼梯步态规划装置的上楼梯时不同时刻的关键步态截图。图9为本专利技术实施例提供的的一种双足机器人爬楼梯步态规划装置的下楼梯时不同时刻的关键步态截图。图10为本专利技术实施例提供的的一种双足机器人爬楼梯步态规划装置的上楼梯实际步态截图。图11为本专利技术实施例提供的的一种双足机器人爬楼梯步态规划装置的下楼梯实际步态截图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。请参阅图1，本专利技术第一实施例提供了一种双足机器人爬楼梯步态规划方法，包括：建立双足机器人的摆动腿与支撑腿在走楼梯过程中的关键步态的几何模型；其中，所述关键步态包括起步步态、中步步态以及止步步态；所述中步步态包括前向步态和侧向步态；在爬楼梯过程中，采用变长一阶倒立摆模型对前向步态进行轨迹规划，根据预设的约束条件约束踝关节的运动轨迹以及采用一阶线性倒立摆模型对侧向步态进行轨迹规划，实现双足机器人爬楼梯；其中，爬楼梯的过程为：当面对第一楼梯，控制身体重心左移；运用踝关节的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双足机器人爬楼梯步态规划方法，其特征在于，包括：建立双足机器人的摆动腿与支撑腿在走楼梯过程中的关键步态的几何模型；其中，所述关键步态包括起步步态、中步步态以及止步步态；所述中步步态包括前向步态和侧向步态；在爬楼梯过程中，采用变长一阶倒立摆模型对前向步态进行轨迹规划，根据预设的约束条件约束踝关节的运动轨迹以及采用一阶线性倒立摆模型对侧向步态进行轨迹规划，实现双足机器人爬楼梯；其中，爬楼梯的过程为：当面对第一楼梯，控制身体重心左移；运用踝关节的约束条件控制抬起摆动腿右脚，令右脚落到楼梯上；将身体重心转移到右脚，并再次运用踝关节的约束条件控制抬起摆动腿左脚，令左脚落到楼梯上；重复以上步骤直至第一楼梯为最后一级楼梯；判断重心是否落在了稳定区域内；若是，则结束行走；若否，则控制两腿进行靠拢，回到起步状态。

【技术特征摘要】
1.一种双足机器人爬楼梯步态规划方法，其特征在于，包括：建立双足机器人的摆动腿与支撑腿在走楼梯过程中的关键步态的几何模型；其中，所述关键步态包括起步步态、中步步态以及止步步态；所述中步步态包括前向步态和侧向步态；在爬楼梯过程中，采用变长一阶倒立摆模型对前向步态进行轨迹规划，根据预设的约束条件约束踝关节的运动轨迹以及采用一阶线性倒立摆模型对侧向步态进行轨迹规划，实现双足机器人爬楼梯；其中，爬楼梯的过程为：当面对第一楼梯，控制身体重心左移；运用踝关节的约束条件控制抬起摆动腿右脚，令右脚落到楼梯上；将身体重心转移到右脚，并再次运用踝关节的约束条件控制抬起摆动腿左脚，令左脚落到楼梯上；重复以上步骤直至第一楼梯为最后一级楼梯；判断重心是否落在了稳定区域内；若是，则结束行走；若否，则控制两腿进行靠拢，回到起步状态。2.根据权利要求1所述的双足机器人爬楼梯步态规划方法，其特征在于，所述运用踝关节的约束条件控制抬起摆动腿右脚，还包括：控制摆动腿离开地面和踏上楼梯的瞬时速度接近0，且摆动腿抬起的最高点处的高度高于所述楼梯的高度，并运用样条插值对摆动腿的移动轨迹进行平滑处理。3.根据权利要求1所述的双足机器人爬楼梯步态规划方法，其特征在于，所述双足机器人为NAO机器人，所述关键步态的几何模型基于NAO机器人的物理结构及参数进行运动学建模生成。4.根据权利要求1所述的双足机器人爬楼梯步态规划方法，其特征在于，所述双足机器人的起始位置与楼梯平行，且行走过程中世界坐标系保持不变，即世界坐标系的y轴始终与楼梯平行；则还包括：当所述双足机器人到达楼梯跟前时，通过计算所述双足机器人的双脚的连线与Y轴的夹角来获取双足机器人的双脚的连线与楼梯的夹角，以调整所述双足机器人与楼梯的位置。5.一种双足机器人爬楼梯步态规划装置，其特征在于，包括：几何模型建立单元，用于建立双足机器人的摆动腿与支撑腿在走楼梯过程中的关键步态的几...

【专利技术属性】
技术研发人员：庄礼鸿，李斐文，
申请(专利权)人：厦门理工学院，
类型：发明
国别省市：福建,35