机器人低运算要求的动态步态的实现方法技术

本发明专利技术涉及机器人和创客教育领域，具体涉及一种低运算要求的动态步态的实现方法。该方法包括：根据机器人的腿部结构，建立单腿运动学模型，推导机器人单腿的逆运动学公式；设计步态：使用对应的步态，使机器人当行走时的质心惯性力和重力的合力的延长线穿过机器人的支撑面；将步态周期中每只足端的坐标代入逆运动学公式中，得出每个关节角，并映射到舵机值。直接使用舵机值就可完成整个步态周期，这样就可以免去大量的运算，主控芯片的资源可以使用在其他更需要的方面，这在创客教育中是极其重要的。

Realization of Low Operational Requirement Dynamic Gait of Robot

The invention relates to the field of robot and creator education, in particular to a method for realizing dynamic gait with low computational requirements. The method includes: according to the leg structure of the robot, the kinematics model of the single leg is established, and the inverse kinematics formula of the single leg of the robot is deduced; the gait is designed: the corresponding gait is used to make the extension line of the inertia force of the center of mass and the force of gravity of the robot pass through the support surface of the robot while walking; and the coordinates of each foot end in the gait cycle are substituted into the inverse kinematics formula to get each foot. The joint angle is mapped to the steering gear value. The whole gait cycle can be completed by using the steering gear value directly, so that a lot of calculation can be avoided. The resources of the master chip can be used in other more needed areas, which is extremely important in the creative education.

【技术实现步骤摘要】
机器人低运算要求的动态步态的实现方法
本专利技术涉及机器人领域，尤其涉及一种机器人低运算要求的动态步态的实现方法。
技术介绍
在创客教育领域中，各种学习平台如小车和仿生机器人，由于用于学习，因此不能将平台设计地太大，价格不能太过于昂贵，这意味着用于创客教育的机器人在动力和主控芯片的运算能力上与大型机器人有较大的差距。因此在市面上用于教育的小狗机器人、人型机器人，大多只能使用较为缓慢的静态步态，在使用过程中特别不方便，这主要是是受限于价格和运算能力的结果。为了解决教育足式机器人难以快速步行的问题，必须采用一种新的步态方法，应用在低运算能力主控芯片上，使得在尽可能减少运算需求的情况下，实现机器人的动态步态。
技术实现思路
针对目前技术中存在的不足之处，本专利技术提供一种机器人低运算要求的动态步态的实现方法，选取尽量少的点来确定机器人腿部的运动轨迹，根据对应的逆运动学公式，计算出各个时刻下的各个关节角度，然后根据具体使用方式得到舵机具体位置值，主控芯片只需发送舵机具体位置值指令给舵机，控制舵机在一定时间内转动到特定角度，便可完成整个步态，而无须进行更多的运算。为实现上述目的，本专利技术提供一种机器人低运算要求的动态步态的实现方法，包括以下步骤：模型建立：根据不同的腿型结构，建立单腿运动学模型并且采用对应的逆运动学公式；确定步态：根据机器人运动轨迹，选择多个运动点来模拟机器人足端的一个运动周期；运动角度的确定：将运动点代入逆运动学公式，计算出在各个时刻下的各个关节的运动角度；步态实现：根据运动角度、舵机的安装方式和角度范围映射到舵机具体位置值，控制舵机完成整个步态。作为优选，在模型建立步骤中，不同的机器人具有不同的腿型，机器人共有三种，包括双足机器人、四足机器人和六足机器人，对应的腿型也为这三种；运用仿生学原理将三种腿型建立对应的单腿运动学模型，并且推导出逆运动学公式。作为优选，所述双足机器人的逆运动学公式为其中D和f为。作为优选，所述四足机器人的逆运行学公式为：其中d的计算公式为：。作为优选，所述六足机器人的逆运行学公式为：其中d的计算公式为：。作为优选，在确定步态步骤中，多个点的选择按照以下规则：根据机器人的运动轨迹，选定进行落足和抬足时运动的第一个点作为落足点和抬足点，在落足点和抬足点的连线上选择中点，且在中点的正上方根据抬腿高度再选取一点，将这些点连接起来形成机器人足部的运动轨迹，构成机器人足端的一个运动周期。作为优选，根据运动轨迹中各个点之间的距离，赋予相对应的时间，使得机器人在行走的过程中保持匀速运动。作为优选，确定了足端轨迹的取点后，将每个时刻每个足端的点代入逆运动学公式，计算出每个足在各个时刻下的各个关节的运动角度。作为优选，在步态实现步骤中，将所有关节的运动角度根据舵机的安装方式和角度范围映射到舵机具体位置值，并且规定相应的速度，主控芯片发送舵机具体位置值给舵机，控制舵机在一定时间内转动到特定角度，即完成整个步态的实现。本专利技术的有益效果是：本专利技术提供的机器人低运算要求的动态步态的实现方法，根据不同种类的机器人的腿型的不同，采用不同的逆运动学公式，利用较少的点确定机器人单腿运动一个周期的轨迹：选取落足点和抬足点以及这两点的中点，确定了每只腿足端轨迹的取点后，将每个时刻每条腿足端的点带入逆运动学公式，可得出每只腿在各个时刻下的各个关节角度，最后将所有关节角度根据舵机的安装方式和角度范围映射到舵机具体位置值，并规定相应的速度，主控芯片只需发送舵机位置值指令给舵机，控制舵机在一定时间内转动到特定角度，便可完成整个步态，而无须进行更多的运算。附图说明图1为本专利技术的方法流程图；图2为本专利技术的人型机器人的单腿运动学模型；图3为本专利技术的小狗机器人的单腿运动学模型；图4为本专利技术的六足机器人的单腿运动学模型；图5为人型机器人单腿步态周期轨迹；图6为人型机器人双腿的运行次序表；图7为小狗机器人单腿步态周期轨迹；图8为小狗机器人四腿的运动次序表；图9为六足机器人单腿步态周期轨迹；图10为六足机器人两组腿的运动次序表。具体实施方式为了更清楚地表述本专利技术，下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步地描述。请参阅图1，本专利技术提供一种机器人低运算要求的动态步态的实现方法，包括以下步骤：模型建立：根据不同的腿型结构，建立单腿运动学模型并且采用对应的逆运动学公式；确定步态：根据机器人运动轨迹，选择多个运动点来模拟机器人足端的一个运动周期；运动角度的确定：将运动点代入逆运动学公式，计算出在各个时刻下的各个关节的运动角度；步态实现：根据运动角度、舵机的安装方式和角度范围映射到舵机具体位置值，控制舵机完成整个步态。在本实施例中，因为不同的机器人腿型结构是不同的，根据机器人的具体类型选择最合适的单腿运动模型，采用最佳的逆运动学公式，这样才能使得机器人稳定工作；目前市面上主要为三种类型机器人：以人型机器人为代表的双足机器人，以小狗机器人为代表的四足机器人以及六足机器人，下面以这些机器人作为具体实施方法阐述本专利技术。请参阅图2至图4，运用仿生学原理，建立单腿运动学模型，在人型机器人中，单腿具有5个自由度，其中a、b、c、d、e分别为第一与第二关节的连杆长度、第二与第三关节的连杆长度、第三与第四关节的连杆长度、第四与第五关节的连杆长度、第五关节与脚板的垂直距离；α、β、γ、Φ、φ为第一到第五关节的关节角；小狗机器人的单腿运动学模型的单腿运动学模型，单腿具有3个自由度，其中a、b、c分别为第一与第二关节的连杆长度、第二与第三关节的连杆长度、第三关节与足端的距离；α、β、γ分别为第一到第三关节的关节角；六足机器人的单腿运动学模型，单腿具有3个自由度，其中a、b、c分别为第一与第二关节的连杆长度、第二与第三关节的连杆长度、第三关节与足端的距离；α、β、γ分别为第一到第三关节的关节角。双足机器人的逆运动学公式为：其中D和f为：。四足机器人的逆运行学公式为：其中d的计算公式为：。六足机器人的逆运行学公式为：其中d的计算公式为：。推导出相应的单腿逆运学公式后，根据实际的机器人结构便可得到足端处于确定位置时，各个关节的角度。以人形机器人为例，测量出a、b、c、d、e的长度，确定一个足端位置，比如空间坐标为（20，20，200），带入对应的公式，得出足端位置在（20，20，200）时，得到各个关节的角度大小。对于人型机器人，为了使得轨迹中的点数尽量少，减小主控芯片的运算负担，在单腿轨迹只选取尽量少的点；首先选取抬足点①和落足点⑤，同时在这两个点的连线上选取其中点⑥，且在中点⑥的正上方根据抬腿高度选取抬高点③，为了使得机器人足端的轨迹更加圆滑，可以在额外补充两个点：抬足点①、落足点⑤分别与抬高点③的连线的中点②、④，人型机器人的足端根据序号顺序依次到达轨迹上的点，最后回到序号①，完成一个单腿周期。因为人型机器人只有两条腿，在行走的过程中需要保证至少有一条腿处于支撑期，图中深色填充的表示该条腿处于支撑期，无填充表示处于摆动期，因此人型双腿的运动次序表中，在①和⑤两个点上，会连续两个时段，以增加行走过程中的稳定性。在具体的应用中，由于大多数人形机器人的质心位于两条腿的髋关节之间，因此在行走的过程中需要把重心转移到处于支撑期的腿上，但由于在转移重心的过程中，由于质心的加本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种机器人低运算要求的动态步态的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：模型建立：根据不同的腿型结构，建立单腿运动学模型并且采用对应的逆运动学公式；确定步态：根据机器人运动轨迹，选择多个运动点来模拟机器人足端的一个运动周期；运动角度的确定：将运动点代入逆运动学公式，计算出在各个时刻下的各个关节的运动角度；步态实现：根据运动角度、舵机的安装方式和角度范围映射到舵机具体位置值，控制舵机完成整个步态。

【技术特征摘要】
1.一种机器人低运算要求的动态步态的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：模型建立：根据不同的腿型结构，建立单腿运动学模型并且采用对应的逆运动学公式；确定步态：根据机器人运动轨迹，选择多个运动点来模拟机器人足端的一个运动周期；运动角度的确定：将运动点代入逆运动学公式，计算出在各个时刻下的各个关节的运动角度；步态实现：根据运动角度、舵机的安装方式和角度范围映射到舵机具体位置值，控制舵机完成整个步态。2.根据权利要求1所述的机器人低运算要求的动态步态的实现方法，其特征在于，在模型建立步骤中，不同的机器人具有不同的腿型，机器人共有三种，包括双足机器人、四足机器人和六足机器人，对应的腿型也为这三种；运用仿生学原理将三种腿型建立对应的单腿运动学模型，并且推导出逆运动学公式。3.根据权利要求2所述的机器人低运算要求的动态步态的实现方法，其特征在于，所述双足机器人的逆运动学公式为其中D和f为。4.根据权利要求2所述的机器人低运算要求的动态步态的实现方法，其特征在于，所述四足机器人的逆运行学公式为：：其中d的计算公式为：。5.根据权利要求2所述的机器人低运算要求的动态步态的实现方法，其特征在于，所述六足机...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晨阳，夏陆政，方楚鸿，
申请(专利权)人：深圳市幻尔科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44