一种基于地形模糊自适应的四足机器人静步态规划方法，包括以下步骤：（1）根据机器人落足位置信息计算躯干俯仰角；（2）规划躯干运动轨迹，保证机器人在接下来迈步阶段的稳定性；（3）利用机器人两只前足触地时间对所行走地形的复杂度进行估计，并基于模糊算法实现对躯干运动轨迹规划中的参数进行自主调整；（4）完成一个完整的步态周期，重复整个过程。该方法使四足机器人在行走过程中能够根据地形起伏自主调整躯干的俯仰角，有效地提高了四足机器人摆动足跨越障碍物的高度及其地形适应性；有效地避免了出现速度或加速度突变，而造成机器人失去稳定性的情况；实现了四足机器人对地形变化自适应，有效地提高了四足机器人的地形适应性。
Gait planning method of Quadruped Robot Based on terrain fuzzy adaptive
【技术实现步骤摘要】
基于地形模糊自适应的四足机器人静步态规划方法
本专利技术涉及一种用于四足机器人对地形进行自适应的静步态规划方法，使得四足仿生机器人能够根据地形复杂度的变化自主调整步态参数，以提高其地形适应性，属于机器人控制领域。
技术介绍
以四足哺乳动物为仿生对象开发的四足机器人能够跨越崎岖度更高的地形。因此，四足仿生机器人成为机器人研究一个的热点。在四足机器人的研究领域中，步态规划是实现四足机器人在复杂地形上稳定行走的关键要素。四足机器人具有多种步态，而在这些步态中，当机器人使用静步态行走时，任意时刻至少有三只足与地面接触，有效地增加了其在运动过程中的稳定性与鲁棒性。为顺利通过崎岖度较高的地形，四足机器人一般选用静步态来增大自身的稳定性。“SteadyCrawlGaitGenerationAlgorithmforQuadrupedRobots”(AdvancedRobotics,2008,22(13-14):1539-1558)中提出了基于速度的静步态生成算法。“CPGmodulationfornavigationandomnidirectionalquadrupedlocomotion”(RoboticsandAutonomousSystems,2012,60(6):912-927)利用CPG(CentralPatternGenerators)生成了能够使四足机器人实现全方位移动的静步态。“Improvingtraversabilityofquadrupedwalkingrobotsusingbodymovementin3Droughterrains”(RoboticsandAutonomousSystems,2011,59(12):1036-1048)提出了一种可提高四足机器人复杂地形通过能力的静步态规划方法。“基于速度矢量的四足机器人间歇步态规划方法”(机器人,2016,38(5):540-549)为实现大负重四足机器人的全方位稳定行走，提出了基于速度矢量的间歇步态规划方法。“连续不规则台阶环境四足机器人步态规划与控制”(机器人,2015,37(1):85-93)提出一种静步态规划方法，实现了四足机器人稳定地攀爬连续不规则台阶。“基于静平衡的四足机器人直行与楼梯爬越步态”(机器人，2010,32(2):226-232)对轮足式四足机器人爬越楼梯时的静步态进行了规划。“四足机器人坡面静步态平衡方法研究”(机械科学与技术,2009,28(4):436-441)”对四足机器人在坡面静步态平衡方法进行了相关的研究，着重分析了四足机器人在坡面行走的过渡状态下姿态的变化情况以及稳定行走的方法。中国硕士学位论文“仿生恐龙机器人的步态仿真及系统实现”为实现仿生四足恐龙机器人的稳定行走，提出了一种静步态规划方法。在使用上述静步态规划方法生成四足机器人步态时，均未考虑地形信息。因而，机器人在使用这些步态行走的过程中就容易因受地形的影响而失去稳定性。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有静步态生成方法存在的上述不足，提供一种稳定性好的地形模糊自适应静步态规划方法，以使四足机器人根据自身信息实时感知地形信息，并基于模糊算法实现步态参数随地形信息变化的自主调整，以提高机器人的地形适应性。本专利技术的基于地形模糊自适应的四足机器人静步态规划方法，包括以下步骤：(1)根据机器人落足位置信息计算躯干俯仰角，实现机器人躯干随地形变化的自适应调整，提高摆动足跨越障碍物的能力；(2)根据非连续静步态的特点及机器人稳定性的需求，基于五次曲线规划躯干运动轨迹，保证机器人在接下来迈步阶段的稳定性；(3)利用机器人两只前足触地时间对所行走地形的复杂度进行估计，并基于模糊算法，实现对躯干运动轨迹规划中的参数进行自主调整，提高机器人的地形适应性；(4)完成一个完整的步态周期后，转到步骤(1)，重复整个过程。所述步骤(1)中根据机器人落足位置信息计算躯干俯仰角的过程为：四足机器人的每个步态周期包括三足支撑阶段(ThreeFeetSupportStage,TFSP)与四足支撑阶段(FourFeetSupportStage,FFSP)；假设在四足支撑阶段，机器人第i只足在坐标系{BO}中的坐标为BPi(Bxi，Byi，Bzi)(i∈[1,2,3,4])，αd为期望的俯仰角，{BOd}为机器人经姿态调整后的机体坐标系；根据坐标系{BOd}与{BO}之间的关系，得到BPi在坐标系{BOd}中的坐标为：满足下式的角度值即为期望的俯仰角αd：所述步骤(2)中规划躯干运动轨迹的过程是：将按迈步顺序接下来要摆动的后足记为NSF(NextSwingFoot)，记此足的期望落足点为DF(DesiredFoothold)，与NSF位于躯干同侧的前足记为IFF(IpsilateralFrontFoot)，记与NSF位于躯干不同侧的两只足中的前足与后足分别为CFF(ContralateralFrontFoot)与CHF(ContralateralHindFoot)；假设这四只足的投影在{PO}中的坐标分别为PNSF(PxNSF，PyNSF),PIFF(PxIFF，PyIFF),PCFF(PxCFF，PyCFF),PCHF(PxCHF，PyCHF),NSF期望落足点DF投影在坐标系{PO}中的坐标为PDF(PxDF，PyDF)；记两条直线LDF-CFF与LIFF-CHF的交点为PI(PxI,PyI)，在双支撑三角形ΔPIPCFFPCHF内，考虑最小稳定欲度Smin在内的稳定区域为ΔSDST，并记稳定区域ΔSDST内离重心调整的起点(坐标系{PO}的原点)最近的点为PN(PxN，PyN)，根据各支撑足投影的坐标，得到点PN的坐标为：其中，记PD(PxD，PyD)为ΔSDST的一个顶点，当以PD为重心调整的目标时，机器人能够以最小的侧移量，满足其在接下来迈步过程中的稳定性；记两条直线LDF-CFF与LIFF-CHF的交点为PI(PxI,PyI),PI在坐标系{PO}的坐标值为：根据双支撑三角形ΔPIPCFFPCHF各顶点的坐标，得到其内心PC(PxC,PyC)为：其中，根据点PC与PI的坐标，得到点PD的坐标值为：其中，定义与分别为由点PO指向点PN和点PD的向量，为其和向量；在向量上满足下式的点确定为重心调整的目标点：根据上式，得到PT的坐标值为：根据确定的重心调整目标点的坐标，给出重心移动的轨迹方程为：其中，TFFSP为四足机器人的四足支撑阶段(FFSP)中躯干的规划运动时间。所述步骤(3)中利用机器人两只前足触地时间对所行走地形的复杂度进行估计的过程是：在第m个步态周期中，记四足机器人两只前足在运动过程中由垂直下落阶段起始时刻到触地时刻所用时间为mti(i∈[1,2])；将第m-2个步态周期中两只前足的触地时间(m-2t1，m-2t2)与在第m-1个步态周期中两只前足的触地时间(m-1t1，m-1t2)的标准差mσ作为第m个步态周期中地形复杂度的估计值mCe为：根据地形复杂度变化趋势及时对Smin的值做出适应性调整，可进一步提高机器人的地形适应性。本专利技术中将根据地形的估计值，给出了对地形复杂度变化趋势的估计值为：其中，Δt为两个相邻步态周期的间隔时间，m-1Ce与m-2Ce分别为第m-1本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于地形模糊自适应的四足机器人静步态规划方法，其特征是，包括以下步骤：(1)根据机器人落足位置信息计算躯干俯仰角，实现机器人躯干随地形变化的自适应调整，提高摆动足跨越障碍物的能力；(2)根据非连续静步态的特点及机器人稳定性的需求，规划躯干运动轨迹，保证机器人在接下来迈步阶段的稳定性；(3)利用机器人两只前足触地时间对所行走地形的复杂度进行估计，并基于模糊算法，实现对躯干运动轨迹规划中的参数进行自主调整，提高机器人的地形适应性；(4)完成一个完整的步态周期后，转到步骤(1)，重复整个过程。
【技术特征摘要】
1.一种基于地形模糊自适应的四足机器人静步态规划方法，其特征是，包括以下步骤：(1)根据机器人落足位置信息计算躯干俯仰角，实现机器人躯干随地形变化的自适应调整，提高摆动足跨越障碍物的能力；(2)根据非连续静步态的特点及机器人稳定性的需求，规划躯干运动轨迹，保证机器人在接下来迈步阶段的稳定性；(3)利用机器人两只前足触地时间对所行走地形的复杂度进行估计，并基于模糊算法，实现对躯干运动轨迹规划中的参数进行自主调整，提高机器人的地形适应性；(4)完成一个完整的步态周期后，转到步骤(1)，重复整个过程。2.根据权利要求1所述的基于地形模糊自适应的四足机器人静步态规划方法，其特征是，所述步骤(1)中根据机器人落足位置信息计算躯干俯仰角的过程为：四足机器人的每个步态周期包括三足支撑阶段与四足支撑阶段；假设在四足支撑阶段，机器人第i只足在坐标系{BO}中的坐标为αd为期望的俯仰角，{BOd}为机器人经姿态调整后的机体坐标系；根据坐标系{BOd}与{BO}之间的关系，得到BPi在坐标系{BOd}中的坐标为：满足下式的角度值即为期望的俯仰角αd：3.根据权利要求1所述的基于地形模糊自适应的四足机器人静步态规划方法，其特征是，所述步骤(2)中规划躯干运动轨迹的过程是：将按迈步顺序接下来要摆动的后足记为NSF，记此足的期望落足点为DF，与NSF位于躯干同侧的前足记为IFF，记与NSF位于躯干不同侧的两只足中的前足与后足分别为CFF与CHF；假设这四只足的投影在{PO}中的坐标分别为NSF期望落足点DF投影在坐标系{PO}中的坐标为记两条直线LDF-CFF与LIFF-CHF的交点为在双支撑三角形ΔPIPCFFPCHF内，考虑最小稳定欲度Smin在内的稳定区域为ΔSDST，并记稳定区域ΔSDST内离重心调整的起点(坐标系{PO}的原点)最近的点为根据各支撑足投影的坐标，得到点PN的坐标为：其中，记PD(PxD，PyD)为ΔSDST的一个顶点，当以PD为重心调整的目标时，机器人能够以最小的侧移量，满足其在接下来迈步过程中的稳定性；记两条直线LDF-CFF与LIFF-CHF的交点为PI(PxI,PyI),PI在坐标系{PO}的坐标值为：根据双支...
【专利技术属性】
技术研发人员：张帅帅，刘明，尹燕芳，樊铭渠，荣学文，宋锐，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：山东,37
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