一种四足机器人的静步态规划方法技术

本发明专利技术提供一种四足机器人的静步态规划方法及计算机可读存储介质，方法包括：预先选定多组沿“S”形分布的位于同一水平面的不规则落足点；确定四足机器人的重心调整的目标区域，目标区域满足两个约束条件：稳定性约束和足端工作空间约束；在重心调整阶段，从重心调整的目标区域中选择一个距离重心初始投影位置最近的点作为重心调整目标点，采用重心轨迹优化算法确定最短重心移动轨迹；采用速度优化算法获取在关节角速度约束条件下的最大身体和足端移动速度；四足机器人以最大身体和足端移动速度按照所述落足点行走。使四足机器人在移动过程中可以保持稳定，且足端可以摆动到期望落足点，提高了四足机器人的行走速度。

【技术实现步骤摘要】
一种四足机器人的静步态规划方法
本专利技术涉及四足机器人步态规划的
，尤其涉及一种四足机器人的静步态规划方法及计算机可读存储介质。
技术介绍
随着人类社会的发展和科学技术的进步，人们探索未知世界的愿望越来越强烈。然而，考虑到安全性等因素，仅凭人类自身的力量很难到达许多地形复杂的或未知的地方，因此人们开发出各种行走机器人来代替自己工作。目前使用最多的行走机器人分为轮式和履带式机器人，但由于轮式和履带式机器人的行走路径是连续的，因此它们只可以在相对平坦的路面上行驶，而地球上超过百分之五十的路面都是崎岖不平甚至带有大量禁区的，这大大限制了它们的应用。受到陆生哺乳动物的启发，近几十年来，越来越多的研究者开始关注足式机器人。相较于轮式和履带式机器人，足式机器人的足端轨迹是离散的点，因此只要在地面上选定了合适的落足点，其便可穿越各种复杂地形。而且，足式机器人的腿部往往具有多个自由度，这使其具有更高的运动灵活性。在足式机器人中，四足机器人比双足机器人具有更好的运动稳定性和更大的承载能力，比六足机器人具有更简单的机械结构和更少的冗余自由度，因此愈来愈成为研究的热点。一般而言，四足机器人的步态规划包括落足点的选择，重心轨迹规划和摆动足足端轨迹规划。关于重心轨迹规划，常见的规划方法主要分为两类，一类考虑提高机器人的运动稳定性，另一类考虑提高机器人的运动快速性。其中，考虑运动稳定性的重心轨迹规划方法以稳定裕度最大作为优化目标，且通常采用SSM判据衡量四足机器人的静态稳定性大小。该规划方法求解出支撑三角形内稳定裕度最大的点作为重心移动轨迹的终点。但是，采用这种方法计算出的重心移动轨迹往往很长，进而导致能量利用率下降及移动用时增加。另一类重心轨迹规划方法通过缩短重心在重心调整阶段的移动距离来提高机器人运动的快速性。例如，J.ZicoKolter提出了双三角理论，将重心调整阶段由四个缩减为两个，大大缩短了重心移动距离。BinLi提出了一种新的重心调整策略，将重心调整分为水平调整和竖直调整两种类型，缩短了重心移动距离。但是，在这类规划方法中，重心往往以固定速度移动，这样可能会导致两个问题。其一是在某些时刻，四足机器人腿部某几个关节的关节角速度会超限，其二是在另外一些时刻，四足机器人腿部所有关节都没有达到关节角速度限值，也即重心没有以可达到的最大线速度移动。对于足端轨迹规划，大多数规划方法在确定足端轨迹后，给定足端一个固定的移动速度，但这样处理同样会导致四足机器人某几个关节的关节角速度超限和足端无法以可达到的最大线速度移动的问题。综上，现有技术中采用静步态的四足机器人存在行走速度缓慢的问题。以上
技术介绍
内容的公开仅用于辅助理解本专利技术的构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述
技术介绍
不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有的问题，提供一种四足机器人的静步态规划方法及计算机可读存储介质。为了解决上述问题，本专利技术采用的技术方案如下所述：一种四足机器人的静步态规划方法，包括如下步骤：S1：预先选定多组沿“S”形分布的位于同一水平面的不规则落足点；S2：确定所述四足机器人的重心调整的目标区域，所述目标区域满足两个约束条件：稳定性约束和足端工作空间约束；S3：在重心调整阶段，从所述重心调整的目标区域中选择一个距离重心初始投影位置最近的点作为重心调整目标点，采用重心轨迹优化算法确定最短重心移动轨迹；S4：采用速度优化算法获取在关节角速度约束条件下的最大身体和足端移动速度；S5：所述四足机器人以所述最大身体和足端移动速度按照所述落足点行走。优选地，所述稳定性约束包括在腿摆动阶段，所述四足机器人的重心投影位置始终位于由支撑腿的足端构成的支撑三角形内。优选地，采用内插支撑三角形代替所述支撑三角形来判断机器人的稳定性；若重心投影位置在腿摆动阶段始终位于所述内插三角形内则判断所述四足机器人是稳定的。优选地，将所述四足机器人的重心投影到支撑腿的落足点所在的支撑水平面上，并设定平面坐标系{P}，然后通过四只支撑足在所述平面坐标系{P}中的坐标确定重心调整的目标区域；所述平面坐标系{P}中，原点O代表重心调整阶段开始时重心的投影位置，O′代表重心调整的期望位置，S0代表所述内插三角形各边与所述支撑三角形各边的距离，Lij代表连接第i条腿的落足点和第j条腿的落足点的直线，Sij代表O′到Lij的距离；四足机器人的静态稳定性判据表示为：Sij≥S0,i,j∈{A1,A2,A3,A4}且i≠j其中，A1＝{1,2,3},A2＝{1,2,4},A3＝{1,3,4},A4＝{2,3,4}；记pi(xi,yi),其中i∈{1,2,3,4}为第i条腿的足端在所述平面坐标系{P}中的坐标，则直线Lij的直线方程为：Aijx+Bijy+Cij＝0其中，Aij＝yi-yj，Bij＝xj-xi，Cij＝xi(yj-yi)+yi(xi-xj)；将满足稳定性约束的重心调整目标区域命名为区域A，区域A表示为：其中，p′o(x′o,y′o)代表重心调整的目标位置在所述平面坐标系{P}中的坐标。优选地，所述足端工作空间约束包括：在所述重心调整阶段，重心移动过程中每条腿的落足点必须位于其工作空间内；在所述腿摆动阶段，摆动腿的期望落足点必须位于其可达工作空间内。优选地，确定每条腿在所述支撑水平面上的可达工作区域是圆形，且圆心为工作空间的球心在支撑水平面上的投影点，半径等于其中，l2是大腿连杆长度，l3是小腿连杆长度，h是躯干高度；记pi(xi,yi),其中，i∈{1,2,3,4}为第i条腿的足端在所述平面坐标系{P}中的坐标，k为下一个相邻阶段摆动腿的标号，p′k(x′k,y′k)为摆动腿期望落足点的坐标，则将所述区域A中满足足端工作空间约束的重心调整目标区域区域B需要满足如下所示的足端工作空间约束条件：(xi-(x′o+αb))2+(yi-(y′o+βa))2≤r2(x′k-(x′o+αb))2+(y′k-(y′o+βa))2≤r2其中，优选地，从所述重心调整的目标区域中选择一个距离重心初始投影位置po(xo,yo)最近的点p′o(x′o,y′o)作为重心调整目标点，记d为po(xo,yo)与p′o(x′o,y′o)之间的距离，则重心轨迹优化问题描述为：优选地，采用速度优化算法获取在关节角速度约束条件下的最大足端移动速度包括：S41：获取每条腿的足端线速度与所述腿上横滚髋关节、俯仰髋关节和俯仰膝关节三个关节的关节角速度的关系式；将四足机器人的右后腿、右前腿、左后腿及左前腿分别标为腿1、腿2、腿3、腿4，根据四足机器人结构的对称性可知，腿1和腿3的足端线速度与三个关节角速度的关系式相等，腿2和腿4的足端线速度与三个关节角速度的关系式相等；在躯干的形心处建立坐标系{Ob本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种四足机器人的静步态规划方法，其特征在于，包括如下步骤：/nS1：预先选定多组沿“S”形分布的位于同一水平面的不规则落足点；/nS2：确定所述四足机器人的重心调整的目标区域，所述目标区域满足两个约束条件：稳定性约束和足端工作空间约束；/nS3：在重心调整阶段，从所述重心调整的目标区域中选择一个距离重心初始投影位置最近的点作为重心调整目标点，采用重心轨迹优化算法确定最短重心移动轨迹；/nS4：采用速度优化算法获取在关节角速度约束条件下的最大身体和足端移动速度；/nS5：所述四足机器人以所述最大身体和足端移动速度按照所述落足点行走。/n

【技术特征摘要】
1.一种四足机器人的静步态规划方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：预先选定多组沿“S”形分布的位于同一水平面的不规则落足点；
S2：确定所述四足机器人的重心调整的目标区域，所述目标区域满足两个约束条件：稳定性约束和足端工作空间约束；
S3：在重心调整阶段，从所述重心调整的目标区域中选择一个距离重心初始投影位置最近的点作为重心调整目标点，采用重心轨迹优化算法确定最短重心移动轨迹；
S4：采用速度优化算法获取在关节角速度约束条件下的最大身体和足端移动速度；
S5：所述四足机器人以所述最大身体和足端移动速度按照所述落足点行走。


2.如权利要求1所述的四足机器人的静步态规划方法，其特征在于，所述稳定性约束包括在腿摆动阶段，所述四足机器人的重心投影位置始终位于由支撑腿的足端构成的支撑三角形内。


3.如权利要求2所述的四足机器人的静步态规划方法，其特征在于，采用内插支撑三角形代替所述支撑三角形来判断机器人的稳定性；若重心投影位置在腿摆动阶段始终位于所述内插三角形内则判断所述四足机器人是稳定的。


4.如权利要求3所述的四足机器人的静步态规划方法，其特征在于，将所述四足机器人的重心投影到支撑腿的落足点所在的支撑水平面上，并设定平面坐标系{P}，然后通过四只支撑足在所述平面坐标系{P}中的坐标确定重心调整的目标区域；所述平面坐标系{P}中，原点O代表重心调整阶段开始时重心的投影位置，O′代表重心调整的期望位置，S0代表所述内插三角形各边与所述支撑三角形各边的距离，Lij代表连接第i条腿的落足点和第j条腿的落足点的直线，Sij代表O′到Lij的距离；
四足机器人的静态稳定性判据表示为：
Sij≥S0,i,j∈{A1,A2,A3,A4}且i≠j
其中，A1＝{1,2,3},A2＝{1,2,4},A3＝{1,3,4},A4＝{2,3,4}；
记pi(xi,yi),其中i∈{1,2,3,4}为第i条腿的足端在所述平面坐标系{P}中的坐标，则直线Lij的直线方程为：
Aijx+Bijy+Cij＝0
其中，Aij＝yi-yj，Bij＝xj-xi，Cij＝xi(yj-yi)+yi(xi-xj)；
将满足稳定性约束的重心调整目标区域命名为区域A，区域A表示为：












其中，p′o(x′o,y′o)代表重心调整的目标位置在所述平面坐标系{P}中的坐标。


5.如权利要求4所述的四足机器人的静步态规划方法，其特征在于，所述足端工作空间约束包括：
在所述重心调整阶段，重心移动过程中每条腿的落足点必须位于其工作空间内；
在所述腿摆动阶段，摆动腿的期望落足点必须位于其可达工作空间内。


6.如权利要求5所述的四足机器人的静步态规划方法，其特征在于，确定每条腿在所述支撑水平面上的可达工作区域是圆形，且圆心为工作空间的球心在支撑水平面上的投影点，半径等于
其中，l2是大腿连杆长度，l3是小腿连杆长度，h是躯干高度；
记pi(xi,yi),其中，i∈{1,2,3,4}为第i条腿的足端在所述平面坐标系{P}中的坐标，k为下一个相邻阶段摆动腿的标号，p′k(x′k,y′k)为摆动腿期望落足点的坐标，则将所述区域A中满足足端工作空间约束的重心调整目标区域区域B需要满足如下所示的足端工作空间约束条件：
(xi-(x′o+αb))2+(yi-(y′o+βa))2≤r2
(x′k-(x′o+αb))2+(y′k-(y′o+βa))2≤r2
其中，


7.如权利要求6所述的四足机器人的静步态规划方法，其特征在于，从所述重心调整的目标区域中选择一个距离重心初始投影位置po(xo,yo)最近的点p′o(x′o,y′o)作为重心调整目标点，记d为po(xo,yo)与p′o(x′o,y′o)之间的距离，则重心轨迹优化问题描述为：





8.如权利要求7所述的四足机器人的静步态规划方法，其特征在于，采用速度优化算法获取在...

【专利技术属性】
技术研发人员：王学谦，王雅琪，叶林奇，刘厚德，梁斌，
申请(专利权)人：清华大学深圳国际研究生院，
类型：发明
国别省市：广东;44