足式机器人足端轨迹规划方法、系统及控制方法、系统技术方案

本发明专利技术涉及一种足式机器人足端轨迹规划方法、系统及控制方法、系统，在对支撑阶段的足端轨迹进行规划时，采用带有抛物线过渡的线性函数对轨迹进行插值，得到支撑阶段的轨迹参数方程，并根据轨迹参数方程计算单只腿足结构的各关节在支撑阶段的第一关节角函数，在对摆动阶段的足端轨迹进行规划时，采用多项式插值的方法对关节角变化量进行插值，得到关节角变化量插值函数，根据第一关节角函数和关节角变化量插值函数计算单只腿足结构的各关节在摆动阶段的第二关节角函数，利用规划得到的足端轨迹对机器人进行控制，能够有效降低作为关节的运动原件的损耗，使腿足结构的运动更加平滑。使腿足结构的运动更加平滑。使腿足结构的运动更加平滑。

【技术实现步骤摘要】
足式机器人足端轨迹规划方法、系统及控制方法、系统


[0001]本专利技术涉及机器人控制
，特别是涉及一种足式机器人足端轨迹规划方法、系统及控制方法、系统。

技术介绍

[0002]过去较长一段时间里，轮式机器人和履带式机器人以其运动的快速性、高效性和易控制性被广泛的运用在生活中。但是随着人类活动范围的扩大，人类的踪迹越来越多的出现在高低起伏的山地，沟壑纵横的高原，甚至未知的地外行星，普通的轮式机器人和履带式机器人无法很好的在这些地形上运动。
[0003]随着人工智能技术的发展，促使有着复杂控制结构的足式机器人越来越多的出现在人们的视野中。足式机器人的出现起源于对自然界动物的仿生学研究，以其对地形的高适应性和运动的灵巧性而备受关注和青睐。足式机器人几乎可以运动在各种复杂的地形上并完成运动作业，特别是被广泛应用在废墟探索，管道巡检，森林搜救，边防巡逻及星际探索等方面。
[0004]足式机器人是依靠与地面等支撑结构相接触的足端的反作用力来推动身体前进，通过各个腿足结构有规律的交替动作来完成整个运动过程。人们从仿生学角度结合所设计的机器人结构特点，研发出各种适用于不同足数的机器人的运动步态，这使足式机器人腿足结构的交替时序有了保障。目前足式机器人的研究多集中在步态规划上，针对足端轨迹的规划方法并不多。然而，足式机器人运动的另一个核心为机器人的足端轨迹规划，因为正是足端的反作用力为机器人提供运动的动力，足端轨迹规划将直接影响着机器人的运动方向和运动稳定性。足端轨迹规划的实质是通过对单腿足结构进行数学建模，在空间中求解出一条连续闭合的曲线，这条曲线就是足式机器人足端的轨迹。
[0005]目前的足端轨迹规划方法在空间轨迹规划上并未从实际腿足机构的运动去考虑，现有规划方法所规划出的轨迹有些在机器人落足时为直线转折，有些轨迹采用支撑轨迹为地面直线，摆动轨迹为两段直线加一段抛物线，其所形成的轨迹图的各曲线交界节点都未考虑到关节的旋转速度，这些现有方法规划出的轨迹会导致在将轨迹曲线通过逆运动学解算到关节空间后，关节变化的速度会有一个较大的突变，速度的突变意味着短时力矩的突变，这可能影响关节的运动元件(如舵机)的寿命。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种足式机器人足端轨迹规划方法、系统及控制方法、系统，在考虑实际腿足结构运动的前提下对足端轨迹进行规划，有效降低作为关节的运动原件的损耗，使腿足结构的运动更加平滑。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0008]第一方面，本专利技术用于提供一种足式机器人足端轨迹规划方法，对单只腿足结构在单个周期内的足端轨迹进行规划，所述规划方法包括：
[0009]1)对支撑阶段的足端轨迹进行规划：
[0010]采用带有抛物线过渡的线性函数对轨迹进行插值，得到支撑阶段的轨迹参数方程；
[0011]根据所述轨迹参数方程计算所述单只腿足结构的各关节在支撑阶段的第一关节角函数；
[0012]2)对摆动阶段的足端轨迹进行规划：
[0013]采用多项式插值的方法对关节角变化量进行插值，得到关节角变化量插值函数；
[0014]根据所述第一关节角函数和所述关节角变化量插值函数计算所述单只腿足结构的各关节在摆动阶段的第二关节角函数；
[0015]所述第一关节角函数和所述第二关节角函数即为单个周期内的足端轨迹在关节空间的表示。
[0016]本专利技术还提供了一种足式机器人足端轨迹规划系统，对单只腿足结构在单个周期内的足端轨迹进行规划，所述规划系统包括：
[0017]支撑轨迹规划模块，用于对支撑阶段的足端轨迹进行规划：采用带有抛物线过渡的线性函数对轨迹进行插值，得到支撑阶段的轨迹参数方程；根据所述轨迹参数方程计算所述单只腿足结构的各关节在支撑阶段的第一关节角函数；
[0018]摆动轨迹规划模块，用于对摆动阶段的足端轨迹进行规划：采用多项式插值的方法对关节角变化量进行插值，得到关节角变化量插值函数；根据所述第一关节角函数和所述关节角变化量插值函数计算所述单只腿足结构的各关节在摆动阶段的第二关节角函数；所述第一关节角函数和所述第二关节角函数即为单个周期内的足端轨迹在关节空间的表示。
[0019]第二方面，本专利技术用于提供一种足式机器人足端轨迹控制方法，对单只腿足结构在单个周期内的运动进行控制，所述控制方法包括：
[0020]根据上述轨迹规划方法所得到的第一关节角函数控制足式机器人运动，完成支撑阶段的运动；
[0021]根据上述轨迹规划方法所得到的第二关节角函数控制足式机器人运动，完成摆动阶段的运动。
[0022]本专利技术还用于提供一种足式机器人足端轨迹控制系统，对单只腿足结构在单个周期内的运动进行控制，所述控制系统包括：
[0023]支撑控制模块，用于根据上述轨迹规划方法所得到的第一关节角函数控制足式机器人运动，完成支撑阶段的运动；
[0024]摆动控制模块，用于根据上述轨迹规划方法所得到的第二关节角函数控制足式机器人运动，完成摆动阶段的运动。
[0025]根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：
[0026]本专利技术用于提供一种足式机器人足端轨迹规划方法及系统，对单只腿足结构在单个周期内的足端轨迹进行规划，包括对支撑阶段的足端轨迹进行规划和对摆动阶段的足端轨迹进行规划。在对支撑阶段的足端轨迹进行规划时，采用带有抛物线过渡的线性函数对轨迹进行插值，得到支撑阶段的轨迹参数方程，并根据轨迹参数方程计算单只腿足结构的各关节在支撑阶段的第一关节角函数，进而通过首尾两段抛物线的方式为关节提供恒定加
速或减速制动过程，保证了足端线速度和关节角速度在运动过程中的平稳性和连续性。在对摆动阶段的足端轨迹进行规划时，采用多项式插值的方法对关节角变化量进行插值，得到关节角变化量插值函数，根据第一关节角函数和关节角变化量插值函数计算单只腿足结构的各关节在摆动阶段的第二关节角函数，进而能够从正运动学的角度进行轨迹规划，避免无解、多解等问题。本专利技术所规划的足端轨迹各关节的时间曲线连续且平缓，各关节角速度变化稳定，能够有效降低作为关节的运动原件的损耗，使腿足结构的运动更加平滑，并且还能显著简化运算，提高足端轨迹规划的速度。
[0027]本专利技术还用于提供一种足式机器人足端轨迹控制方法及系统，对单只腿足结构在单个周期内的运动进行控制，根据上述轨迹规划方法所得到的第一关节角函数控制足式机器人运动，完成支撑阶段的运动，根据上述轨迹规划方法所得到的第二关节角函数控制足式机器人运动，完成摆动阶段的运动，进而利用规划方法中所得到的第一关节角函数和第二关节角函数对机器人进行控制，使机器人按照规划好的轨迹进行运动，能够有效降低作为关节的运动原件的损耗，使腿足结构的运动更加平滑。
附图说明
[0028]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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些实施例，对于本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种足式机器人足端轨迹规划方法，对单只腿足结构在单个周期内的足端轨迹进行规划，其特征在于，所述规划方法包括：1)对支撑阶段的足端轨迹进行规划：采用带有抛物线过渡的线性函数对轨迹进行插值，得到支撑阶段的轨迹参数方程；根据所述轨迹参数方程计算所述单只腿足结构的各关节在支撑阶段的第一关节角函数；2)对摆动阶段的足端轨迹进行规划：采用多项式插值的方法对关节角变化量进行插值，得到关节角变化量插值函数；根据所述第一关节角函数和所述关节角变化量插值函数计算所述单只腿足结构的各关节在摆动阶段的第二关节角函数；所述第一关节角函数和所述第二关节角函数即为单个周期内的足端轨迹在关节空间的表示。2.根据权利要求1所述的规划方法，其特征在于，所述采用带有抛物线过渡的线性函数对轨迹进行插值，得到支撑阶段的轨迹参数方程具体包括：获取支撑阶段的第一已知参量；所述第一已知参量包括支撑阶段的起始点坐标和终止点坐标；建立带有抛物线过渡的初始线性函数；根据所述第一已知参量和第一限制条件，对所述初始线性函数进行求解，得到轨迹参数方程；所述第一限制条件包括始末位置、始末速度、轨迹连续以及速度连续。3.根据权利要求1所述的规划方法，其特征在于，所述根据所述轨迹参数方程计算所述单只腿足结构的各关节在支撑阶段的第一关节角函数具体包括：获取所述单只腿足结构的逆运动学方程；以所述轨迹参数方程作为输入，利用所述逆运动学方程计算所述单只腿足结构的各关节在支撑阶段的第一关节角函数。4.根据权利要求3所述的规划方法，其特征在于，所述获取所述单只腿足结构的逆运动学方程具体包括：获取所述单只腿足结构的D
‑
H参数表；根据所述D
‑
H参数表计算相邻连杆变换矩阵；根据所述相邻连杆变换矩阵，利用几何法获取所述单只腿足结构的逆运动学方程。5.根据权利要求1所述的规划方法，其特征在于，所述采用多项式插值的方法对关节角变化量进行插值，得到关节角变化量插值函数具体包括：采用四次多项式插值的方法对关节角变化量进行插值，得到关节角变化量插值函数。6.根据权利要求5所述的规划方法，其特征在于，所述采用四次多项式插值的方法对关节角变化量进行插值，得到关节角变化量插值函数具体包括：获取...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晓平，夏海闯，崔力升，李伊茗，罗康，武天旭，朱震霆，程竑暻，焦睿，徐浩诚，
申请(专利权)人：北方工业大学，
类型：发明
国别省市：