断腿损伤状态下多足机器人高效移动步态生成方法技术

本发明专利技术涉及一种断腿损伤状态下多足机器人高效移动步态生成方法。该方法包括如下步骤：蚂蚁的断腿损伤行走步态采集实验；构建出蚂蚁不同损伤的步态数据集；提出不同断腿损伤状态下蚂蚁的步态移动规律；利用上位机对实物六足机器人的关节舵机直接施加角度控制，实现机器人的直线行走并完成轨迹跟踪，找出机器人在断腿损伤状态下直线行走过程中的最佳步态模式和最优控制策略；总结得到七条在损伤状态下快速恢复直线运动能力的规律性步态生成策略，主要包括每种损伤情况都符合的共性控制规律以及一些特殊情况下的步态生成规律。该方法通过蚂蚁损伤步态的步态采集实验，得到损伤状态下蚂蚁的步态节律，再利用实物机器人的直接控制实验，最终得到机器人在断腿损伤状态下直线行走过程中的最佳步态模式和最优控制策略。线行走过程中的最佳步态模式和最优控制策略。线行走过程中的最佳步态模式和最优控制策略。

【技术实现步骤摘要】
断腿损伤状态下多足机器人高效移动步态生成方法


[0001]本专利技术涉及一种断腿损伤状态下多足机器人高效移动步态生成方法。

技术介绍

[0002]与传统的轮式、履带式机器人相比，足式机器人仅通过离散的落脚点与地面接触，接触面积更小，对 地面的适应能力更强，因此，被广泛应用于环境恶劣的户外侦查、搜救等任务中。但足式机器人在恶劣环 境执行任务时，机器人的腿部容易受到磕碰或击打导致损坏，使其运动能力和稳定性急剧下降，甚至完全 失控，因此足式机器人在腿部损伤状态下如何快速恢复运动能力是一个极具挑战且非常有价值的研究课 题。
[0003]自然界的昆虫，如蚂蚁、蟑螂等生物在腿部受伤后能快速调整移动步态，保持较好的运动能力。受这 些动物的运动行为启发，有些学者开展了模仿动物运动行为的机器人移动步态生成研究。2021年，Robert 从壁虎的滑翔稳定着陆受到启发，在着陆机器人中加上类似于壁虎的灵活尾巴，研究壁虎的着陆运动特征， 建立对应的动态数学模型，验证了有尾的机器人着陆成功率更高，完成了从生物到机器人的仿生研究。2021 年，AshishK.等人提出基于强化学习的RMA算法用于设计机器人控制器，对四足机器人进行仿真训练并 且部署到真实机器人中，保证机器人可以实时适应各种未知的场景。
[0004]上述机器人控制方法都完成了机器人稳定控制的任务，但是在足式机器人的控制器设计中还存在以下 问题：1)多足机器人运动关节多，关节角度变化范围大，算法试错较多，使得单纯采用算法进行步态调 整学习会浪费大量的时间和计算资源，甚至会出现模型不收敛的情况，无法学习到有用的调整步态。2) 通过动物运动模拟，可使多足机器人学到一些移动技能，但通常机器人与真实世界的动物外形及腿部结构 存在一定的差异，导致模仿的动作不能直接移植到机器人上，或者移植后运动效率不高。此外，可供参考 的真实世界动物运动模式较少，很难满足复杂多变的机器人受损情况下的步态调整需求。因此，研究仿生 启发在损伤状态下多足机器人的高效行走步态问题中的作用具有重要的意义和价值。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种多足机器人断腿损伤状态下快速恢复平衡与直线行走能力的步态生成方 法。该方法主要优势在于基于断腿仿生实验得到机器人在断腿损伤状态下的规律性步态生成策略，以使机 器人可以在损伤之后快速恢复平衡与直线行走的运动能力。该方法包括如下步骤：
[0006]步骤1，确定蚂蚁的不同断腿损伤类型，进行对应的断腿损伤移动步态采集实验，得到不同损伤状态 下的蚂蚁移动步态视频；并对损伤移动步态视频都进行逐帧分析，区分摆动相和支撑相两种不同状态。标 记支撑和摆动两种状态切换时的角度信息，并且记录不同状态的持续时间。最终构建出蚂蚁不同损伤状态 的步态数据集。
[0007]步骤2，对步骤1中得到的损伤步态数据集进行分析归纳，创新地提出不同断腿损
伤状态下的仿生移 动步态规律，主要包括：一、周期性移动步态的规律；二、在断腿损伤状态下，蚂蚁损伤步态呈现单侧顺 序摆动(即单侧剩余腿部呈现从后腿到前腿依次摆动，紧接着另一侧也呈现相同的从后腿到前腿依次摆动 的运动规律)的特点；三、在运动过程中，应该时刻保持机器人的稳定性，即一条腿在摆动过程中，机器 人的重心正好落在剩余腿部与地面的接触点形成的几何图形中；四、两侧腿部摆动对机身偏移的影响可以 抵消，最终保证生物的直线行走。
[0008]步骤3，利用上位机对六足机器人进行直接控制实验。在机器人直接控制实验中，结合步骤2中归纳 得出的损伤状态下的仿生步态移动规律，并利用上位机直接对机器人的关节舵机进行控制。通过机器人轨 迹跟踪的方法，找出独立于仿生移动步态规律的机器人在断腿损伤状态下直线行走过程中的最佳步态模式 和最优控制策略，主要包括：一、只有在支撑腿与地面形成有效支撑的情况下，即当腿部关节转动时产生 的扭矩足以克服其他支撑腿与地面接触之间产生的摩擦时，机器人机身才可以形成有效的前移贡献；二、 当剩余腿部的几何位置构型不再满足原先头部方向的前行规律，则利用剩余腿部的对称性，重新定义机器 人的前进方向；三、当机器人腿部缺失数量大于或等于三条的情况下，当单腿抬起时，剩余腿没法保证身 体的平衡，因此，机器人的身体将贴地作为支撑，通过改变身体的姿态，维持身体的静态稳定性，保证腿 部有效抬起和转动。
[0009]步骤4，整合上述所讲的损伤状态下的仿生以及机器人直接控制实验的运动规律，即步骤2中利用仿 生实验得到不同断腿损伤状态下蚂蚁的步态移动规律，以及步骤3中得到的机器人断腿损伤状态下直线行 走过程中的最佳步态模式和最优控制策略，一共归纳为损伤状态下，机器人可以快速恢复平衡和直线运动 能力的七条控制策略。
[0010]作为本专利技术的进一步限定方案，步骤1中，对蚂蚁的六条腿进行编号为1
‑
6，针对常见的损伤类型设 置机器人断一条腿、两条腿、三条腿的不同类型，在步态采集平台上分别进行这些类别的蚂蚁断腿行走实 验，得到蚂蚁行走过程中不同视角的断腿运动视频。对采集到的运动视频分析记录不同状态的持续时间， 绘制不同断腿损伤状态下的步态相位图。步骤2中利用步态相位图，找出在损伤状态下的仿生移动步态规 律。
[0011]进一步地，步骤3中，利用上位机编写机器人运动控制方案，直接对实物六足机器人关节舵机加以角 度控制信号。对机器人的控制信号设置为周期性的信号，因此，可以保证机器人在行走过程中是周期性步 态。并且利用USB摄像头进行轨迹跟踪，通过机器人运动轨迹可以分析得到在不同损伤情况下，每条腿 在摆动过程中对机器人前进方向移动和身体偏转的贡献率。以便后续在实验中机器人行走方向出现偏差可 以及时调整。
[0012]本专利技术在实际的有益效果如下：1)蚂蚁的断腿损伤实验为损伤机器人的运动研究奠定了有力的仿生 理论基础；2)通过蚂蚁断腿仿生实验分析，创新地提出不同断腿损伤状态下蚂蚁的移动步态规律；3)利 用上位机结合仿生损伤步态运动节律对实物六足机器人加以控制，得到在损伤状态下可以快速恢复平衡和 直线运动能力的规律性步态生成策略，以便在机器人损伤状态下可以快速找到恢复运动能力的优化步态。
附图说明
[0013]图1蚂蚁腿部编号
[0014]图2蚂蚁损伤步态采集实验装置
[0015]图3蚂蚁缺失1条腿的损伤类型
[0016]图4蚂蚁缺失2条腿的损伤类型
[0017]图5蚂蚁缺失3条腿的损伤类型
[0018]图6蚂蚁损伤步态采集实验中的实验图像
[0019]图7不同损伤状态下的步态相位图
[0020]图8机器人上位机界面
[0021]图9实物实验中机器人运动轨迹图
[0022]图10缺失两条腿时，机器人稳定抬腿行走的条件
[0023]图11缺失两条腿时，剩余腿对机器人前进方向的偏转贡献
[0024]图12缺失三条腿时，机器人稳定抬腿行走的条件
具体实施方式
[0025]下面将结合附图和实施例对本专利技术作进一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种断腿损伤状态下多足机器人高效移动步态生成方法，其特征在于，提出仿生损伤步态研究对于损伤机器人控制的重要作用，并总结出有效的断腿损伤状态下可以快速恢复平衡和直线运动能力的规律性步态生成策略，其中，主要步骤如下：步骤1，确定蚂蚁的断腿损伤类型，进行断腿损伤移动步态采集实验，得到不同损伤状态下的蚂蚁移动步态视频；对损伤移动步态视频进行分析，标注相应的关键信息，构建出蚂蚁不同损伤的步态数据集。步骤2，通过损伤步态数据集创新地提出不同断腿损伤状态下蚂蚁的四条步态移动规律。步骤3，利用上位机对六足机器人进行直接控制实验。在机器人直接控制实验中，利用上位机直接对机器人的关节舵机进行控制。找到机器人在断腿损伤状态下直线行走过程中的最佳步态模式和最优控制策略。步骤4，整合上述所讲的损伤状态下的仿生以及机器人直接控制实验的运动规律，即步骤2中利用仿生实验得到不同断腿损伤状态下蚂蚁的步态移动规律，以及步骤3中得到的机器人断腿损伤状态下直线行走过程中的最佳步态模式和最优控制策略，一共归纳为损伤状态下，机器人可以快速恢复平衡和直线运动能力的七条控制策略。2.根据权利要求1所述的蚂蚁的断腿损伤行走步态采集实验，其特征在于，搭建相应的步态采集装置，确定不同断腿的实验种类，实现对蚂蚁损伤状态下行走步态的视频记录。3.根据权利要求1中所述的蚂蚁不...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾明，王芷菁，马煜，李元昊，张衎，王雅晨，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：