足式机器人长时域与反应性相结合的运动轨迹生成方法技术

本发明专利技术公开一种足式机器人长时域与反应式相结合的运动轨迹生成方法，其包括：建立机器人等效单质点模型；建立基于质心加速度向量与落脚点位置向量的等效单质点模型代价函数；建立系统状态的空间约束方程；进而，构成一个非线性优化方程，采用优化求解器生成起始时刻到终止时刻的长时域质心轨迹和落足点序列；结合模型预测控制与速度场引导轨迹收敛，将短时域反应式轨迹收敛到长时域运动轨迹，生成全局运动轨迹。本发明专利技术的运动轨迹生成方法考虑到运动目标位置、机器人运动学/动力学和环境约束，允许同时进行落脚点和质心轨迹优化；当遇到外界扰动时导致质心位置与长时域运动轨迹发生偏差后，仍能快速收敛到期望位置，具有抗扰能力强的特点。力强的特点。力强的特点。

【技术实现步骤摘要】
足式机器人长时域与反应性相结合的运动轨迹生成方法


[0001]本专利技术涉及足式机器人运动控制
，具体涉及一种足式机器人长时域与反应式相结合的运动轨迹生成方法。

技术介绍

[0002]足式机器人作为移动机器人领域的一个重要分支，足式机器人分为单足、双足和多足机器人。足式机器人落足点是离散的而非连续的，落足点位置规划与质心轨迹具有很大的相关性，这也决定了足式机器人的运动灵活性与地形适应性，因此，足式机器人广泛应用于复杂地形的抢险救灾、货物运输等领域。
[0003]然而，由于复杂的机械结构、高维的系统动力学，足式机器人的运动轨迹生成较困难。而浮动基座动力学本身的欠驱动特性，足式机器人的质心轨迹不能被直接控制，而是受到与环境相互作用的地面反作用力与压力中心的影响。如何实现足式机器人能以最优轨迹到达目标位置，且当足式机器人受到外力干扰后，能快速反应调节落足点与质心轨迹，以较快速度收敛到长时域最优轨迹，此外，由于足式机器人，特别是单足、双足和四足机器人常为行走和跳跃步态，并需要不同地形进行步态切换。以上问题给足式机器人运动轨迹生成方法提出了本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种足式机器人长时域和反应式相结合的运动轨迹生成方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、建立足式机器人等效单质点模型，基于落脚点位置与单质点动力学分析运动特征；基于足式机器人运动特征提取出等效单质点模型，利用等效单质点模型模拟机器人运动，根据落足点位置与压力中心的相互关系，将落足点几何中心位置坐标值作为压力中心期望值，并建立基于支撑多变形的压力中心约束域；基于压力中心、足地接触力与质心加速度关系建立质心轨迹与压力中心关系；步骤2、通过对等效单质点模型运动特征的分析，建立基于质心加速度向量与落脚点位置向量的等效单质点模型代价函数，表示为：式中：J
U(t)
为代价函数；t0和t
F
分别表示整个运动时域的开始时间和结束时间；ω
U
为权重系数；f(U(t))和分别表示预测性能指标和期望性能指标；其中，待优化变量U(t)表达式如下所示：式中：为质心的加速度向量，p
f
(t)为落脚点位置向量；步骤3、基于足式机器人运动特征中的步长、步高和终点质心状态，动力学特征中的压力中心与足地接触力向量，行走、跳跃以及步态转换中不同步态下的加速度、地形与避障约束，建立系统状态的空间约束方程；基于系统状态建立待优化变量的空间约束方程，表示为：式中：U
upp
和U
low
分别为待优化变量U(t)在各系统状态下的最大值和最小值；步骤4、将代价函数和空间约束方程相结合，构成非线性优化方程，采用运动优化求解器生成起始到终止点的长时域质心轨迹和落足点序列：根据步骤2的等效单质点模型代价函数，结合步骤3的约束方程，构成足式机器人非线性优化方程为：性优化方程为：基于足式机器人非线性优化方程，生成起始时刻到终止时刻的长时域质心轨迹和落足点序列；步骤5、结合模型预测控制与速度场引导轨迹收敛，将短时域反应式轨迹收敛到长时域运动轨迹，生成全局运动轨迹：
结合短时域反应式轨迹优化的实时性，利用构建的足式机器人非线性优化方程迭代优化，以当前时刻为起点的短时域局部最优质心轨迹和落足点序列，当遇到外界扰动时导致质心状态偏离预期轨迹，为保证短时域运动轨迹收敛于长时域运动轨迹，采用速度场引导，生成短时域内的期望合速度序列，通过模型预测控制将反应式轨迹收敛到长时域运动轨迹，从而生成全局运动轨迹。2.根据权利要求1所述的足式机器人长时域与反应式相结合的运动轨迹生成方法，其特征在于，步骤2中的等效单质点模型代价函数包括：使足式机器人跟踪用户输入速度以及加速度指令，质心状态代价函数，具体为：式中：t0和t
F
分别表示整个运动时域的开始时间和结束时间；为质心状态代价函数的权重系数；c
a,v
(t)和分别表示预测和期望质心状态；a,v分别表示机器人质心加速度和速度状态；落脚点位置代价函数，具体为：式中：ω
p
为落脚点位置的权重系数；r(t)表示落脚点位置与质心的位置矢量；f(t)表示压力中心位置到质心位置的足地接触力向量；质心高度代价函数，具体为：式中：ω
z
为质心高度的权重系数；r
z
(t)表示足式机器人实际质心高度；表示足式机器人期望质心高度。3.根据权利要求1所述的足式机器人长时域与反应式相结合的运动轨迹生成方法，其特征在于，步骤3中的空间约束方程包括：根据足式机器人步态和结构，建立足式机器人的质心约束方程为：式中：c
v,p
(t)表示质心实际速度和位置状态；表示质心速度和位置状态约束上限；表示质心速度和位置状态约束下限；上标v、p分别表示质心的速度和位置状态；根据机器人腿部杆长，建立机器人腿长约束方程为：式中：||r(t)||表示落脚点位置到质心位置矢量的模；表示落脚点位置到质心位置矢量的模平方的约束上限；表示落脚点位置到质心位置矢量的模平方的约束下限；
根据机器人腿长以及步幅的限制，建立机器人步长约束方程为：式中：p
f,xy
表示落脚点位置的x、y方向的坐标；表示步幅约束上限；表示步幅约束下限；T
step
表示迈步时间周期；在每个迈步时间周期内，落脚点的位置保持不变为：p
f
(t)≡C,t∈[t
ste...

【专利技术属性】
技术研发人员：史亚鹏，王源，陈馨，俞滨，巴凯先，潘刚，孔祥东，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：