提高仿生机械恐龙爬行稳定性的步态规划方法技术

本发明专利技术公开了一种提高仿生机械恐龙爬行稳定性的步态规划方法，一个前进爬行步态周期的步态规划如下：下蹲；身体右倾并向右摆尾；迈左前腿；迈左后腿；身体左倾并向左摆尾；迈右后腿；迈右前腿；身体右倾；其中，整体重心位于相应的立足点所构成的四边形区域内。本发明专利技术，充分考虑了大型四足仿生机械恐龙尺寸大、质量重且分布较为离散，加之腿部和首、尾质量相对较大的因素，重新规划了爬行步态，为提高了大型四足仿生机械恐龙的行走稳定性提供了基础。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及四足机器人，具体涉及。
技术介绍
机器人技术是近几十年来迅速发展起来的一门高新技术，它综合了机械、微电子与计算机、自动控制、传感器与信息处理以及人工智能等多学科的最新研究成果，是机电一体化技术的典型载体。大型四足仿生机械恐龙是四足步行机器人的一种重要应用，广泛应用于娱乐、影视等领域。众所周知，行走的稳定性是四足步行机器人的关键技术，控制四足步行机器人行走稳定性的基础是步态规划。为此，众多的研究机构都对四足步行机器人的步态规划展开了研究，然而，这些研究课题的研究对象都是小型四足步行机器人，在进行步态规划时，主要考虑的是腿部各关节变化对整体稳定性的影响。因此，这些步态规划应用到大型四足仿生机械恐龙时具有一定的局限性。主要原因在于(I)大型四足仿生机械恐龙尺寸大、质量重，且质量分布较为离散；(2)大型四足仿生机械恐龙的腿部和首、尾质量相对较大，而现有针对小型四足机器人的步态规划中并没有考虑首、尾质量的影响。有鉴于此，对于大型四足仿生机械恐龙而言，必须结合其腿部和首尾的运动对重心的影响对爬行步态进行重新规划设计，以提高大型四足仿生机械恐龙的行走稳定性。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是解决如何提高大型四足仿生机械恐龙的行走稳定性的问题。为了解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是提供一种，一个爬行周期的步态规划如下(I)下蹲，四腿弯曲形成所述特定的腿部初始姿态；(2)身体右倾，并向右摆尾，使整体重心右移至左后腿、右前腿、右后腿立足点所构成的三角形区域内；(3)迈左前腿，使整体重心前移并维持在左前腿、右前腿、右后腿立足点所构成的三角形区域内；(4)迈左后腿，使整体重心前移至左前腿、左后腿、右前腿、右后腿立足点所构成的四边形区域内；(5)身体左倾，并向左摆尾，使整体重心左移至左前腿、左后腿、右前腿立足点所构成的三角形区域内；(6)迈右后腿，使整体重心前移至左前腿、左后腿、右后腿立足点所构成的三角形区域内；(7)迈右前腿，使整体重心前移至左前腿、左后腿、右前腿、右后腿立足点所构成的四边形区域内；(8)身体右倾，使整体重心恢复至左前腿、左后腿、右前腿、右后腿立足点所构成的四边形区域的几何中心位置。在上述方法中，前进爬行步态的腿部初始姿态为仿生机械恐龙的四条腿同时下蹲，膝关节均前屈相同的角度，且θτ = -38°，0S = 55° ;θ τ :大腿与竖直方向的夹角；Θ s :小腿与大腿延长线之间的夹角。在上述方法中，在前进爬行步态中，任一条腿的足底运动轨迹满足以下条件 X = -LTsin ( Θ T)-Lssin( θ τ+ Θ s)；y = -LtCos ( Θ t) _Lscos ( θ t+ Θ s)；式中Lt :大腿长度；Ls :小腿长度；θ τ :大腿与竖直方向的夹角；Θ s :小腿与大腿延长线之间的夹角。在上述方法中，任一条腿的迈腿过程中，大腿关节的转动角度θ τ满足以下条件t=0. 00 O. 15 秒时，Θ T = -I. 39t2-0.17 ；t=0. 15 I. 17 秒时，θ τ = -O. 42t_0. 14 ；t=l. 17 I. 32 秒时，θ τ = I. 39t2_3. 67t+l. 75 ；t=l. 32 I. 47 秒时，θ τ = —O. 66 ；t=l. 47 I. 98 秒时，θ τ = -O. 66 ;t=l. 98 2. 13 秒时，Θ T = I. 39t2_5. 53t+4. 83 ；t=2. 13 3· 15 秒时，θ τ = O. 42t_l. 52 ；t=3. 15 3. 30 秒时，θ τ = -I. 39t2+9. 21t_15. 37 ；小腿关节的转动角度Θ s满足以下条件t=0. 00 O. 15 秒时，Θ s = I. 74t2 ；t=0. 15 I. 17 秒时，Θ s = O. 52t + O. 31 ；t=l. 17 I. 32 秒时，Θ s = — I. 74t2 + 4. 59t — 2. 06 ;t=l. 32 I. 47 秒时，Θ s = — I. 74t2 + 4. 59t — 2. 06 ;t=l. 47 I. 98 秒时，Θ s = 0. 52t + I. 69 ；t=l. 98 2· 13 秒时，Θ s = O. 52t + I. 69 ；t=2. 13 3. 15 秒时，Θ s = 0. 52t + I. 69 ；t=3. 15 3· 30 秒时，Θ s = I. 74t2 — 11. 51t + 18. 99 ；θ τ、Θ s的单位为弧度。在上述方法中，在一个前进爬行步态周期内髋关节的转动角度ΘΗ满足以下条件t=0. 97 I. 67 秒时，θ H = — O. 17t2 + O. 34t — O. 16 ;t=l. 67 2· 38 秒时，θ Η = O. 17t2 — O. 83t + O. 81 ；t=8. 98 9· 98 秒时，θ Η = O. 17t2 — 3. 13t + 13. 89 ；t=9. 98 10. 98 秒时，θ H = — O. 17t2 + 3. 93t — 20. 86 ；t=17. 58 18. 58 秒时，θ H = — 0. 52t + I. 69 ;t=18. 58 19. 58 秒时，θ H = -0. 52t + I. 69 ；θ η的单位为弧度。本专利技术，充分考虑了大型四足仿生机械恐龙尺寸大、质量重且分布较为离散，加之腿部和首、尾质量相对较大的因素，选择特定的腿部初始姿态，并在爬行的过程中通过侧倾以及左右摇头、左右摆尾调整整体重心，使整体重心的垂直投影落在由立足点所构成的多边形区域内，为提高了大型四足仿生机械恐龙的行走稳定性提供了基础。 附图说明图I为四足机器人的第一种典型初始姿态示意图；图2为四足机器人的第二种典型初始姿态示意图；图3 图10为本专利技术中一个爬行周期的步态规划示意图(图中同时示出了整体重心的变化过程);图11为迈步动作的时序图；图12为腿部足底运动分析示意图；图13为足底迹细化示意图。具体实施例方式本专利技术提供的，充分考虑了大型四足仿生机械恐龙尺寸大、质量重且分布较为离散，加之腿部和首、尾质量相对较大的因素，为提高了大型四足仿生机械恐龙的行走稳定性提供了基础。下面结合附图和一个具体实施例对本专利技术作出详细的说明。所述的具体实施例中，大型四足仿生机械恐龙的长度为3. 5米左右、高度为2米左右、宽度为I. 5米左右，总重量约为400kg，具有17个关节的自由度，分别是头部嘴巴M、水平颈部BZ、垂直颈部BS、左前大腿QZD、左前小腿QZX、左前髋部QZK、左后大腿HZD、左后小腿HZX、左后髋部HZK、右前大腿QYD、右前小腿QYX、右前髋部QYK、右后大腿HYD、右后小腿HYX、右后髋部HYK、水平尾部WZ和垂直尾部WS。对于仿生机械恐龙的前进爬行步态规划如下( I)选择特定的腿部初始姿态。为了实现行走功能，四足大型仿生机械恐龙的腿部初始姿态必须是弯曲状，或是侧斜状态，如图I、图2所示的两种典型初始姿态，这样才能在不影响身体的俯仰和侧向摆动的前提下，通过调整腿部关节角度，使足底由一个位置移动到另一本文档来自技高网...

【技术保护点】
提高仿生机械恐龙爬行稳定性的步态规划方法，其特征在于，一个前进爬行步态周期的步态规划如下：（1）下蹲，四腿弯曲形成所述特定的腿部初始姿态；（2）身体右倾，并向右摆尾，使整体重心右移至左后腿、右前腿、右后腿立足点所构成的三角形区域内；（3）迈左前腿，使整体重心前移并维持在左前腿、右前腿、右后腿立足点所构成的三角形区域内；（4）迈左后腿，使整体重心前移至左前腿、左后腿、右前腿、右后腿立足点所构成的四边形区域内；（5）身体左倾，并向左摆尾，使整体重心左移至左前腿、左后腿、右前腿立足点所构成的三角形区域内；（6）迈右后腿，使整体重心前移至左前腿、左后腿、右后腿立足点所构成的三角形区域内；（7）迈右前腿，使整体重心前移至左前腿、左后腿、右后腿、右前腿立足点所构成的四边形区域内；（8）身体右倾，使整体重心恢复至左前腿、左后腿、右前腿、右后腿立足点所构成的四边形区域的几何中心位置。

【技术特征摘要】
1.提高仿生机械恐龙爬行稳定性的步态规划方法，其特征在于，一个前进爬行步态周期的步态规划如下 (1)下蹲，四腿弯曲形成所述特定的腿部初始姿态； (2)身体右倾，并向右摆尾，使整体重心右移至左后腿、右前腿、右后腿立足点所构成的三角形区域内； (3)迈左前腿，使整体重心前移并维持在左前腿、右前腿、右后腿立足点所构成的三角形区域内； (4)迈左后腿，使整体重心前移至左前腿、左后腿、右前腿、右后腿立足点所构成的四边形区域内； (5 )身体左倾，并向左摆尾，使整体重心左移至左前腿、左后腿、右前腿立足点所构成的三角形区域内； (6)迈右后腿，使整体重心前移至左前腿、左后腿、右后腿立足点所构成的三角形区域内； (7)迈右前腿，使整体重心前移至左前腿、左后腿、右后腿、右前腿立足点所构成的四边形区域内； (8)身体右倾，使整体重心恢复至左前腿、左后腿、右前腿、右后腿立足点所构成的四边形区域的几何中心位置。2.如权利要求I所述的提高仿生机械恐龙爬行稳定性的步态规划方法，其特征在于 前进爬行步态的腿部初始姿态为仿生机械恐龙的四条腿同时下蹲，膝关节均前屈相问的角度，且θτ = -38 , Θ s = 55 ；θ τ :大腿与竖直方向的夹角； Θ s :小腿与大腿延长线之间的夹角。3.如权利要求I所述的提高仿生机械恐龙爬行稳定性的步态规划方法，其特征在于在前进爬行步态中，任一条腿的足底运动轨迹满足以下条件 X = -LTsin ( Θ T) -Lssin ( θ τ+ Θ s)； y = —LtCOS ( θ t) —LsCOS ( Θ t+ Θ s)； 式中 Lt :大腿长度； Ls :小腿长度； θ τ :大腿与竖直方向的夹角； Θ S :小腿与大腿延长线之间的夹角。4.如权利要求I所述的提高仿生机械恐龙爬行稳定性的步态规划方法，其特征在于，任一条腿的迈腿过程中， 大腿关节的转动角度θτ满足以下条件 t=0. 00 O. 15 秒时，Θ T = -I. 39t2-0·17 ； t=0. 15 I. 17 秒时，θ τ = -O. 42t-0. 14 ； t=l. 17 I. 32 秒时，θ τ = I. 39t2-3. 67t+l. 75 ； t=l. 32 I. 47 秒时...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩晓建，周春，孙宇，方书明，
申请(专利权)人：中科宇博北京文化有限公司，
类型：发明
国别省市：