一种双足机器人实时步态轨迹生成方法技术

本发明专利技术涉及一种双足机器人实时步态轨迹生成方法，包括以下步骤：利用四个振荡神经元单元全向耦合，组成可以输出四路具有可调相位关系的振荡信号的振荡网络，并设计映射函数，在线生成双足机器人的脚掌轨迹；利用三个振荡神经元单元组成重心轨迹生成器，在线生成机器人的三维重心轨迹；利用传感器检测环境信息，建立反馈回路，对脚掌轨迹和重心轨迹进行实时调节，得到具有环境适应性的步态轨迹；对控制系统参数采用多目标进化算法进行优化，得到最优步态轨迹。与现有技术相比，本发明专利技术充分利用了振荡神经元网络丰富的动态特性以及能耦合行走环境反馈信息的特性，使在线生成的步态轨迹具有一定行走环境适应性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种双足机器人行走控制方法，尤其是涉及一种双足机器人实时步态轨迹规划方法。
技术介绍
目前双足机器人步态规划方法主要是离线轨迹规划和优化，离线规划在一定程度上限制了机器人行走的灵活性，特别是在不确定或非结构化环境中。采用预先规划步态轨迹的方法，不能从根本上解决机器人的环境适应性行走控制问题。这也是为什么目前双足以及人形机器人无法应用于现场的主要原因，因此需要研究实时步态规划和控制策略，采用在线步态生成的方法来解决双足机器人对复杂环境的适应性问题。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供。该方法基于神经元振荡网络(Neural oscillator network,NON)来实现双足机器人的实时步态轨迹规划。在轨迹规划中充分利用了神经元网络丰富的动态特性以及能耦合行走环境反馈信息的特性，使生成的步态轨迹具有一定的环境适应性。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现:，该方法包括以下步骤:I)基于神经元振荡网络和映射`函数设计机器人的脚掌轨迹生成器，在线生成机器人的脚掌轨迹；利用四个振荡神经元单元全向耦合，组成可以输出四路具有可调相位关系的振荡信号的神经元振荡网络，并设计映射函数将网络四路输出信号映射为机器人的脚掌轨迹；2)利用三个振荡神经元单元输出三路振荡信号，设计相应的映射函数，将三路振荡信号映射为机器人的三维重心轨迹信号；3)建立反馈回路；通过机器人自身的传感器检测环境信息，由反馈控制器反馈至脚掌轨迹生成器和三维重心轨迹生成器，对脚掌轨迹和重心轨迹进行实时调节，得到具有环境适应性的步态轨迹；4)对脚掌轨迹生成器、三维重心轨迹生成器和反馈控制器的参数采用多目标进化算法进行优化，得到最优步态轨迹。所述的振荡神经元单元的模型为:nTru{e/].= -ui^aV{e/}i =^{e/}i +^{e/}iy{e,f}i = max(u{e,f}i，0)ri = -u{e}i+u{f}i其中，i，e和f分别表示第i个神经元单元、屈肌和伸肌神经元。u{6,f}为神经元的内部状态，V{e,f}为神经元自抑制状态，y{e,f}i为神经元的输出。I；和Ta分别为上升时间和适应时间常数，Wfe为神经元的相互抑制系数，P为神经元的自抑制系数，Stl代表来自高层的激励信号，Feedte, f}为反馈输入信号。Wij为神经元j与神经元i间的连接权重，r,为第i个振荡单元的输出，由屈、伸肌神经元的状态项线性合成。步骤I)中的脚掌轨迹包括左腿脚掌轨迹和右脚掌轨迹，所述的左腿脚掌轨迹的映射函数为: 权利要求1.，其特征在于，该方法包括以下步骤: 1)基于神经元振荡网络和映射函数设计机器人的脚掌轨迹生成器，在线生成机器人的脚掌轨迹；利用四个振荡神经元单元全向耦合，组成可以输出四路具有可调相位关系的振荡信号的神经元振荡网络，并设计映射函数，将振荡神经元网络输出的振荡信号实时的映射为机器人得脚掌轨迹信号； 2)基于神经元振荡单元和映射函数设计机器人的重心轨迹生成器；利用三个振荡神经元单元输出振荡信号，并设计相应的映射函数，将三路振荡信号映射为机器人的三维重心轨迹信号； 3)建立反馈回路；通过机器人自身的传感器检测环境信息，由反馈控制器反馈至脚掌轨迹生成器和三维重心轨迹生成器，对脚掌轨迹和重心轨迹进行实时调节，得到具有环境适应性的步态轨迹； 4)对脚掌轨迹生成器、三维重心轨迹生成器和反馈控制器的参数采用多目标进化算法进行优化，得到最优步态轨迹。2.根据权利要求1所述的一种双足机器人实时步态轨迹控制方法，其特征在于，所述的振荡神经元单元的模型为:3.根据权利要求2所述的，其特征在于，步骤I)中的脚掌轨迹包括左腿脚掌轨迹和右脚掌轨迹，所述的左腿脚掌轨迹的映射函数为:4.根据权利要求2所述的，其特征在于，所述的重心轨迹的映射函数为:CoMx = of^+K^i+Kff (t)CoMy = offy+Kyr2CoMz = offz+Kzr3 式中，CoMx, CoMy和CoMz分别为机器人重心在X轴方向、Y轴方向和Z轴方向上的位置信息，offx, Offy和Off z为补偿变量，Kx, Ky和Kz和Kf为变换增益，r1 r2和r3为三维重心轨迹生成器中三个振荡单元的输出信号，f(t)为一斜坡函数，通过叠加斜坡函数来得到重心在X方向的重心轨迹。5.根据权利要求2所述的，其特征在于，步骤4)中进行参数优化的步骤为: (1)采用固定的脚掌轨迹，首先基于多目标进化对重心轨迹生成器的参数进行优化，获得能实现机器人行走的重心轨迹生成器参数； (2)将第一步中优化得到的重心轨迹生成器参数保持不变，基于多目标进化重新优化机器人的脚掌轨迹参数，实现稳定的直线行走步态轨迹； (3)在对脚掌轨迹生成器和三维重心轨迹生成器的参数完成开环优化的基础上，调整反馈回路，对反馈控制器的参数进行优化，以提高机器人行走的环境适应性。全文摘要本专利技术涉及，包括以下步骤利用四个振荡神经元单元全向耦合，组成可以输出四路具有可调相位关系的振荡信号的振荡网络，并设计映射函数，在线生成双足机器人的脚掌轨迹；利用三个振荡神经元单元组成重心轨迹生成器，在线生成机器人的三维重心轨迹；利用传感器检测环境信息，建立反馈回路，对脚掌轨迹和重心轨迹进行实时调节，得到具有环境适应性的步态轨迹；对控制系统参数采用多目标进化算法进行优化，得到最优步态轨迹。与现有技术相比，本专利技术充分利用了振荡神经元网络丰富的动态特性以及能耦合行走环境反馈信息的特性，使在线生成的步态轨迹具有一定行走环境适应性。文档编号G05D1/02GK103116354SQ20131003755公开日2013年5月22日 申请日期2013年1月30日 优先权日2013年1月30日专利技术者刘成菊, 陈启军 申请人:同济大学本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双足机器人实时步态轨迹生成方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)基于神经元振荡网络和映射函数设计机器人的脚掌轨迹生成器，在线生成机器人的脚掌轨迹；利用四个振荡神经元单元全向耦合，组成可以输出四路具有可调相位关系的振荡信号的神经元振荡网络，并设计映射函数，将振荡神经元网络输出的振荡信号实时的映射为机器人得脚掌轨迹信号；2)基于神经元振荡单元和映射函数设计机器人的重心轨迹生成器；利用三个振荡神经元单元输出振荡信号，并设计相应的映射函数，将三路振荡信号映射为机器人的三维重心轨迹信号；3)建立反馈回路；通过机器人自身的传感器检测环境信息，由反馈控制器反馈至脚掌轨迹生成器和三维重心轨迹生成器，对脚掌轨迹和重心轨迹进行实时调节，得到具有环境适应性的步态轨迹；4)对脚掌轨迹生成器、三维重心轨迹生成器和反馈控制器的参数采用多目标进化算法进行优化，得到最优步态轨迹。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘成菊，陈启军，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：