四足机器人着地足力分配方法、装置、终端及计算机可读存储介质与流程

本发明属于机器人技术领域，具体地来说，是一种四足机器人着地足力分配方法、装置、终端及计算机可读存储介质。

背景技术：

足式机器人是当今机器人研究领域最为前沿的课题之一，集机械、电子、计算机、材料、传感器、控制技术及人工智能等多门学科于一体，多学科交叉、复杂程度高，吸引了众多科研机构、科技公司的目光聚焦，各国也相继投入巨资开展研究。

行走中的足式机器人，可被认为是多自由度的并联系统。足力对机身平衡起着决定性作用，尤其是当机器人行走于不规则路面上，足端支撑力的变化会使机器人机身的姿态发生改变，进而影响稳定性。为此，业界对足力控制进行了大量研究。

目前，足端力一般通过数值解析求取数值解，无法通过严格的公式计算得到解析解。数值方法计算量庞大，效率很低，对于机器人的控制灵敏度有着明显的负面影响。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种四足机器人着地足力分配方法、装置、终端及计算机可读存储介质，实现对着地足力的解析解的快速求解计算，具有计算效率高、硬件成本低的优点。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种四足机器人着地足力分配方法，包括：

于同一笛卡尔坐标系中建立机身的虚拟模型与各足端的阻抗模型；

基于力/力矩平衡关系确定所述虚拟模型与所述阻抗模型之间的刚度映射关系；

引入摩擦锥约束与内力平衡约束以确定着地足力的x/y/z轴向分量之间的线性关系，x轴向为机器人的进退方向，y轴向为机器人的横移方向，z轴向为铅垂方向；

获取机身于笛卡尔坐标系中的当前位姿，并计算其与期望位姿之间的偏差值，根据所述偏差值确定所述机身的虚拟力-虚拟力矩；

基于牛顿-欧拉方程，根据所述刚度映射关系、所述着地足力的x/y/z轴向分量之间的线性关系、所述机身的虚拟力-虚拟力矩计算各支撑足的着地足力的x/y/z轴向分量。

作为上述技术方案的改进，所述“于同一笛卡尔坐标系中建立机身的虚拟模型与各足端的阻抗模型”包括：

于所述机身的质心建立笛卡尔坐标系；

于所述机身的质心施加分别沿x周向、y周向及z轴向的虚拟弹簧-阻尼元件，从而建立所述机身的虚拟模型；

将着地足端简化为支撑点，于所述支撑点施加沿x轴向、y轴向、z轴向的虚拟弹簧-阻尼元件，从而建立各足端的阻抗模型。

作为上述技术方案的进一步改进，所述刚度映射关系为：

n-机器人的足数；

kθx,kθy,kcz-机身沿x/y周向的角刚度及沿z轴向的线刚度；

kiz-第i足端沿z轴向的线刚度；

λi-第i足端的步态参数，着地则为1，否则为0；

pix,piy-第i足端的x/y坐标；

cx,cy-机身质心的x/y坐标。

作为上述技术方案的进一步改进，所述“引入摩擦锥约束与内力平衡约束以确定着地足力的x/y/z轴向分量之间的线性关系”包括：

于各着地足端引入x/y/z三维摩擦约束作为防滑边界条件；

根据机器人步态特性将所述三维摩擦约束简化为x-z平面摩擦约束，以确定着地足力的x轴向分量与z轴向分量之间的线性关系；

根据内力平衡约束建立y轴向力平衡方程，据之确定各着地足力的y轴向分量之间的线性关系。

作为上述技术方案的进一步改进，所述机身于笛卡尔坐标系中的当前位姿包括机身的俯仰角、横滚角及沿z轴向的高度值。

一种四足机器人着地足力分配装置，包括：

建模模块，用于于同一笛卡尔坐标系中建立机身的虚拟模型与各足端的阻抗模型；

映射模块，用于基于力/力矩平衡关系确定所述虚拟模型与所述阻抗模型之间的刚度映射关系；

线性化模块，用于引入摩擦锥约束与内力平衡约束以确定着地足力的x/y/z轴向分量之间的线性关系；

虚拟力模块，用于获取机身于笛卡尔坐标系中的当前位姿，并计算其与期望位姿之间的偏差值，根据所述偏差值确定所述机身的虚拟力-虚拟力矩；

解析计算模块，用于基于牛顿-欧拉方程并根据所述刚度映射关系、所述着地足力的x/y/z轴向分量之间的线性关系、所述机身的虚拟力-虚拟力矩计算各支撑足的着地足力的x/y/z轴向分量。

作为上述技术方案的改进，所述建模模块包括：

建系子模块，用于在所述机身的质心建立笛卡尔坐标系；

虚拟模型子模块，用于在所述机身的质心施加分别沿x周向、y周向及z轴向的虚拟弹簧-阻尼元件；

阻抗模型子模块，用于将着地足端简化为支撑点，并于所述支撑点施加沿x轴向、y轴向、z轴向的虚拟弹簧-阻尼元件。

作为上述技术方案的进一步改进，所述线性化模块包括：

防滑边界子模块，用于在各着地足端引入x/y/z三维摩擦约束作为防滑边界条件；

摩擦线性子模块，用于根据机器人步态特性将沿所述三维摩擦约束简化为x-z平面摩擦约束，以确定着地足力的x轴向分量与z轴向分量之间的线性关系；

内力线性子模块，用于根据内力平衡约束建立y轴向力平衡方程，据之确定各着地足力的y轴向分量之间的线性关系。

一种终端，包括存储器以及处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序以使所述终端实现以上任一项所述的四足机器人着地足力分配方法。

一种计算机可读存储介质，其存储有所述终端所执行的所述计算机程序。

本发明的有益效果是：

于同一笛卡尔坐标系中建立机身的虚拟模型与各足端的阻抗模型，基于力/力矩平衡关系确定所述虚拟模型与所述阻抗模型之间的刚度映射关系，以增加解析解的线性约束；进而引入摩擦锥约束与内力平衡约束，增加动态方程的边界条件，实现了着地足力的x/y/z轴向分量之间的线性化，从而快速得到着地足力分配比的唯一解，提供了一种计算效率高、硬件成本低的解析解方法。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明实施例1提供的四足机器人着地足力分配方法的流程示意图；

图2是本发明实施例1提供的四足机器人着地足力分配方法的步骤a的流程示意图；

图3是本发明实施例1提供的四足机器人着地足力分配方法的步骤a的建系示意图；

图4是本发明实施例1提供的四足机器人着地足力分配方法的步骤a的建模示意图；

图5是本发明实施例1提供的四足机器人着地足力分配方法的步骤c的流程示意图；

图6是本发明实施例2提供的四足机器人着地足力分配装置的结构示意图；

图7是本发明实施例2提供的四足机器人着地足力分配装置的建模模块的结构示意图；

图8是本发明实施例2提供的四足机器人着地足力分配装置的线性化模块的结构示意图；

图9是本发明实施例3提供的终端的结构示意图。

主要元件符号说明：

100-四足机器人着地足力分配装置，110-建模模块，111-建系子模块，112-虚拟模型子模块，113-阻抗模型子模块，120-映射模块，130-线性化模块，131-防滑边界子模块，132-摩擦线性子模块，133-内力线性子模块，140-虚拟力模块，150-解析计算模块，200-终端，210-存储器，220-处理器，230-输入单元，240-显示单元。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对四足机器人着地足力分配方法、装置、终端及计算机可读存储介质进行更全面的描述。附图中给出了四足机器人着地足力分配方法、装置、终端及计算机可读存储介质的优选实施例。但是，四足机器人着地足力分配方法、装置、终端及计算机可读存储介质可以通过许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对四足机器人着地足力分配方法、装置、终端及计算机可读存储介质的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在四足机器人着地足力分配方法、装置、终端及计算机可读存储介质的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例1

请参阅图1，本实施例提供一种四足机器人着地足力分配方法，该方法包括以下步骤：

步骤a：于同一笛卡尔坐标系中建立机身的虚拟模型与各足端的阻抗模型。

请参阅图2，示范性地，步骤a包括：

步骤a1：请参阅图3，于所述机身的质心(com)建立笛卡尔坐标系(b)。该笛卡尔坐标系(b)具有保持正交关系的x轴、y轴与z轴，其中：x轴为水平轴，其轴向表征机器人的进退方向；y轴向为与x轴垂直的另一水平轴，其轴向表征机器人的横移方向；z轴为铅垂轴，其轴向为铅垂方向。于四足机器人中，左前足、右前足、左后足、右后足的着地足力分别为ffl、ffr、fbl、fbr，第i足端的着地足力的x/y/z轴向分量分别为{fix,fiy,fiz}。

步骤a2：请参阅图4，于所述机身的质心(com)施加分别沿x周向、y周向及z轴向的虚拟弹簧-阻尼元件，从而建立机身的虚拟模型。其中，x周向即绕x轴旋转的方向，表征机器人的横滚运动；y周向即绕y轴旋转的方向，表征机器人的俯仰运动。示范性地，沿x周向的虚拟弹簧-阻尼元件为沿x周向的虚拟弹簧-阻尼元件为沿z轴向的虚拟弹簧-阻尼元件为{kcz,ζcz}。其中，k为刚度系数，ζ为阻尼系数。

步骤a3：请参阅图4，将着地足端简化为支撑点，于所述支撑点施加沿x轴向、y轴向、z轴向的虚拟弹簧-阻尼元件，从而建立各足端的阻抗模型。换言之，着地足力简化为点力，着地足端与地面的接触简化为点接触。示范性地，沿x轴向的虚拟弹簧-阻尼元件为{kix,ζix}，沿y轴向的虚拟弹簧-阻尼元件为{kiy,ζiy}，沿z轴向的虚拟弹簧-阻尼元件为{kiz,ζiz}。其中，k为刚度系数，ζ为阻尼系数。

步骤b：基于力/力矩平衡关系确定所述虚拟模型与所述阻抗模型之间的刚度映射关系。所谓刚度映射关系，是指虚拟模型的刚度系数与阻抗模型的刚度系数的映射关系。机身的虚拟模型生成的力/力矩，各足端的着地足力(由阻抗模型生成)作用于机身的力/力矩，二者具有对应关系，从而建立力/力矩平衡方程。

在一个示范例中，该刚度映射关系为：

式中，n-机器人的足数；

kθx,kθy,kcz-机身沿x/y周向的角刚度及沿z轴向的线刚度；

kiz-第i足端沿z轴向的线刚度；

λi-第i足端的步态参数，着地则为1，否则为0；

pix,piy-第i足端的x/y坐标；

cx,cy-机身质心的x/y坐标。

步骤c：引入摩擦锥约束与内力平衡约束以确定着地足力的x/y/z轴向分量之间的线性关系。

摩擦锥约束的引入基于防止足端打滑考虑，旨在实现机器人对着地足端打滑的规避要求。于摩擦锥约束下，着地足端与地面之间具有自锁要求，即着地足力的x/y轴向分量不超过地面的动摩擦极限，使着地足端不发生打滑。地面的动摩擦极限线性相关于地面对着地足端的支反力(即着地足力的z轴向分量的反力)，进一步线性化处理，从而于着地足力的x/z轴向分量之间建立线性约束关系。

内力平衡约束的引入基于内力最小化考虑，旨在最小化各足端之间的内力作用，消除内力对抗。根据内力最小化要求，各着地足力的y轴向分量(侧向力)之间具有无内力对抗关系，从而确定各着地足力的y轴向分量之间的线性关系。

请参阅图5，示范性地，步骤c包括：

步骤c1：于各着地足端引入x/y/z三维摩擦约束(摩擦锥)作为防滑边界条件。

步骤c2：根据机器人步态特性将所述三维摩擦约束简化为x-z平面摩擦约束，以确定着地足力的x轴向分量与z轴向分量之间的线性关系。机器人步态特性在于，其所仿生的陆生哺乳动物罕有侧向(y轴向)平移行走，可对侧向牵引力趋零化处理，从而使三维摩擦约束(摩擦锥)简化为x-z平面摩擦约束(摩擦角)。

基于x-z平面内的摩擦角约束，着地足力的x轴向分量与z轴向分量之间的线性关系可轻易确定。示范性地，其线性关系如下：fix＝min{fcxfiz/fcz,ξμfiz}。式中，fix为第i足的着地足力的x轴向分量，fiz为第i足的着地足力的z轴向分量，fcx为机身质心的虚拟力的x轴向分量，fcz为机身质心的虚拟力的z轴向分量，ξ为根据应用环境选定的防滑因子，μ为地面摩擦系数。

步骤c3：根据内力平衡约束建立y轴向力平衡方程，据之确定各着地足力的y轴向分量之间的线性关系。如前所述，根据内力最小化要求，各着地足力的y轴向分量(侧向力)之间具有无内力对抗关系，即侧向力合力为零。

进一步地，于四足机器人中，两个前足之间沿y轴向无内力对抗，等效认为二者的着地足力的y轴向分量大小相等、方向相反；两个前足之间沿y轴向无内力对抗，等效认为二者的着地足力的y轴向分量大小相等、方向相反。

步骤d：获取机身于笛卡尔坐标系中的当前位姿，并计算其与期望位姿之间的偏差值，根据所述偏差值确定所述机身的虚拟力-虚拟力矩。其中，所述机身于笛卡尔坐标系中的当前位姿包括机身的俯仰角、横滚角及沿z轴向的高度值，上述三值属于首要考虑因素。其中，机身的虚拟力的x/y/z轴向分量分别为{fcx,fcy,fcz}，虚拟力矩的x/y/z周向分量分别为{τθx,τθy,τθz}。

步骤e：基于牛顿-欧拉方程，根据所述刚度映射关系、所述着地足力的x/y/z轴向分量之间的线性关系、所述机身的虚拟力-虚拟力矩计算各支撑足的着地足力的x/y/z轴向分量。

示范性地，基于牛顿欧拉方程、刚度映射关系及机身的虚拟力-虚拟力矩，得到方程ax＝y，具体为：

其中，仅f1y、f2y、f3y、f4y、sδθx、sδθy、δcz为未知量，且系数矩阵a的行列式不为零，故上述未知量具有唯一解，从而得到各未知量的解析解，使四足机器人各足端的着地足力的y轴向分量{f1y,f2y,f3y,f4y}得以求解。

其中，sδθx、sδθy与δcz之间具有以下关系：

fiz＝λikiz(-sδθypix+sδθxpiy+δcz)

由此，四足机器人各足端的着地足力的z轴向分量{f1z,f2z,f3z,f4z}的解析解一并得出。

进而，基于着地足力的x轴向分量与z轴向分量之间的线性关系fix＝min{fcxfiz/fcz,ξμfiz}，四足机器人各足端的着地足力的x轴向分量{f1x,f2x,f3x,f4x}的解析解亦得以计算。

实施例2

请参阅图6，本实施例提供一种四足机器人着地足力分配装置100，该装置包括：

建模模块110，用于于同一笛卡尔坐标系中建立机身的虚拟模型与各足端的阻抗模型；

映射模块120，用于基于力/力矩平衡关系确定所述虚拟模型与所述阻抗模型之间的刚度映射关系；

线性化模块130，用于引入摩擦锥约束与内力平衡约束以确定着地足力的x/y/z轴向分量之间的线性关系；

虚拟力模块140，用于获取机身于笛卡尔坐标系中的当前位姿，并计算其与期望位姿之间的偏差值，根据所述偏差值确定所述机身的虚拟力-虚拟力矩；

解析计算模块150，用于基于牛顿-欧拉方程并根据所述刚度映射关系、所述着地足力的x/y/z轴向分量之间的线性关系、所述机身的虚拟力-虚拟力矩计算各支撑足的着地足力的x/y/z轴向分量。

请参阅图7，示范性地，建模模块110包括：

建系子模块111，用于在所述机身的质心建立笛卡尔坐标系；

虚拟模型子模块112，用于在所述机身的质心施加分别沿x周向、y周向及z轴向的虚拟弹簧-阻尼元件；

阻抗模型子模块113，用于将着地足端简化为支撑点，并于所述支撑点施加沿x轴向、y轴向、z轴向的虚拟弹簧-阻尼元件。

请参阅图8，示范性地，线性化模块130包括：

防滑边界子模块131，用于在各着地足端引入x/y/z三维摩擦约束作为防滑边界条件；

摩擦线性子模块132，用于根据机器人步态特性将沿所述三维摩擦约束简化为x-z平面摩擦约束，以确定着地足力的x轴向分量与z轴向分量之间的线性关系；

内力线性子模块133，用于根据内力平衡约束建立y轴向力平衡方程，据之确定各着地足力的y轴向分量之间的线性关系。

实施例3

请参阅图9，本实施例提供一种终端200，该终端200包括存储器210以及处理器220，存储器210用于存储计算机程序，处理器220执行计算机程序以使终端200实现以上所述的四足机器人着地足力分配方法。

其中，终端200包括不具备移动通信能力的终端设备(比如计算机、服务器等)，亦包括移动终端(比如智能电话、平板电脑、车载电脑、智能穿戴设备等)。

存储器210可包括存储程序区和存储数据区。其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等；存储数据区可存储根据终端200的使用所创建的数据(比如音频数据、备份文件等)等。此外，存储器210可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器(例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件)。

优选地，终端200还包括输入单元230与显示单元240。其中，输入单元230用于接收用户输入的各项指令或参数(包括预设滚动方式、预设时间间隔与预设滚动次数)，包括鼠标、键盘、触控面板及其他输入设备。显示单元240用于显示终端200的各种输出信息(包括网页页面、参数配置界面等)，包括显示面板。

在此一并提供一种计算机可读存储介质，其存储有终端所执行的所述计算机程序。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和结构图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。

也应当注意，在作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。

也要注意的是，结构图和/或流程图中的每个方框、以及结构图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块或单元可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或更多个模块集成形成一个独立的部分。

所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是智能手机、个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。