一种防止足式机器人左右倾斜的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及机器人运动姿态调整方法，具体涉及一种防止足式机器人左右倾斜的 方法。
【背景技术】
[0002] 不规则和不平坦的复杂地形环境使轮式机器人和履带式机器人的应用受到限制， 原因在于轮式和履带式机器人的运动轨迹则是一条条连续的辙迹。崎岖地形中往往含有岩 石、泥土、沙子甚至峭壁和陡坡等障碍物，可以稳定支撑机器人的连续路径十分有限。相比 轮式或履带式机器人，足式机器人运动时只需要离散的点接触地面，对复杂地形的适应能 力更强。另外，足式机器人的腿部具有多个自由度，使运动的灵活性大大增强，它可以通过 调节支撑腿的长度和足部落点保持身体平衡，不易倾翻，稳定性更高。因此足式机器人具有 广阔的应用前景。
[0003] 目前，足式机器人运动控制主要基于离线规划足端运动轨迹，逆运动学求解关节 角的策略。如果没有加入主动姿态控制策略，则无法应对崎岖路面、突发干扰、侧向冲击等 造成机器人左右倾斜的情况。运动平衡控制算法使足式机器人相比轮式、履带式机器人具 有更好的环境适应性，是足式机器人核心的技术领域。
【发明内容】
[0004] 为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种防止足式机器人左右倾斜的方 法，利用姿态传感器对足端轨迹函数进行修正，即可增强足式机器人的左右稳定性，简单易 行、效果较为明显。所需传感器为角度传感器，该种传感器技术成熟，测量方便，信号滤波器 原理简单，技术成熟。角度信号经过低通滤波器处理后，能够很好地反映机器人身体左右倾 斜状况。
[0005] 为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：
[0006] 本发明提供一种防止足式机器人左右倾斜的方法，所述方法包括以下步骤：
[0007] 对所述足式机器人在世界坐标系下的左右倾斜角度进行采样，并进行处理；
[0008] 修正所述足式机器人步态轨迹，调整所述足式机器人在世界坐标系下的左右倾斜 角度。
[0009] 在世界坐标系下，所述足式机器人前进方向为X方向，其左侧方向为y方向，垂直 地面向上方向为z方向。
[0010] 所述足式机器人行走时，设某时刻其左右倾斜角度为Θ，其单位为弧度；足式机 器人向行走方向左侧倾斜时，Θ为负；其向行走方向右侧倾斜时，Θ为正；水平状态时，Θ 为Oo
[0011] 采用姿态传感器对所述足式机器人在世界坐标系下的左右倾斜角度进行采样，并 对足式机器人左右倾斜角度进行低通滤波处理后，传输给足式机器人的运动控制系统。
[0012] 所述姿态传感器为角度传感器。
[0013] 所述足式机器人的步态修正量Δ表示为：
[0014] Δ = k Θ
[0015] 其中，k为补偿系数，且k>0 ;
[0016] 对所述足式机器人进行步态修正后，有：
[0017] f (t) = h (t) + Δ
[0018] 其中，h (t)为所述足式机器人足端相对于髋关节在垂直方向上的步态位置轨迹函 数，f(t)为步态修正后所述足式机器人步态位置轨迹函数；对于右侧腿，Λ = -k Θ ;对于左 侧腿，△ =k0 ;通过求解逆运动学即可得到髋关节和膝关节的关节角度，进行关节位置闭 环控制。
[0019] 所述足式机器人每个足端相对于髋关节在世界坐标系下的步态位置轨迹函数定 义为：
【主权项】
1. 一种防止足式机器人左右倾斜的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤： 对所述足式机器人在世界坐标系下的左右倾斜角度进行采样，并进行处理； 修正所述足式机器人步态轨迹，调整所述足式机器人在世界坐标系下的左右倾斜角 度。
2. 根据权利要求1所述的防止足式机器人左右倾斜的方法，其特征在于：在世界坐标 系下，所述足式机器人前进方向为X方向，其左侧方向为y方向，垂直地面向上方向为z方 向。
3. 根据权利要求2所述的防止足式机器人左右倾斜的方法，其特征在于：所述足式机 器人行走时，设某时刻其左右倾斜角度为0，其单位为弧度；足式机器人向行走方向左侧 倾斜时，9为负；其向行走方向右侧倾斜时，9为正；水平状态时，9为〇。
4. 根据权利要求1所述的防止足式机器人左右倾斜的方法，其特征在于：采用姿态传 感器对所述足式机器人在世界坐标系下的左右倾斜角度进行采样，并对足式机器人左右倾 斜角度进行低通滤波处理后，传输给足式机器人的运动控制系统。
5. 根据权利要求4所述的防止足式机器人左右倾斜的方法，其特征在于：所述姿态传 感器为角度传感器。
6. 根据权利要求1所述的防止足式机器人左右倾斜的方法，其特征在于：所述足式机 器人的步态修正量A表示为： A=k0 其中，k为补偿系数，且k>0 ; 对所述足式机器人进行步态修正后，有： f(t) =h(t) +A 其中，h(t)为所述足式机器人足端相对于髋关节在垂直方向上的步态位置轨迹函数，f(t)为步态修正后所述足式机器人步态位置轨迹函数；对于右侧腿，A=-k0 ;对于左侧 腿，△ =k0 ;通过求解逆运动学即可得到髋关节和膝关节的关节角度，进行关节位置闭环 控制。
7. 根据权利要求6所述的防止足式机器人左右倾斜的方法，其特征在于：所述足式机 器人每个足端相对于髋关节在世界坐标系下的步态位置轨迹函数定义为：
其中，H为所述足式机器人抬腿高度；S为步幅；L为足式机器人站立时足端与髋关节的 垂直距离；t为步态轨迹的采样时间；T为一个完整步态运动周期，包括摆动相周期和支撑 项周期Jf为摆动相周期，且Tf= 0. 5T;n为整数，且n彡0;x(t)、y(t)和z(t)为分别为 足端相对于髋关节在世界坐标系下的步态位置轨迹函数； 对所述足式机器人的每个足端相对于髋关节在世界坐标系下的步态位置轨迹函数进 行修正，由于用于补偿足式机器人步行运动时的左右倾斜现象，所以在世界坐标系下足端 相对于髋关节在X、y方向上的步态位置轨迹函数不变，只修正世界坐标系下Z方向上足端 相对于髋关节的步态位置轨迹函数，有： z(t) ' =z(t) +A
8. 根据权利要求1所述的防止足式机器人左右倾斜的方法，其特征在于：所述足式机 器人在世界坐标系下的初始位置时，0为0。
9. 根据权利要求1所述的防止足式机器人左右倾斜的方法，其特征在于：所述补偿系 数k的取值范围为0〈k〈2. 5。
10. 根据权利要求1-9所述的防止足式机器人左右倾斜的方法，其特征在于：所述足式 机器人为四足机器人，所述四足机器人具有能够驱动其步行移动的四条腿部，所述腿部具 有至少两个自由度关节以完成运动要求；所述自由度关节包括髋关节和膝关节。
【专利摘要】本发明提供一种防止足式机器人左右倾斜的方法，所述方法包括以下步骤：对所述足式机器人在世界坐标系下的左右倾斜角度进行采样，并进行处理；修正所述足式机器人步态轨迹，调整所述足式机器人在世界坐标系下的左右倾斜角度。本发明利用姿态传感器对足端轨迹函数进行修正，即可增强足式机器人的左右稳定性，简单易行、效果较为明显。所需姿态传感器为角度传感器，该种传感器技术成熟，测量方便，信号滤波器原理简单，技术成熟。角度信号经过低通滤波器处理后，能够很好地反映机器人身体左右倾斜状况。
【IPC分类】B62D57-032, G01B21-22
【公开号】CN104709374
【申请号】CN201510079556
【发明人】许威, 苏波, 田源木, 姚其昌, 蒋云峰, 党睿娜, 许 鹏, 慕林栋
【申请人】中国北方车辆研究所
【公开日】2015年6月17日
【申请日】2015年2月13日