一种规划四足机器人足端摆动轨迹的方法与流程

本发明涉及机器人运动规划领域，具体涉及一种规划四足机器人足端摆动轨迹的方法。

背景技术：

目前地面机器人的行走方式主要分为轮式、履带式和足式.轮履式机器人的研究已经相对成熟，但其在复杂崎岖地形上的通过能力较差，足式机器人采用仿生原理，模拟自然界的足式动物，在狭小崎岖地形具有良好的通过性，有效弥补了轮履式机器人的不足。在足式机器人中，四足机器人比双足机器人简单、比多足机器人行走效率高，因此具有较高的研究价值。足端摆动轨迹对四足机器人在崎岖地形上的通过性有很大的影响。

合理的足端轨迹有助于减少四足机器人足端触地时的冲击，而且，足端轨迹对四足机器人的动力学特性有着重要影响。目前的轨迹设计方法有直上直下的矩形轨迹、正弦曲线轨迹和多项式推导等，其设计思路主要实现了足端向前运动的有效跨度，但在避障和越障能力方面有失考虑。例如由袁立鹏、张志宇和欧阳荣竖共同发表的“四足机器人基于功率最优原则的足端轨迹规划”，内容包括：“本文根据零冲击原则，规划了三条四足机器人的足端轨迹，对各条足端轨迹进行虚拟样机仿真分析，根据功率最优原则，针对不同的步态选择相应最优的足端轨迹，为类似问题的实现开辟了新思路和新途径”；公开文本中采用多项式推导的原则对四足机器人足端运动进行计算，其中运用多个限制条件，无形中增加了计算量。

为此，寻找一种规划四足机器人足端摆动轨迹的方法，提高四足机器人在复杂崎岖地形上的通过能力性，成为本领域技术人员迫切需要解决的问题。

技术实现要素：

为了解决现有技术中所存在的上述不足，本发明提供一种规划四足机器人足端摆动轨迹的方法，所述方法包括：

步骤1：确定足端的摆动跨度和摆动相的持续时间；

步骤2：设计足端摆动过程中的曲线端点状态参数；

步骤3：拟合足端摆动轨迹。

优选的，所述步骤1分别确定足端在三维方向上的摆动跨度，以及整个摆动相的持续时间。

优选的，所述步骤2的足端摆动过程包括：抬腿、迈腿和落腿阶段。

优选的，所述抬腿阶段足端在x，y，z三维方向上的运动曲线包括：足端在x方向沿着机身反向摆动，在y方向沿着机身向外摆动，在z方向向上摆动。

优选的，所述迈腿阶段足端在x，y，z三维方向上的运动曲线包括：足端在x方向沿着机身正向运动且跨度较大，在y方向继续沿着机身向外摆动，在z方向继续向上直至最高点。

优选的，所述落腿阶段足端在x，y，z三维方向上的运动曲线包括：足端在x方向和y方向继续保持原来的运动方向，在z方向上从最高点降到地面，使得足端缓慢向斜前方落地。

优选的，采用三次样条曲线拟合所述步骤3的足端摆动轨迹。

优选的，所述足端摆动轨迹的拟合包括：在确定起点、后退点、最高点和终点的坐标值、对应时刻，以及起点和终点的速度值之后，采用三次样条曲线，拟合得到具有避障和越障功能的足端摆动轨迹。

优选的，在四足机器人运动过程中，每个摆动相开始之前，足端在三个方向的跨度、以及起点、后退点、最高点和终点的参数信息，可根据四足机器人的运动状态和地形信息而实时调整。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)将足端摆动过程分为抬腿、迈腿和落腿三个阶段，每个阶段的运动特性有所不同；

(2)足端在抬腿阶段具有向后向上的运动趋势，有效实现避障功能；

(3)足端在迈腿方向具有向前向上的运动趋势，可以很好的实现越障功能；

(4)足端摆动轨迹参数可以实时调整，能够灵活适应地形，提高了四足机器人在复杂崎岖地形上的通过能力。

附图说明

图1为本发明的足端摆动轨迹示意图；

图2为本发明的足端在x方向摆动轨迹曲线图；

图3为本发明的足端在y方向摆动轨迹曲线图；

图4为本发明的足端在z方向摆动轨迹曲线图；

图5为本发明的足端摆动轨迹的三维图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。

步骤1：确定足端的摆动跨度和摆动相的持续时间

确定了足端在x,y,z三维方向上的摆动跨度dx，dy，dz，以及整个摆动相的持续时间tsw。

步骤2：设计足端摆动过程中的曲线端点状态参数

如图1所示，将足端摆动过程分为抬腿、迈腿和落腿三个阶段，并对三个阶段的曲线端点状态参数进行设计，具体包括：

步骤21，将足端摆动过程分为抬腿、迈腿和落腿三个阶段。

步骤22：p1p2抬腿阶段，足端在x方向沿着机身反向摆动，在y方向沿着机身向外摆动，在z方向向上摆动，这使得足端抬腿空间形成一个凸球体，能够较大限度地躲避前方障碍。

步骤23：p2p3迈腿阶段，足端在x方向沿着机身正向运动且跨度较大，在y方向继续沿着机身向外摆动，在z方向继续向上直至最高点，这使得足端能够跨越的障碍物高度等于足端轨迹最高点。

步骤24：p3p4落腿阶段，足端在x方向和y方向继续保持原来的运动方向，在z方向上从最高点降到地面，使得足端缓慢向斜前方落地，避免了足地接触的非柔性撞击。

步骤25：根据步骤21，步骤22，步骤23，步骤24，足端运动轨迹的三个阶段由四个典型位置点p1，p2，p3，p4来划分，对这四个典型位置的对应时刻、坐标值、速度进行具体设计。以摆动开始时刻的足端位置为原点建立坐标系，各轴与世界坐标系同向，设计四个点的状态如下：

p1为起点，其对应时刻为0，坐标值为(0，0，0)，速度为(vx1，vy1，vz1)；

p2为后退点，其对应时刻为rt2﹒tsw，坐标值为(-rx2·dx，ry2·dy，rz2·dz)；

p3为最高点，其对应时刻为rt3﹒tsw，坐标值为(rx3·dx，-ry3·dy，dz)；

p4为终点，其对应时刻为tsw，坐标值为(dx，dy，0)，速度为(vx4，vy4，vz4)。

步骤3：拟合足端摆动轨迹

如图2，图3，图4和图5所示，步骤3采用三次样条曲线拟合足端摆动轨迹。

步骤31：在确定四个典型位置的坐标值、对应时刻，以及起点和终点的速度值之后，采用三次样条曲线，拟合得到具有避障和越障功能的足端摆动轨迹。其中，图2为拟合之后得到的x方向摆动轨迹曲线图，图3为y方向摆动轨迹曲线图，图4为z方向摆动轨迹曲线图，图5为足端摆动轨迹的三维图，图5与图1所示的示意图曲线轮廓基本一致，说明本发明所采用的三次样条曲线拟合结果能够满足具有避障和越障功能的足端摆动轨迹曲线的设计需要。

步骤32：在四足机器人运动过程中，每个摆动相开始之前，足端在三个方向的跨度、以及四个典型位置的参数信息，都可以根据四足机器人的运动状态和地形信息而实时调整，进一步提高避障越障能力，从而增强了四足机器人的地形适应能力。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。