专利名称：一种仿人机器人步态规划及合成方法
技术领域：
本发明涉及仿人机器人运动规划领域，特别涉及仿人机器人步态规划及合成方法。
背景技术：
仿人机器人步态规划是指为了完成机器人的行走，对机器人行走过程中各个关节角运动的时序和相位特性进行确定，要使机器人能够完成一些简单的作业任务，如上肢的目标抓取和移动、简单地与人协作作业，机器人必须能够稳定的行走。目前仿人机器人步态规划的方法主要有离线规划、在线规划及离线规划加在线修正三种方法。然而无论是哪种规划方法，得到的步态必须具有稳定性和周期性。在本发明以前的现有技术中，仿人机器人步行时的一个完整步态周期一般包括一个单脚支撑期和一个双脚支撑期，其中双脚支撑期只占其中的20%。但是，对于机器人的稳定行走而言，双脚支撑期起着很重要的作用，必须要考虑双脚支撑期的步态。在对现有技术分析后，发明人发现:在机器人步行时，虽然机器人双脚支撑期所占的时间很短，但对于整个步态周期的稳定性有很大的影响。如果按照现有的技术，只是对机器人步行的一个完整步行周期的步态进行规划，那么机器人在单脚支撑期结束前的时刻，脚和地面发生碰撞，并有可能导致机器人步行失稳，影响机器人步行的稳定性。
发明内容
针对上述现有技术状况，本发明实施例提供了一种可以得到仿人机器人稳定步态的步态规划及合成方法。现将本发明技术解决方案叙述如下:仿人机器人步态规划及合成方法，包括以下步骤:步骤1:采用多项式函数来表示机器人髋关节和摆动腿末端的轨迹；所述的多项式函数是指:
权利要求
1.一种仿人机器人步态规划及合成方法，其特征在于:包括以下步骤: 步骤1:采用多项式函数来表示机器人髋关节和摆动腿末端的轨迹； 步骤2:根据仿人机器人步行时的约束条件，求出轨迹多项式函数的系数，由此得到机器人步行时单、双脚支撑期的轨迹； 步骤3:将得到的机器人步行时单、双脚支撑期的轨迹进行合成，最后得到机器人步行时的完整步态轨迹； 步骤4:根据零点力矩判据来判断得到的步态轨迹是否稳定；所述零点力矩判据为:机器人脚和地面接触面上的一点，地面的反作用力在此点的等效力矩水平分量为零；
2.根据权利要求1所述的一种仿人机器人步态规划及合成方法，其特征在于:步骤I中所述的多项式函数是指:
3.根据权利要求1所述的一种仿人机器人步态规划及合成方法，其特征在于:步骤2中所述的仿人机器人步行时的约束条件是指:几何约束、摆动腿末端的最大跨高约束、步态的周期性约束、减小碰撞影响约束、髋关节的运动对于机器人系统的步行稳定性约束。
4.根据权利要求3所述的一种仿人机器人步态规划及合成方法，其特征在于:所述的几何约束的具体确定方法为:机器人的摆动腿在起步时离开地面，止步时接触地面，根据坐标系定义得: Za(O) = O(6) Za(Ts) = O(7)
5.根据权利要求3所述的一种仿人机器人步态规划及合成方法，其特征在于:所述的摆动腿末端的最大跨高的约束通过下面的方程确定:
6.根据权利要求3所述的一种仿人机器人步态规划及合成方法，其特征在于:所述步态的周期性的约束必须保证在每一步开始和结束时的姿态和速度是相同的。并且，在双脚支撑期，两条腿的末端都和地面接触，而且是静止的，故在单脚支撑期开始时的速度为零，因此有:
7.根据权利要求3所述的一种仿人机器人步态规划及合成方法，其特征在于:所述的减小碰撞影响的约束通过使摆动腿末端在和地面碰撞前的速度保持为零，以消除由碰撞带来的关节角速度的突变，由此得:(15)
8.根据权利要求3所述的一种仿人机器人步态规划及合成方法，其特征在于:所述的髋关节的运动对于机器人系统的步行稳定性约束记为:
9.根据权利要求8所述的一种仿人机器人步态规划及合成方法，其特征在于:所述的髋关节的运动对于机器人系统的步行稳定性约束需要得到髋关节的轨迹并确定式(17)和式(18)中的系数；髋关节的轨迹的约束关系包括:Z方向的髋关节运动、步态的周期性、步态的连续性。
10.根据权利要求8所述的一种仿人机器人步态规划及合成方法，其特征在于:所述的步态的周期性有如下的约束关系: Xhs(O) = -Ss0(23)
全文摘要
本发明公开了一种仿人机器人步态规划及合成方法，属于仿人机器人运动规划技术领域。所述方法包括采用多项式函数来表示机器人髋关节和摆动腿末端的轨迹，根据仿人机器人步行时的几何约束、摆动腿末端的最大跨高、步态的周期性、碰撞影响、髋关节运动等约束条件，分别对机器人步行时的单脚支撑期和双脚支撑期的步态进行规划，然后再对规划出的步态进行合成并根据零点力矩判据来判断得到的步态轨迹是否稳定。本发明通过对机器人的单、双脚支撑期的步态进行规划并合成为完整步态，解决了机器人步行时腿和地面碰撞对步行稳定性的影响的问题，提高了机器人步行的稳定性。同时也说明机器人在双脚支撑期的步态对一个完整的步态周期具有重要的作用。
文档编号G05D1/02GK103197671SQ201210000398
公开日2013年7月10日 申请日期2012年1月4日 优先权日2012年1月4日
发明者张国良, 敬斌, 李正文, 孙一杰, 田琦, 曾静, 陈磊 申请人:中国人民解放军第二炮兵工程学院