专利名称：提高仿生机械恐龙爬行稳定性的步态规划方法
技术领域：
本发明涉及四足机器人，具体涉及提高仿生机械恐龙爬行稳定性的步态规划方法。
背景技术：
机器人技术是近几十年来迅速发展起来的一门高新技术，它综合了机械、微电子与计算机、自动控制、传感器与信息处理以及人工智能等多学科的最新研究成果，是机电一体化技术的典型载体。大型四足仿生机械恐龙是四足步行机器人的一种重要应用，广泛应用于娱乐、影视等领域。
众所周知，行走的稳定性是四足步行机器人的关键技术，控制四足步行机器人行走稳定性的基础是步态规划。为此，众多的研究机构都对四足步行机器人的步态规划展开了研究，然而，这些研究课题的研究对象都是小型四足步行机器人，在进行步态规划时，主要考虑的是腿部各关节变化对整体稳定性的影响。因此，这些步态规划应用到大型四足仿生机械恐龙时具有一定的局限性。主要原因在于(I)大型四足仿生机械恐龙尺寸大、质量重，且质量分布较为离散；(2)大型四足仿生机械恐龙的腿部和首、尾质量相对较大，而现有针对小型四足机器人的步态规划中并没有考虑首、尾质量的影响。有鉴于此，对于大型四足仿生机械恐龙而言，必须结合其腿部和首尾的运动对重心的影响对爬行步态进行重新规划设计，以提高大型四足仿生机械恐龙的行走稳定性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是解决如何提高大型四足仿生机械恐龙的行走稳定性的问题。为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种提高仿生机械恐龙爬行稳定性的步态规划方法，一个爬行周期的步态规划如下(I)下蹲，四腿弯曲形成所述特定的腿部初始姿态；(2)身体右倾，并向右摆尾，使整体重心右移至左后腿、右前腿、右后腿立足点所构成的三角形区域内；(3)迈左前腿，使整体重心前移并维持在左前腿、右前腿、右后腿立足点所构成的三角形区域内；(4)迈左后腿，使整体重心前移至左前腿、左后腿、右前腿、右后腿立足点所构成的四边形区域内；(5)身体左倾，并向左摆尾，使整体重心左移至左前腿、左后腿、右前腿立足点所构成的三角形区域内；(6)迈右后腿，使整体重心前移至左前腿、左后腿、右后腿立足点所构成的三角形区域内；
(7)迈右前腿，使整体重心前移至左前腿、左后腿、右前腿、右后腿立足点所构成的四边形区域内；(8)身体右倾，使整体重心恢复至左前腿、左后腿、右前腿、右后腿立足点所构成的四边形区域的几何中心位置。在上述方法中，前进爬行步态的腿部初始姿态为仿生机械恐龙的四条腿同时下蹲，膝关节均前屈相同的角度，且θτ = -38°，0S = 55° ;θ τ :大腿与竖直方向的夹角；Θ s :小腿与大腿延长线之间的夹角。在上述方法中，在前进爬行步态中，任一条腿的足底运动轨迹满足以下条件
X = -LTsin ( Θ T)-Lssin( θ τ+ Θ s)；y = -LtCos ( Θ t) _Lscos ( θ t+ Θ s)；式中Lt :大腿长度；Ls :小腿长度；θ τ :大腿与竖直方向的夹角；Θ s :小腿与大腿延长线之间的夹角。在上述方法中，任一条腿的迈腿过程中，大腿关节的转动角度θ τ满足以下条件t=0. 00 O. 15 秒时，Θ T = -I. 39t2-0.17 ；t=0. 15 I. 17 秒时，θ τ = -O. 42t_0. 14 ；t=l. 17 I. 32 秒时，θ τ = I. 39t2_3. 67t+l. 75 ；t=l. 32 I. 47 秒时，θ τ = —O. 66 ；t=l. 47 I. 98 秒时，θ τ = -O. 66 ;t=l. 98 2. 13 秒时，Θ T = I. 39t2_5. 53t+4. 83 ；t=2. 13 3· 15 秒时，θ τ = O. 42t_l. 52 ；t=3. 15 3. 30 秒时，θ τ = -I. 39t2+9. 21t_15. 37 ；小腿关节的转动角度Θ s满足以下条件t=0. 00 O. 15 秒时，Θ s = I. 74t2 ；t=0. 15 I. 17 秒时，Θ s = O. 52t + O. 31 ；t=l. 17 I. 32 秒时，Θ s = — I. 74t2 + 4. 59t — 2. 06 ;t=l. 32 I. 47 秒时，Θ s = — I. 74t2 + 4. 59t — 2. 06 ;t=l. 47 I. 98 秒时，Θ s = 0. 52t + I. 69 ；t=l. 98 2· 13 秒时，Θ s = O. 52t + I. 69 ；t=2. 13 3. 15 秒时，Θ s = 0. 52t + I. 69 ；t=3. 15 3· 30 秒时，Θ s = I. 74t2 — 11. 51t + 18. 99 ；θ τ、Θ s的单位为弧度。在上述方法中，在一个前进爬行步态周期内髋关节的转动角度ΘΗ满足以下条件t=0. 97 I. 67 秒时，θ H = — O. 17t2 + O. 34t — O. 16 ;
t=l. 67 2· 38 秒时，θ Η = O. 17t2 — O. 83t + O. 81 ；t=8. 98 9· 98 秒时，θ Η = O. 17t2 — 3. 13t + 13. 89 ；t=9. 98 10. 98 秒时，θ H = — O. 17t2 + 3. 93t — 20. 86 ；t=17. 58 18. 58 秒时，θ H = — 0. 52t + I. 69 ;t=18. 58 19. 58 秒时，θ H = -0. 52t + I. 69 ；θ η的单位为弧度。本发明，充分考虑了大型四足仿生机械恐龙尺寸大、质量重且分布较为离散，加之腿部和首、尾质量相对较大的因素，选择特定的腿部初始姿态，并在爬行的过程中通过侧倾以及左右摇头、左右摆尾调整整体重心，使整体重心的垂直投影落在由立足点所构成的多边形区域内，为提高了大型四足仿生机械恐龙的行走稳定性提供了基础。
图I为四足机器人的第一种典型初始姿态示意图；图2为四足机器人的第二种典型初始姿态示意图；图3 图10为本发明中一个爬行周期的步态规划示意图(图中同时示出了整体重心的变化过程);图11为迈步动作的时序图；图12为腿部足底运动分析示意图；图13为足底迹细化示意图。
具体实施例方式本发明提供的提高仿生机械恐龙爬行稳定性的步态规划方法，充分考虑了大型四足仿生机械恐龙尺寸大、质量重且分布较为离散，加之腿部和首、尾质量相对较大的因素，为提高了大型四足仿生机械恐龙的行走稳定性提供了基础。下面结合附图和一个具体实施例对本发明作出详细的说明。所述的具体实施例中，大型四足仿生机械恐龙的长度为3. 5米左右、高度为2米左右、宽度为I. 5米左右，总重量约为400kg，具有17个关节的自由度，分别是头部嘴巴M、水平颈部BZ、垂直颈部BS、左前大腿QZD、左前小腿QZX、左前髋部QZK、左后大腿HZD、左后小腿HZX、左后髋部HZK、右前大腿QYD、右前小腿QYX、右前髋部QYK、右后大腿HYD、右后小腿HYX、右后髋部HYK、水平尾部WZ和垂直尾部WS。对于仿生机械恐龙的前进爬行步态规划如下( I)选择特定的腿部初始姿态。为了实现行走功能，四足大型仿生机械恐龙的腿部初始姿态必须是弯曲状，或是侧斜状态，如图I、图2所示的两种典型初始姿态，这样才能在不影响身体的俯仰和侧向摆动的前提下，通过调整腿部关节角度，使足底由一个位置移动到另一位置，进而完成行走功能。本发明中，鉴于四足大型仿生机械恐龙的尾部质量较轻，至使总体重心偏向前部，因此，图2所示的初始姿态必使重心进一步前移，不利于其稳定，从而选择的初始步态如图I所示，在图I所示的这种特定初始姿态下，仿生机械恐龙四条腿首先下蹲，膝关节均前屈相同的角度，θτ = _38°，0S = 55°，θτ为大腿与竖直方向夹角，03为小腿与大腿延长线之间的夹角。本发明中，前进步态规划分为主动作规划和辅助动作规划两个部分，主动作规划的目的是实现向前行走，4条腿按照一定的顺序抬起和落下，例如从左到右分别是迈左前腿(LFLeg)—迈左后腿(LRLeg)—迈右后腿(RRLeg)—迈右前腿(RFLeg)，形成一个爬行周期。在爬行过程中，身体相对地面始终作向前的运动，重心始终朝着前进的方向移动，4条腿轮流抬跨，相对身体也作向前运动，不断改变腿部落地的位置。辅助动作规划的目的是为了保证行走的稳定性，在行走的过程中，通过侧倾或摇头、摆尾等辅助动作调整四足大型仿生机械恐龙的重心，使其垂直投影落在由立足点所构成的多边形区域内。遵从上述原则，在迈左侧的腿时，身体向右倾斜，同时尾部也向右侧摆动；反之，迈右侧的腿时，身体向左倾斜，尾部也向左侧摆动。
因此，本发明提出的一个前进爬行周期的步态规划如下(I)下蹲，四腿弯曲形成初始姿态，如图3所示；(2)身体右倾，并向右摆尾，重心右移至左后腿、右前腿、右后腿立足点所构成的三角形区域内，如图4所示；(3)迈左前腿，重心前移并维持在左前腿、右前腿、右后腿立足点所构成的三角形区域内，如图5所示；(4)迈左后腿，重心前移至左前腿、左后腿、右前腿、右后腿立足点所构成的四边形区域内，如图6所示；(5)身体左倾，并向左摆尾，重心左移至左前腿、左后腿、右前腿、立足点所构成的三角形区域内，如图7所示；(6)迈右后腿，重心前移至左前腿、左后腿、右后腿立足点所构成的三角形区域内，如图8所示；(7)迈右前腿，重心前移至左前腿、左后腿、右前腿、右后腿立足点所构成的四边形区域内，如图9所示；(8)身体右倾，重心恢复至左前腿、左后腿、右前腿、右后腿立足点所构成的四边形区域的几何中心位置，如图10所示。图3-10中同时示出了重心的变化过程，图11示出了迈步动作的时序图。另外，四足大型仿生机械恐龙行走的过程中，如果抬腿过高，会消耗过多的能量，太低又会与地面凸凹处产生干涉和碰撞，因此，需要合理地规划足底的运行轨迹。较好的足端点轨迹应具有良好的起落特性、速度和加速度特性。人们多采用初等函数来描述机器人的末端轨迹，如一次函数、正弦函数等等。本发明则通过分时段控制不同运动速度及位移实现跨步运作。如图12所示，迈腿前后足底的运动轨迹由AB、BC和⑶三段曲线构成，AB端为抬腿运动段。大腿关节和小腿关节同时运动，BC段为迈步阶段，主要运动效果是产生前进方向上的位移，⑶段为落腿阶段，使腿部回落到地面。为防止足底与地面的干涉，足底端点运动方程须满足以下条件X =-LTsin ( Θ T)-LSsin ( θ τ+Θ s)；公式(I)y = -LTcos ( Θ T)-LsCos ( θ τ+Θ s)。公式(2)
式中X :任意单腿足底端点在一个步态周期内水平方向位移；y :任意单腿足底端点在一个步态周期内竖直方向位移；
Lt :大腿长度；Ls :小腿长度；θ τ :大腿与竖直方向夹角；Θ s :小腿与大腿延长线之间的夹角。考虑到四足大型仿生机械恐龙迈腿运作的协调性，本实施例中，设置迈步高度为IOcm,即y=10cm,公式(I)和(2)中选择θ τ = -38° ; Θ s = 55°作为抬腿运动参数,贝丨J大腿关节的转动角度θ τ满足以下条件t=0. 00 O. 15 秒时，Θ T = -I. 39t2-0.17 ；t=0. 15 I. 17 秒时，θ τ = -O. 42t_0. 14 ；t=l. 17 I. 32 秒时，θ τ = I. 39t2_3. 67t+l. 75 ；t=l. 32 I. 47 秒时，θ τ = —O. 66 ；t=l. 47 I. 98 秒时，θ τ = -O. 66 ;t=l. 98 2. 13 秒时，Θ T = I. 39t2_5. 53t+4. 83 ；t=2. 13 3· 15 秒时，θ τ = O. 42t_l. 52 ；t=3. 15 3· 30 秒时，θ τ = -I. 39t2+9. 21t_15. 37 ；小腿关节的转动角度Θ s满足以下条件t=0. 00 O. 15 秒时，Θ s = I. 74t2 ；t=0. 15 I. 17 秒时，Θ s = O. 52t + O. 31 ；t=l. 17 I. 32 秒时，Θ s = — I. 74t2 + 4. 59t — 2. 06 ;t=l. 32 I. 47 秒时，Θ s = — I. 74t2 + 4. 59t - 2. 06 ；t=l. 47 I. 98 秒时，Θ s = 0. 52t + I. 69 ；t=l. 98 2· 13 秒时，Θ s = O. 52t + I. 69 ；t=2. 13 3. 15 秒时，Θ s = 0. 52t + I. 69 ；t=3. 15 3· 30 秒时，Θ s = I. 74t2 — 11. 51t + 18. 99 ；9卩03的单位为弧度。根据以上条件，可得到精确的足底轨迹运动曲线，如图13所示足底的运动曲线由C1、C2、…C8共8段组成。另外，在一个前进爬行步态周期内髋关节的转动角度ΘΗ满足以下条件t=0. 97 I. 67 秒时，θ H = -O. 17t2 + O. 34t_0. 16 ；t=l. 67 2. 38 秒时，θ H = O. 17t2 — 0. 83t + 0. 81 ；t=8. 98 9. 98 秒时，θ H = 0. 17t2 — 3. 13t + 13. 89 ；t=9. 98 10. 98 秒时，θ H = — 0. 17t2 + 3. 93t — 20. 86 ；t=17. 58 18. 58 秒时，θ H = — 0. 52t + I. 69 ;t=18. 58 19. 58 秒时，θ H = — 0. 52t + I. 69 ;θ η的单位为弧度。本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范 围之内。
权利要求
1.提高仿生机械恐龙爬行稳定性的步态规划方法，其特征在于，一个前进爬行步态周期的步态规划如下 (1)下蹲，四腿弯曲形成所述特定的腿部初始姿态； (2)身体右倾，并向右摆尾，使整体重心右移至左后腿、右前腿、右后腿立足点所构成的三角形区域内； (3)迈左前腿，使整体重心前移并维持在左前腿、右前腿、右后腿立足点所构成的三角形区域内； (4)迈左后腿，使整体重心前移至左前腿、左后腿、右前腿、右后腿立足点所构成的四边形区域内； (5 )身体左倾，并向左摆尾，使整体重心左移至左前腿、左后腿、右前腿立足点所构成的三角形区域内； (6)迈右后腿，使整体重心前移至左前腿、左后腿、右后腿立足点所构成的三角形区域内； (7)迈右前腿，使整体重心前移至左前腿、左后腿、右后腿、右前腿立足点所构成的四边形区域内； (8)身体右倾，使整体重心恢复至左前腿、左后腿、右前腿、右后腿立足点所构成的四边形区域的几何中心位置。
2.如权利要求I所述的提高仿生机械恐龙爬行稳定性的步态规划方法，其特征在于 前进爬行步态的腿部初始姿态为仿生机械恐龙的四条腿同时下蹲，膝关节均前屈相问的角度，且θτ = -38 , Θ s = 55 ；θ τ :大腿与竖直方向的夹角； Θ s :小腿与大腿延长线之间的夹角。
3.如权利要求I所述的提高仿生机械恐龙爬行稳定性的步态规划方法，其特征在于在前进爬行步态中，任一条腿的足底运动轨迹满足以下条件 X = -LTsin ( Θ T) -Lssin ( θ τ+ Θ s)； y = —LtCOS ( θ t) —LsCOS ( Θ t+ Θ s)； 式中 Lt :大腿长度； Ls :小腿长度； θ τ :大腿与竖直方向的夹角； Θ S :小腿与大腿延长线之间的夹角。
4.如权利要求I所述的提高仿生机械恐龙爬行稳定性的步态规划方法，其特征在于，任一条腿的迈腿过程中， 大腿关节的转动角度θτ满足以下条件 t=0. 00 O. 15 秒时，Θ T = -I. 39t2-0·17 ； t=0. 15 I. 17 秒时，θ τ = -O. 42t-0. 14 ； t=l. 17 I. 32 秒时，θ τ = I. 39t2-3. 67t+l. 75 ； t=l. 32 I. 47 秒时，θ τ = —O. 66 ； t=l. 47 I. 98 秒时，θ τ = -O. 66 ;t=l. 98 2· 13 秒时，θ τ = I. 39t2-5. 53t+4. 83 ；t=2. 13 3. 15 秒时，θ τ = O. 42t-l. 52 ；t=3. 15 3. 30 秒时，θ τ = -I. 39t2+9. 21t_15. 37 ； 小腿关节的转动角度9S满足以下条件 t=0. 00 O. 15 秒时，Θ s = I. 74t2 ； t=0. 15 I. 17 秒时，Θ s = O. 52t + O. 31 ； t=l. 17 I. 32 秒时，Θ s = — I. 74t2 + 4. 59t - 2. 06 ； t=l. 32 I. 47 秒时，Θ s = — I. 74t2 + 4. 59t - 2. 06 ； t=l. 47 I. 98 秒时，Θ s = 0. 52t + I. 69 ； t=l. 98 2· 13 秒时，Θ s = O. 52t + I. 69 ； t=2. 13 3. 15 秒时，Θ s = 0. 52t + I. 69 ； t=3. 15 3· 30 秒时，Θ s = I. 74t2 — 11. 51t + 18. 99 ； θχ> 9S的单位为弧度。
5.如权利要求I所述的提高仿生机械恐龙爬行稳定性的步态规划方法，其特征在于， 在一个前进爬行步态周期内髋关节的转动角度θ H满足以下条件 t=0. 97 I. 67 秒时，θ H = — O. 17t2 + O. 34t - O. 16 ； t=l. 67 2· 38 秒时，θ Η = O. 17t2 — 0. 83t + 0. 81 ； t=8. 98 9. 98 秒时，θ H = 0. 17t2 — 3. 13t + 13. 89 ； t=9. 98 10. 98 秒时，θ η = — 0. 17t2 + 3. 93t — 20. 86 ； t=17. 58 18. 58 秒时，θ H = — O. 52t + I. 69 ; t=18. 58 19. 58 秒时，θ H = — 0. 52t + I. 69 ; ΘΗ的单位为弧度。
全文摘要
本发明公开了一种提高仿生机械恐龙爬行稳定性的步态规划方法，一个前进爬行步态周期的步态规划如下下蹲；身体右倾并向右摆尾；迈左前腿；迈左后腿；身体左倾并向左摆尾；迈右后腿；迈右前腿；身体右倾；其中，整体重心位于相应的立足点所构成的四边形区域内。本发明，充分考虑了大型四足仿生机械恐龙尺寸大、质量重且分布较为离散，加之腿部和首、尾质量相对较大的因素，重新规划了爬行步态，为提高了大型四足仿生机械恐龙的行走稳定性提供了基础。
文档编号G05D3/12GK102830717SQ201210301779
公开日2012年12月19日 申请日期2012年8月22日 优先权日2012年8月22日
发明者韩晓建, 周春, 孙宇, 方书明 申请人:中科宇博(北京)文化有限公司