一种仿人机器人步行模式的在线生成方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于机器人领域，尤其涉及一种仿人机器人步行模式的在线生成方法。
【背景技术】
[0002] 机器人是随着现代科技的发展而出现的综合学科，而仿人机器人是机器人研宄中 的重要分支，其涉及到机器人制造中的各个领域，如自主行为控制、人工智能、动态管理、机 械设计等，因此仿人机器人在一定程度上代表着机器人研宄的最高水平。稳定步行是仿人 机器人研宄的关键问题之一。
[0003] 仿人机器人要应用在各个领域，关键且首要问题是稳定行走。针对这一问题，已有 不少学者做了研宄，其中，1972年由Vukobratovic和Stepanenko在一篇关于仿人机器人控 制的论文开头提出的零力矩点（ZMP,zero-momentpoint)在如今仿人机器人步态控制和规 划领域都得到了广泛的应用。而仿人机器人在行走中，很容易碰到上下坡的情况，要保证其 稳定性，就要求在控制规划中考虑到这一情况，只有这样，才能使机器人具有更高的环境适 应性。
[0004] 中国专利号CN101323325发明了一种以被动行走为基础，通过在支撑腿前摆过程 中伸直支撑腿膝关节逐步提高机器人的重心，补入重力势能的方法。该方法提高了机器人 的行走速度，但由于运用的是开环控制，因此在稳定性方面有所欠缺。
[0005] 中国专利号CN101847009A发明了一种系统化的步态能效优化方法，解决了高能 耗产生的机器人实用化障碍，并有效的降低了机器人能耗并保证了其稳定性。此方法较为 复杂，且没有考虑机器人在行走过程中地面未必平整等问题。
[0006] 此外，在机器人行动时可能存在水平-斜面的过渡（包括如下四种情况：先水平步 行而后上坡、先水平步行而后下坡、先上坡而后水平步行、先下坡而后水平步行），利用上世 纪提出的桌子-小车模型和ZMP方法，在预观控制的框架下可以在线生成仿人机器人在水 平地面上的步行模式。
[0007] 中国专利号ZL201110193236. 8发明了一种斜面上的桌子-小车模型，并基于预 观控制提出了仿人机器人在斜坡上的步行模式的在线生成方法，其方法既可用于机器人上 坡，也可用于机器人下坡，在该专利中，机器人在初始时刻是在斜面上的，而且在整个运动 过程中机器人都在同一斜坡上步行。
【发明内容】
[0008] 针对现有技术的不足，本发明提供了一种仿人机器人步行模式的在线生成方法。
[0009] 一种仿人机器人步行模式的在线生成方法，仿人机器人的步行过程包括第一阶段 和第二阶段，其中一阶段沿水平的轨迹平面运动，另一阶段沿倾斜的轨迹平面运动，所述在 线生成方法包括：
[0010] (1)在第一阶段和第二阶段的转折处增设一个过渡ZMP点，为过渡ZMP点分配停留 时长，并得到ZMP点随时间变化的曲线；
[0011] (2)按照预设的采样周期对所述的ZMP点随时间变化的曲线进行离散化处理，得 到离散ZMP序列；
[0012] (3)将离散ZMP序列在第一阶段的轨迹平面上进行分解，以在过渡ZMP点停留时长 的中点时刻对应的位置作为第一阶段步行的终点，基于相应的桌子-小车模型和预观控制 在线生成仿人机器人在第一阶段的步行模式；
[0013] (4)将离散ZMP序列在第二阶段的轨迹平面上进行分解，基于相应的桌子-小车模 型和预观控制在线生成仿人机器人在第二阶段的步行模式。
[0014] 步骤⑶中进行预观控制时，当用作预观的离散点在第二阶段时，以在过渡ZMP点 停留时长的中点时刻对应的位置作为第一阶段步行的终点，避免因第一阶段和第二阶段对 应的轨迹平面不同而出现的预观控制不准的问题，从而提高了形成的步行模式的准确性。
[0015] 所述步骤（1)中通过如下方法增设过渡ZMP点：
[0016] 过第一阶段内的最后一个ZMP点和第二阶段内的第一个ZMP点作水平的轨迹平面 的垂直面，第一阶段与第二阶段轨迹平面的交线与所述垂直面交点即为过渡ZMP点。
[0017] 所述步骤（1)中过渡ZMP点上分配的停留时长大于仿人机器人在其它各个ZMP点 处双足支撑的时长。
[0018] 仿人机器人每个落足位置的触地时长都由1个单足支撑时长和2个双足支撑时长 构成，单足支撑时长均取为Ts，在水平面上或斜坡上的双足支撑时长均取为Td。
[0019] 为避免在平斜转折时仿人机器人运动切换造成不稳定，所述步骤（1)中为过渡 ZMP点上分配的停留时长大于仿人机器人在其它（除过渡ZMP点外的ZMP点）各个ZMP点 处双足支撑的时长。
[0020] 作为优选，所述步骤（1)中过渡ZMP点上分配的停留时长为仿人机器人在其它各 个ZMP点处双足支撑的时长的1. 5?4倍。进一步优选，所述步骤（1)中过渡ZMP点上分 配的停留时长为仿人机器人在其它各个ZMP点处双足支撑的时长的3倍。
[0021] 本发明采样周期t<<min(Ts，Td)，基于采样周期t将ZMP点随时间变化的曲 线散化，得到离散ZMP点序列p(k)，k为整数。
[0022] 由于对ZMP点随时间变化的曲线进行离散化处理时过渡ZMP点的停留时长的中间 时刻是第一阶段和第二阶段步行模式的转折点，作为优选，所述步骤（2)中对ZMP点随时间 变化的曲线进行离散化处理时过渡ZMP点的停留时长的中间时刻ta离散化后的离散值为：
[0023]
【主权项】
1. 一种仿人机器人步行模式的在线生成方法，仿人机器人的步行过程包括第一阶段和 第二阶段，其中一阶段沿水平的轨迹平面运动，另一阶段沿倾斜的轨迹平面运动，其特征在 于，所述在线生成方法包括： (1) 在第一阶段和第二阶段的转折处增设一个过渡ZMP点，为过渡ZMP点分配停留时 长，并得到ZMP点随时间变化的曲线； (2) 按照预设的采样周期对所述的ZMP点随时间变化的曲线进行离散化处理，得到离 散ZMP序列； (3) 将离散ZMP序列在第一阶段的轨迹平面上进行分解，以在过渡ZMP点停留时长的中 点时刻对应的位置作为第一阶段步行的终点，基于相应的桌子-小车模型和预观控制在线 生成仿人机器人在第一阶段的步行模式； (4) 将离散ZMP序列在第二阶段的轨迹平面上进行分解，基于相应的桌子-小车模型和 预观控制在线生成仿人机器人在第二阶段的步行模式。
2. 如权利要求1所述的仿人机器人步行模式的在线生成方法，其特征在于，所述步骤 (1)中通过如下方法增设过渡ZMP点： 过第一阶段内的最后一个ZMP点和第二阶段内的第一个ZMP点作水平的轨迹平面的垂 直面，第一阶段与第二阶段轨迹平面的交线与所述垂直面交点即为过渡ZMP点。
3. 如权利要求1所述的仿人机器人步行模式的在线生成方法，其特征在于，所述步骤 (1)中过渡ZMP点上分配的停留时长大于仿人机器人在其它各个ZMP点处双足支撑的时长。
4. 如权利要求3所述的仿人机器人步行模式的在线生成方法，其特征在于，所述步骤 (1)中过渡ZMP点上分配的停留时长为仿人机器人在其它各个ZMP点处双足支撑的时长的 1. 5?4倍。
5. 如权利要求4所述的仿人机器人步行模式的在线生成方法，其特征在于，所述步骤 (1) 中过渡ZMP点上分配的停留时长为仿人机器人在其它各个ZMP点处双足支撑的时长的 3倍。
6. 如权利要求1所述的仿人机器人步行模式的在线生成方法，其特征在于，所述步骤 (2) 中对ZMP点随时间变化的曲线进行离散化处理时过渡ZMP点的停留时长的中间时刻ta 离散化后的离散值为：
7. 如权利要求1所述的仿人机器人步行模式的在线生成方法，其特征在于，所述步骤 (3) 和（4)中将离散ZMP序列在相应的轨迹平面上进行分解时首先设定分解坐标系，所述分 解坐标系中其中一个坐标轴平行于第一阶段和第二轨迹平面的交线。
【专利摘要】本发明公开了一种仿人机器人步行模式的在线生成方法，仿人机器人的步行过程包括第一阶段和第二阶段，其中一阶段沿水平的轨迹平面运动，另一阶段沿倾斜的轨迹平面运动，所述在线生成方法包括：在第一阶段和第二阶段的转折处增设一个过渡ZMP点并为过渡ZMP点分配停留时长，得到ZMP点随时间变化的曲线，离散化处理后得到离散ZMP序列；分别将离散ZMP序列在第一阶段和第二阶段的轨迹平面上进行分解，基于相应的桌子-小车模型和预观控制在线生成仿人机器人在第一阶段的步行模式和第二阶段的步行模式。本发明的仿人机器人步行模式的在线生成方法适用范围广，实现简单，且增设过渡ZMP点，大大提高了生产的步行模式的精度，以保证仿人机器人稳定步行。
【IPC分类】G05B13-04, G05D1-02
【公开号】CN104570732
【申请号】CN201410775484
【发明人】吴俊 , 朱秋国, 熊蓉
【申请人】浙江大学
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2014年12月15日