一种多足机器人保持直线平动的步态规划方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种多足机器人保持直线平动的步态规划方法。
【背景技术】
[0002] 目前，机器人的行走步态决定了机器人的性能、稳定性、工作范围等。如果机器人 步态规划不当，则会无法实现预期的功能。目前，多足机器人在步态规划上有许多种方法， 例如仿小狗的步态、仿乌龟的步态、单步平动步态等。但是，这些步态大多存在一些问题，例 如仿小狗步态的机器人，在行走过程中机身会以四足的对角线为轴发生往复旋转，导致机 身颠簸；仿乌龟步态的机器人，机身会以垂直机身向上的方向为轴发生往复旋转；单步平 动步态虽然不会发生旋转，但是机身会上下颠簸等等。综合上面的例子可以看出，现有的各 种步态规划方法，都在机器人机身发生直线平动的时候还会产生其他附加运动，这些附加 运动就会影响机器人的性能。例如，在机器人的机身装上摄像头，拍摄前面的画面，如果机 器人的运动除了直线平动以外还带有其他附加运动，会导致摄像头颠簸，造成画面模糊等 问题出现。综上所述，现有的多种步态，都难以解决机器人运动过程中无用附加运动对多足 机器人的运动造成的影响。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是提供一种让多足机器人在前进过程中，机身只发生直线平动，而 不会产生其他附加运动的多足机器人保持直线平动的步态规划方法。
[0004] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：所述的步态规划方法具有周期性， 在每个运动周期中机器人直线平动单位距离，具体步骤如下：
[0005] 步骤一：先给定h、Itl常数；其中：1^为水平面上机器人每条腿的着地点与机身中 心之间的距离，h为着地点与机身间的垂直高度；
[0006]步骤二：将机器人其中一条对角线上的两条腿向前移动距离S，其中，Y为投影L与Itl之间的锐角夹角，L为同一只脚上a、b、c在水平面上的投影总长，a为横臂2长度，b 为斜臂3长度，c为竖臂4长度，丫_为y的最大值；
[0007] S = l〇tan y max---------(I)
[0008] 当Y= ，其他两条腿与机身垂直（Y= 〇)，同时保证每条腿的着地点与机身 的垂直高度为常量h和每条腿的着地点与机身水平投影的垂直距离为常量Itl，即每个时刻 有如下关系：
[0009] bsin a+csin ( a + 0 ) =h-----(2)
[0010] bcos a +ccos ( a + 0 ) =Ic-----(3)
[0011] 其中，1。为一只脚上斜臂与竖臂在水平面上的投影，即1。= 1-a 为斜臂延长 线与竖臂的夹角，a为横臂延长线与斜臂的夹角；
[0012] 步骤三：机器人开始直线平动，步骤二中向前迈出Y角度的腿单次向后回转dY， 同时步骤二中与机身垂直的所有腿单次向前正转dY，循环此过程，直至步骤二中向前运动 单位距离S(y=y_)的腿变换成与机身垂直的状态（y=0)，以及步骤二中与机身垂直 的所有腿变换成向后运动单位距离的状态（Y=-Ymax)，在此过程中随自变量Yi的变化 获得其他两个关节的角度：
【主权项】
1. 一种多足机器人保持直线平动的步态规划方法，其特征是：所述的步态规划方法具 有周期性，在每个运动周期中机器人直线平动单位距离，具体步骤如下： 步骤一：先给定h、Itl常数；其中：1 ^为水平面上机器人每条腿的着地点与机身中心之 间的距离，h为着地点与机身间的垂直高度； 步骤二：将机器人其中一条对角线上的两条腿向前移动距离S，其中，γ为投影L与1。 之间的锐角夹角，L为同一只脚上a、b、c在水平面上的投影总长，a为横臂长度，b为斜臂 长度，c为竖臂长度，丫_为γ的最大值； S = l〇tan γ max--------- (I) 当Y = Y_，其他两条腿与机身垂直（Y =〇)，同时保证每条腿的着地点与机身的垂 直高度为常量h和每条腿的着地点与机身水平投影的垂直距离为常量Itl，即每个时刻有如 下关系： bsin a +csin ( α + β ) = h----- (2) bcos a +ccos ( α + β ) =Ic-----(3) 其中，1。为一只脚上斜臂b与竖臂c在水平面上的投影，即1。= ι-a ; β为斜臂延长线 与竖臂的夹角，α为横臂延长线与斜臂的夹角； 步骤三：机器人开始直线平动，步骤二中向前迈出γ角度的腿单次向后回转(1γ，同时 步骤二中与机身垂直的所有腿单次向前正转(1γ，循环此过程，直至步骤二中向前运动单位 距离S(y = γ_)的腿变换成与机身垂直的状态（γ =0)，以及步骤二中与机身垂直的所 有腿变换成向后运动单位距离的状态（γ =-γΜΧ)，在此过程中随自变量Yi的变化获得 其他两个关节的角度：
将每个时刻的瞬时值γ i、β i、a i进行误差判断，将超过最大误差允许范围的数据组剔 除，并将符合要求的数据组输入给对应的关节。 步骤四：将步骤三中旋转至-γ角的所有腿向前运动两个单位距离（即旋转至γ角）。 步骤五：单次循环完整，进入下一个周期。
2. 根据权利要求1所述的多足机器人保持直线平动的步态规划方法，其特征是：在以 上机器人步态规划过程中的任意时刻有以下关系存在： Yrf= Y lb； Y If= Y rb= Y max" Y If------- ⑶ 机器人直线平动轨迹：
其中，γ":机器人左前方脚对应的γ角；γ 机器人右前方脚对应的γ角； γ lb:机器人左后方脚对应的γ角；γ 机器人右后方脚对应的丫角； 综上所述，在单次直线平动过程中由式（6) (7)得到γ# ylb，γ??，γΑ，再由式（4) (5) 确定每条腿的α、β，并由误差分析剔除超出误差范围的数据组，由此得到该时刻，保持机 身直线平动所需要的所有关节的转动角度。
3.根据权利要求1或2所述的多足机器人保持直线平动的步态规划方法，其特征是： 根据多足机器人直线平动运动的判据来判断得到的步态轨迹数据是否在实际误差允许以 内，并将超出误差范围的数据剔除，其中，以垂直机身向上为Z轴方向，以水平面上垂直机 器人前进方向向右为X轴方向，Z轴与X轴方向允许误差分别为ε ζ、εχ; 所述误差判断依据为：任意机器人运动的时刻，机身除直线平动方向以外的其他方向 的位移偏移量为零，由此获得Z轴与X轴当前数据下的误差： Zzmp= bsin a +csin ( β + a ) -h----- (8) Xzmp= (bcos a+ccos ( β + α )+a) cos γ-I 0- (9) 如果|Zzmp| <、且|Xzmp| < εχ则所得数据在误差允许范围内，并将其输入到机器人 中，完成相应步态调整；如果IZzmpI < εζ、IxzmpI < εχ有任意一个不成立则获得数据超过 误差范围，并将其剔除以确保步态平稳。
【专利摘要】一种多足机器人保持直线平动的步态规划方法，它主要是解决现有的步态规划易导致机身颠簸等技术问题。其技术方案要点是：机器人其中一条对角线上的两条腿向前移动距离S，该腿单次向后回转dγ，其他腿机身垂直，单次向前正转dγ，循环此过程，直至向前运动单位距离(γ＝γmax)的腿变换成与机身垂直的状态(γ＝0)，以及与机身垂直的所有腿变换成向后运动单位距离的状态(γ＝-γmax)，将旋转至-γ角的所有腿向前运动两个单位距离(即旋转至γ角)，完成一个周期运动，然后进行周期循环。它主要是用于多足机器人保持直线平动的步态规划。
【IPC分类】G05D1-08
【公开号】CN104765372
【申请号】CN201510092738
【发明人】李明富, 龙海柱, 章壮, 张杉桂, 李耀源
【申请人】湘潭大学
【公开日】2015年7月8日
【申请日】2015年3月2日