一种四足机器人的静步态规划方法与流程

文档序号:22499564发布日期:2020-10-13 09:30阅读:来源:国知局

技术特征:

1.一种四足机器人的静步态规划方法,其特征在于,包括如下步骤:

s1:预先选定多组沿“s”形分布的位于同一水平面的不规则落足点;

s2:确定所述四足机器人的重心调整的目标区域,所述目标区域满足两个约束条件:稳定性约束和足端工作空间约束;

s3:在重心调整阶段,从所述重心调整的目标区域中选择一个距离重心初始投影位置最近的点作为重心调整目标点,采用重心轨迹优化算法确定最短重心移动轨迹;

s4:采用速度优化算法获取在关节角速度约束条件下的最大身体和足端移动速度;

s5:所述四足机器人以所述最大身体和足端移动速度按照所述落足点行走。

2.如权利要求1所述的四足机器人的静步态规划方法,其特征在于,所述稳定性约束包括在腿摆动阶段,所述四足机器人的重心投影位置始终位于由支撑腿的足端构成的支撑三角形内。

3.如权利要求2所述的四足机器人的静步态规划方法,其特征在于,采用内插支撑三角形代替所述支撑三角形来判断机器人的稳定性;若重心投影位置在腿摆动阶段始终位于所述内插三角形内则判断所述四足机器人是稳定的。

4.如权利要求3所述的四足机器人的静步态规划方法,其特征在于,将所述四足机器人的重心投影到支撑腿的落足点所在的支撑水平面上,并设定平面坐标系{p},然后通过四只支撑足在所述平面坐标系{p}中的坐标确定重心调整的目标区域;所述平面坐标系{p}中,原点o代表重心调整阶段开始时重心的投影位置,o′代表重心调整的期望位置,s0代表所述内插三角形各边与所述支撑三角形各边的距离,lij代表连接第i条腿的落足点和第j条腿的落足点的直线,sij代表o′到lij的距离;

四足机器人的静态稳定性判据表示为:

sij≥s0,i,j∈{a1,a2,a3,a4}且i≠j

其中,a1={1,2,3},a2={1,2,4},a3={1,3,4},a4={2,3,4};

记pi(xi,yi),其中i∈{1,2,3,4}为第i条腿的足端在所述平面坐标系{p}中的坐标,则直线lij的直线方程为:

aijx+bijy+cij=0

其中,aij=yi-yj,bij=xj-xi,cij=xi(yj-yi)+yi(xi-xj);

将满足稳定性约束的重心调整目标区域命名为区域a,区域a表示为:

其中,p′o(x′o,y′o)代表重心调整的目标位置在所述平面坐标系{p}中的坐标。

5.如权利要求4所述的四足机器人的静步态规划方法,其特征在于,所述足端工作空间约束包括:

在所述重心调整阶段,重心移动过程中每条腿的落足点必须位于其工作空间内;

在所述腿摆动阶段,摆动腿的期望落足点必须位于其可达工作空间内。

6.如权利要求5所述的四足机器人的静步态规划方法,其特征在于,确定每条腿在所述支撑水平面上的可达工作区域是圆形,且圆心为工作空间的球心在支撑水平面上的投影点,半径等于

其中,l2是大腿连杆长度,l3是小腿连杆长度,h是躯干高度;

记pi(xi,yi),其中,i∈{1,2,3,4}为第i条腿的足端在所述平面坐标系{p}中的坐标,k为下一个相邻阶段摆动腿的标号,p′k(x′k,y′k)为摆动腿期望落足点的坐标,则将所述区域a中满足足端工作空间约束的重心调整目标区域区域b需要满足如下所示的足端工作空间约束条件:

(xi-(x′o+αb))2+(yi-(y′o+βa))2≤r2

(x′k-(x′o+αb))2+(y′k-(y′o+βa))2≤r2

其中,

7.如权利要求6所述的四足机器人的静步态规划方法,其特征在于,从所述重心调整的目标区域中选择一个距离重心初始投影位置po(xo,yo)最近的点p′o(x′o,y′o)作为重心调整目标点,记d为po(xo,yo)与p′o(x′o,y′o)之间的距离,则重心轨迹优化问题描述为:

8.如权利要求7所述的四足机器人的静步态规划方法,其特征在于,采用速度优化算法获取在关节角速度约束条件下的最大足端移动速度包括:

s41:获取每条腿的足端线速度与所述腿上横滚髋关节、俯仰髋关节和俯仰膝关节三个关节的关节角速度的关系式;

将四足机器人的右后腿、右前腿、左后腿及左前腿分别标为腿1、腿2、腿3、腿4,根据四足机器人结构的对称性可知,腿1和腿3的足端线速度与三个关节角速度的关系式相等,腿2和腿4的足端线速度与三个关节角速度的关系式相等;

在躯干的形心处建立坐标系{ob},在滚转髋关节的中心建立坐标系{oi0},其中,i=1,2,3,4,基于d-h规则,在所述滚转髋关节,所述俯仰髋关节,所述俯仰膝关节的中心分别建立坐标系{oi1},{oi2},{oi3};

记pi(xi,yi,zi)为第i条腿的足端在坐标系{ob}中的坐标,vi(vix,viy,viz)代表第i条腿的足端线速度,θij代表第i条腿第j个关节的关节角,wij代表第i条腿第j个关节的关节角速度,则足端位置pi(xi,yi,zi)与对应三个关节角θij的关系式表示为:

pi=[λ(l2s2-l3s3)+αb,s1(l2c2+l3c3)+βa,-c1(l2c2+l3c3)]

其中,

上式得到足端速度vi(vix,viy,viz)与对应腿的三个关节角速度wij的关系式为:

vix=λ(l2wi2c2-l3wi3c3)

viy=wi1c1(l2c2+l3c3)-s1(l2wi2s2+l3wi3s3)

viz=wi1s1(l2c2+l3c3)+c1(l2wi2s2+l3wi3s3)

其中,c1=cos(θi1),s1=sin(θi1),c2=cos(θi2),s2=sin(θi2),c3=cos(-θi3-θi2),s3=sin(-θi3-θi2),

s42:获取所述横滚髋关节、所述俯仰髋关节和所述俯仰膝关节的关节角速度的比例关系;

足端垂直抬起的轨迹为线段ab,垂直落下的轨迹为线段cd,水平移动的轨迹为线段bc;当足端沿着线段ab和线段cd移动时,足端线速度在x轴和y轴的分量均为0,用公式表示为:

λ(l2wi2c2-l3wi3c3)=0

wi1c1(l2c2+l3c3)-s1(l2wi2s2+l3wi3s3)=0

当足端沿着线段ab和线段cd移动时,三个关节角速度的比例关系为:

wi1/wi2=(s1l2(c2s3+c3s2))/(c1c3(l2c2+l3c3))

wi1/wi3=(s1l2l3(c2s3+c3s2))/(c1(l2c2+l3c3)2)

当足端沿线段bc移动时,足端线速度在各个方向的分量需要满足:足端线速度在z轴的分量为0;足端线速度在y轴的分量与x轴的分量的比值等于线段bc的斜率k,用公式表示为:

wi1c1(l2c2+l3c3)-s1(l2wi2s2+l3wi3s3)=kλ(l2wi2c2-l3wi3c3)

wi1s1(l2c2+l3c3)+c1(l2wi2s2+l3wi3s3)=0

当足端沿着线段bc移动时,三个关节角速度的比例关系为:

s43:获取所述最大足端移动速度;

当足端沿着线段ab和线段cd移动时,wi2和wi3的方向是已知的,而wi1的方向未知,根据三个关节角速度的比值确定出wi1的符号;通过比较三个关节角速度的比值,便可得到达到最大角速度的关节;结合三个关节角速度的方向信息,得出所有的关节角速度;

当足端沿着线段bc移动时,wi1的方向是已知的,而wi2和wi3的方向未知,根据三个关节角速度的比值确定wi2和wi3的符号。通过比较三个关节角速度的比值,便可得到达到最大角速度的关节;结合三个关节角速度的方向信息,得出所有的关节角速度;

根据每条腿的足端线速度与所述腿的三个关节角速度的关系式,获得四个最大足端移动速度。

9.如权利要求8所述的四足机器人的静步态规划方法,其特征在于,选择四个所述最大足端移动速度中最小的一个作为最大身体移动速度。

10.一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质存储有计算机程序,其特征在于,所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-9任一所述方法的步骤。


技术总结
本发明提供一种四足机器人的静步态规划方法及计算机可读存储介质,方法包括:预先选定多组沿“S”形分布的位于同一水平面的不规则落足点;确定四足机器人的重心调整的目标区域,目标区域满足两个约束条件:稳定性约束和足端工作空间约束;在重心调整阶段,从重心调整的目标区域中选择一个距离重心初始投影位置最近的点作为重心调整目标点,采用重心轨迹优化算法确定最短重心移动轨迹;采用速度优化算法获取在关节角速度约束条件下的最大身体和足端移动速度;四足机器人以最大身体和足端移动速度按照所述落足点行走。使四足机器人在移动过程中可以保持稳定,且足端可以摆动到期望落足点,提高了四足机器人的行走速度。

技术研发人员:王学谦;王雅琪;叶林奇;刘厚德;梁斌
受保护的技术使用者:清华大学深圳国际研究生院
技术研发日:2020.07.08
技术公布日:2020.10.13
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