面向四足机器人的地形崎岖度在线估计方法与流程

本发明涉及一种用于面向四足机器人进行在线估计地形崎岖度方法，能够使四足机器人在行走过程中不依靠任何地形感知设备实现对所行走地形崎岖度的实时估计，属于机器人控制领域。

背景技术：

为了进一步提高通过崎岖地形的能力，四足机器人必须能够在行走过程中获取所行走地形的信息，并根据所获取的地形信息调整相关步态参数，以适应地形崎岖度的变化。四足机器人一般通过其自身携带的地形感知设备获取到所行走地形的地形信息。

《onboardperception-basedtrottingandcrawlingwiththehydraulicquadrupedrobot(hyq)》(2013ieee/rsjinternationalconferenceonintelligentrobotsandsystems.ieee,2013:6052-6057)是利用机载的深度相机(kinect)获取地形信息。《terrainmappingwithapanandtiltstereocameraforlocomotiononaquadrupedrobot》(icra14workshoponmodelling,estimation,perceptionandcontrolofallterrainmobilerobots(wmepc14))中使用双目相机提出了地形信息的获取与分析方法。博士学位论文“视觉地形分类和四足机器人步态规划方法研究与应用”中利用视觉设备获得行走地形的图像，实现对四足机器人所行走地形的特征提取与分类。博士学位论文“基于tof相机的四足机器人地形感知及静步态规划研究”中给出了基于光传输时间(timeofflight,tof)三维激光相机的地形感知算法。

在上述这些方法中，为获取所行走地形的地形信息，除需要为四足机器人配备激光扫描仪、深度相机等视觉设备外，还对机器人硬件性能提出了较高的要求，以及时地处理大量的由视觉设备获取的地形信息。因此，增加了机器人系统自身的复杂度。

技术实现要素：

本发明为了解决现有方法的上述不足，提出了一种利用四足机器人在行走过程中摆动足的触地时间信息对地形崎岖度进行在线估计的方法，该方法不依靠地形感知设备，可对所行走地形崎岖度的实时估计。

本发明的面向四足机器人的地形崎岖度在线估计方法，包括以下步骤：

(1)将四足机器人的摆动足运动轨迹分为匀速上升阶段、摆动足向前摆动至目标落足点的正上方阶段以及摆动足下落至碰到地面阶段三个阶段；

(2)将四足机器人按照选定的迈步顺序依次完成四只足的迈步运动定义为一个步态周期，第m个步态周期中摆动足由垂直下落阶段起始时刻到触地时刻所用时间为^mti(i∈[1,2,3,4])，得到第m个步态周期中^mti的标准差^mσt；

将第m-s(s≥1)个步态周期至第m个步态周期中^mti的标准差^mσt的平均值作为四足机器人在第m+1个步态周期越过地形的崎岖度估计值rm+1；

根据地形崎岖度估计值，得到第m+1个步态周期中对机器人所行走地形崎岖度变化趋势的估计值pm+1；

(3)根据地形崎岖度的估计结果调整第一阶段中摆动足的抬足高度。

所述步骤(1)中匀速上升阶段，四足机器人的摆动足只沿^fz方向匀速上升距离hf，得到摆动足运动轨迹的运动方程为：

其中，tf为第一阶段摆动足的运动时间。

所述步骤(1)中摆动足向前摆动至目标落足点的正上方阶段，假设摆动足的期望落足点与起始点沿^fx和^fy方向上的距离分别为^fsx和^fsy，得到摆动足沿^fx及^fy方向上的运动轨迹方程为：

其中，ts为第二阶段摆动足的运动时间；tf为第一阶段摆动足的运动时间。

所述步骤(1)中摆动足向前摆动至目标落足点的正上方阶段，摆动足在^fz方向上的运动轨迹是基于抛物线规划的，hs为该阶段中摆动足抬起的最大高度，其运动方程为：

其中,^fs＝^fsx或^fs＝^fsy。

所述步骤(1)中摆动足下落至碰到地面阶段，假设摆动足在该阶段的运动时间为tt，为保证当摆动足期望落足点高度在^fz方向上比起始点低时，摆动足能够一直下落至触碰到地面，增加补偿系数δ，δ≥1，则该阶段摆动足的运动时间为：

tt＝δ·tf，

根据前两个阶段的摆动足运动时间，得到摆动足完成整个足底轨迹所用时间tr为：

tr＝tf+ts+tt，

在该阶段中，摆动足只沿^fz方向按设定的运动速度^fvz匀速向下运动，得到摆动足运动轨迹在该阶段的方程：

所述步骤(2)中第m个步态周期中^mti的标准差^mσt为：

所述步骤(2)中第m+1个步态周期越过地形的崎岖度估计值rm+1为：

由以上地形的崎岖度估计值计算式，得地形崎岖度估计值rm+1的取值范围为：

tt为摆动足在第三阶段的运动时间。

所述步骤(2)中第m+1个步态周期中对机器人所行走地形崎岖度变化趋势的估计pm+1为：

其中，δt为两个相邻步态周期的间隔时间，rm与rm+1分别为第m与第m+1个步态周期中四足机器人越过地形崎岖度的估计值；

由地形崎岖度变化趋势的估计计算式得到pm+1的取值范围为：

所述步骤(3)中调整第一阶段中摆动足的抬足高度的具体过程为：

根据估计的第m+1个步态周期中地形崎岖度估计值rm+1及地形崎岖度变化趋势估计值pm+1，给出第m+1个步态周期中摆动足在第一阶段抬起高度的计算公式：

其中，hmin为预先设定的摆动足抬起高度的最小值，β和γ为权重系数，且β≥0，γ≥0。

本发明利用四足机器人在行走过程中各摆动足的触地信息，进行对所行走地形崎岖度实时估计，对所行走地形崎岖度的实时估计，利用地形崎岖度估计的结果对摆动足迈步高度进行自主调整，以保证地形崎岖度评估的结果。本发明具有以下特点：

1.规划了一种高度可调的摆动足运动轨迹，能够帮助四足机器人在未知地形信息的情况下通过崎岖地形，且迈步高度可灵活调整；

2.在不依靠地形感知设备的情况下，根据摆动足触地时间信息，即可实现四足机器人对所行走地形崎岖度的实时估计；

2.根据机器人在行走过程中的地形崎岖度估计结果，给出了摆动足迈步高度的自主调整方法，有效地提高机器人的地形适应性，保证地形崎岖度估计的结果。

附图说明

图1为十二自由度四足仿生机器人的仿真模型图。

图2为摆动足足端坐标系{^fo}的示意图。

图3为摆动足运动曲线示意图。

图4为摆动足i的触地时间^mti的示意图。

具体实施方式

以如图1所示的十二自由度四足机器人为例，对本发明的面向四足机器人的地形崎岖度在线估计方法进行详细描述。

设定一个足底坐标系{^fo}，其原点为摆动足在抬离地面之前与地面的接触点^fp，如图2所示。如图3所示，十二自由度四足机器人的摆动足运动轨迹,可将其分为三个阶段，下面将分别给出摆动足运动轨迹三部分的方程：

(1)第一阶段摆动足运动轨迹方程

在该阶段中，四足机器人的摆动足沿^fz方向匀速上升一定的距离hf(如图3所示)，使摆动足在向前迈进的过程中其足端与地面保持一定的距离，以保证摆动足的足端在向前迈进的时候不与地形中凸起的障碍物发生碰撞，使四足机器人在未知地形信息的情况下顺利通过崎岖地形。

在这一阶段中，摆动足只沿^fz方向运动，则可得到摆动足运动轨迹在第一部分的运动方程：

其中，tf为该阶段摆动足的运动时间。

(2)第二阶段摆动足运动轨迹方程

在该阶段中摆动足向前摆动至目标落足点沿^fz方向的正上方，设机器人摆动足的期望落足点与起始点^fp沿^fx和^fy方向上的距离分别为^fsx和^fsy。由此可得摆动足沿^fx及^fy方向上的运动轨迹方程：

其中，ts为该阶段摆动足的运动时间。

摆动足在^fz方向上的运动轨迹是基于抛物线规划的，其运动方程为：

其中,^fs＝^fsx或^fs＝^fsy。

(3)第三阶段摆动足运动轨迹方程

设摆动足在该阶段的运动时间为tt，为保证当摆动足期望落足点高度在^fz方向上比起始点低时，摆动足能够一直下落，直到触地传感器检测到摆动足触碰到地面，则在足端轨迹第三部分的运动方程中增加补偿系数δ(δ≥1)，设定该阶段摆动足的运动时间为：

tt＝δ·tf

根据前两个阶段的摆动足运动时间，可得到摆动足完成整个矩形足底轨迹所用时间tr为：

tr＝tf+ts+tt

在该阶段中，摆动足只沿^fz方向按设定的运动速度^fvz匀速向下运动，由此可到摆动足运动轨迹在该阶段的方程为：

将四足机器人按照选定的迈步顺序依次完成四只足的迈步运动定义为一个步态周期，整个运动过程可分为多个步态周期。记在第m个步态周期中，摆动足由垂直下落阶段起始时刻到触地时刻所用时间为^mti(i∈[1,2,3,4])，如图3所示。

由此可得，在第m个步态周期中，^mti的标准差^mσt为：

将第m-s(s≥1)个步态周期至第m个步态周期中^mti的标准差^mσt的平均值，作为四足机器人在第m+1个步态周期越过地形的崎岖度rm+1估计，即：

由以上地形崎岖度估计计算式，可得地形崎岖度估计值rm+1的取值范围为：

tt为摆动足在第三阶段的运动时间。

根据地形崎岖度估计值，给出第m+1个步态周期中对机器人所行走地形崎岖度变化趋势的估计pm+1为：

其中，δt为两个相邻步态周期的间隔时间，rm与rm+1分别为第m与第m+1个步态周期中四足机器人越过地形崎岖度的估计值。

由地形崎岖度变化趋势的估计计算式可得pm+1的取值范围为：

四足机器人在迈步过程中，如果摆动足在第一阶段中抬足高度过大，不但会延长整个迈步过程的时间，从而影响机器人的平均运动速度，而且会消耗不必要的能量；如果摆动足在第一阶段抬足高度过小，有可能使摆动足在迈步过程中触碰到地形上的障碍物，导致迈步的失败，影响地形崎岖度估计的结果。因此必须根据地形崎岖度的估计结果合理地调整第一阶段中摆动足的抬足高度。

根据估计的在第m+1个步态周期中地形崎岖度估计值rm+1及地形崎岖度变化趋势pm+1的估计值，给出第m+1个步态周期中摆动足在第一阶段抬起高度的计算公式：

其中，hmin为预先设定的摆动足抬起高度的最小值，β和γ为权重系数，且β≥0，γ≥0。