[發明專利]提高六足機器人行走穩定性的步態規劃方法

有效

• 申請號: 201610251469.1
• 申請日: 2016-04-21
• 公開（公告）號: CN105666498B
• 公開（公告）日: 2017-07-07
• 發明（設計）人: 孫天齊
• 申請（專利權）人: 奇弩（北京）科技有限公司
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16;B62D57/032
• 代理公司: 北京捷誠信通專利事務所(普通合伙)11221
• 代理人: 王衛東

技術領域

本發明涉及六足機器人，具體涉及提高六足機器人行走穩定性的步態規劃方法。

背景技術

六足機器人又叫蜘蛛機器人，是多足機器人的一種，具有穩定性好、承載能力高、地形適應性強等優勢，是復雜作業環境下的最佳選擇，具有廣闊的應用前景。

目前，六足機器人的常見步態以三角步態為主，即將六足分為交替相隔的兩組，每組三足，通過兩組關節交替起落旋轉來實現機器人的前進、轉向、后退等行動。三角步態雖然能實現移動、旋轉等動作，不僅動作單調生硬、動作的節奏感較強，無法流暢平滑移動；而且由于三角步態的前進動作實際上是通過兩個不同方向的交替旋轉進行的，無法保持機器人機身正面方向穩定一致，對于有攝像頭功能的六足機器人來說，會造成視頻畫面的劇烈晃動，嚴重影響視頻質量和應用范圍。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是現有六足機器人的三角步態不僅動作單調生硬、動作的節奏感較強，無法流暢平滑移動，而且無法保持機器人機身正面方向穩定一致的問題。

為了解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案是提供一種提高六足機器人行走穩定性的步態規劃方法，包括以下基本動作：

行進：抬起不相鄰兩足，開始沿平行于機身中心和終點連線的每足末端的平移路徑行進，行進時始終保證四足著地，不相鄰兩足抬起，且每足的各關節按周期旋轉到對應預設角度，使每足末端在其平移路徑上抬起、落下；

變向：機器人頭部攝像模塊旋轉到正對目標終點方向，再執行行進基本動作。

在上述方案中，行進時始終保證四足著地，不相鄰兩足抬起包括交替抬起不相鄰的兩足和不相鄰的兩足交替抬起兩種步態，其中，

交替抬起不相鄰的兩足為：行進開始后，抬起的兩足一起落地，著地、不相鄰的兩足一起抬起；

不相鄰的兩足交替抬起為：行進開始后，抬起的一足落地，同時著地的四足中一足抬起，且該抬起足與原抬起足不相鄰。

在上述方案中，每足末端的平移路徑計算方式為：利用變換算法建立每足的足坐標系與機身坐標系的對應關系，在標準站立姿態下，通過機身中心平移路徑，計算出每足末端的平移路徑；其中，

機身中心平移路徑的計算方法為：在機身坐標系中，將機身中心映射到經過目標終點垂直于地面的直線上，通過目標終點坐標得到機身映射中心坐標，機身中心與機身映射中心連線為機身中心平移路徑。

在上述方案中，在機身坐標系中，目標終點坐標的獲取是攝像模塊搜索得到在環境坐標系下的目標終點坐標，再通過變換算法將目標終點在環境坐標系坐標投射到機身坐標系中，獲取在機身坐標系中目標終點坐標。

在上述方案中，通過變換算法建立每足的足坐標系與機身坐標系的對應關系具體包括以下步驟：

第一步、通過對機身坐標系坐標(x,y)進行旋轉，得到足坐標系坐標(x’,y’)為：

其中，θ為機身中心和攝像模塊方向連線與機身中心和足根部在機身連接點連線的夾角；

第二步、對坐標(x’,y’)在足坐標系的y軸上平移r，r為機身半徑，在x軸上不變，則得到機身坐標系坐標(x,y,z)在足坐標系的坐標(x’’,y’’,z’’)；其中，平移后x’’＝x’，y’’＝y’+r，由于z軸未發生變換，所以z’’＝z。

在上述方案中，機器人包括髖關節、膝關節和踝關節三個關節，標準站立姿態時三個關節的角度如下：

髖關節：與機身圓周接觸點的切線方向垂直；

膝關節：與機身水平方向平行；

踝關節：使兩段肢體成90度，足末端與地面垂直。

在上述方案中，所述髖關節能沿著機身圓周運動，使機身轉動。

在上述方案中，各關節旋轉的預設角度的計算方法為：在每個足坐標系中，將機器人各個關節角度與足末端點坐標進行映射，通過坐標映射計算出各個足末端在其平移路徑豎直平面上的運動軌跡，并獲得足末端在該運動軌跡不同坐標點上對應的各關節旋轉角度，配置關節旋轉預設角度；

足末端在運動軌跡不同坐標點上對應的各關節旋轉角度采取D-H矩陣進行計算，具體公式為：

足末端的變換矩陣T為：[T]＝[Z₁][Z₂]...[Z_n]；

相鄰兩連桿間的變換矩陣Z_i為：

其中，θ_i表示運動時各關節繞自身坐標系z軸的旋轉角；d_i表示運動時在z軸上各關節之間的偏移；i取值為1至3。