[發明專利]雙足仿人機器人及其非線性步態規劃方法以及控制方法

在審

• 申請號: 201710058545.1
• 申請日: 2017-01-23
• 公開（公告）號: CN108345211A
• 公開（公告）日: 2018-07-31
• 發明（設計）人: 阮仕濤;姜東曉
• 申請（專利權）人: 深圳市祈飛科技有限公司
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 深圳市順天達專利商標代理有限公司 44217
• 代理人: 李琴

一種雙足仿人機器人及其非線性步態規劃方法以及控制方法，規劃方法包括：S1、獲取用戶輸入的步態參數；S2、基于用戶輸入的步態參數生成ZMP參考軌跡；S3、采用整合了非線性因子的Preview Control算法，根據參考ZMP軌跡獲取質心軌跡；其中，所述非線性因子與沿重力加速度方向的運動參數相關。本發明可提高步態規劃性能，節省系統整體的運動能量消耗，優化現有的雙足機器人線性行走姿態；只需要用戶輸入五個“所見即所得”的參數，不需要用戶具有機器人步態規劃的專業知識，具有良好的用戶體驗。

技術領域

本發明涉及人工智能領域，尤其涉及一種雙足仿人機器人及其非線性步態規劃方法以及控制方法。

背景技術

人類制造機器人的首要目的是造出能代替人類的類人系統，幫自己去完成很難甚至不可能的任務。完整的仿人機器人主要由視覺系統+雙臂/腕/手系統+雙足系統構成。視覺擔當大腦中樞，利用視覺傳感器反饋回的信息制定全局的行動計劃，雙臂/腕/手利用力覺觸覺等傳感器去實現這些操作，而雙足系統擴大了機器人的工作空間，保證了機器人在復雜或危險地形中可以持續工作，同時不需要專門為其對環境進行大規模改造，可以直接在人類的生活和工作環境中與人類協同作業。正因如此，雙足類人機器人以其獨特的優勢受到了各方的廣泛關注，成為機器人研究領域的熱點。與輪式機器人相比，雙足類人機器人行走系統占地面積小，活動范圍大，對步行環境要求低且具有一定的逾越障礙的能力，移動“盲區”小，因而具有更廣闊的應用領域，也具有很高的生產價值和商業價值。如在極限環境下代替人工作業，海底勘探，水下資源開發，地震搜救，核電站內的監視和維護等。此外，雙足本身是移動機器人系統的入門，經過改進還可以制成足球機器人，機器蜘蛛、機器狗等。

其中，軌跡規劃及步態平衡問題是雙足機器人研究領域的焦點。機械結構上，雙足步行機器人一般單腿有6個自由度，分布在踝關節(2個自由度)，膝關節(1個自由度)和髖關節上(3個自由度)。雙腿12個自由度可以實現行走，跑動，跳躍，下蹲，上/下樓梯，橫向移動等動作。軌跡規劃就是對機器人實現這些動作時腳部和質心(腰部)應該具有怎樣的移動路徑的研究，好的規劃算法得到的軌跡可以保持運動中機器人系統持久的穩定性。以行走為例，該過程被定義為雙足左右交替作為支撐腳，在保持和地面間穩定的支撐狀態同時，移動腳交替向前移動。這一過程是否處于穩定狀態，目前學術和工業界均采用ZMP(零力矩點)理論作為判斷依據，即：步行中的機器人，其質心位置存在著重力和質心加減速時帶來的慣性力，這兩個力的合力(或合力延長線)與地面的交點為零力矩點(ZMP)，該點水平方向的力和力矩為零，即在該點處機器人沒有水平方向傾倒的趨勢。如果行走過程中，ZMP點始終處于單足足面內或是在雙足軌跡構成的多邊形內，則認為步態是穩定的。

然而，由于是否考慮質心縱向運動(沿Z軸方向運動)決定了機器人行走的軌跡規劃問題是否是非線性，目前雙足行走軌跡規劃問題大多被簡化為不考慮質心縱向運動(沿Z軸方向運動)的線性問題去考慮。解決這類線性問題的算法包括線性插值，線性傅立葉變換，線性Preview Control等。其中線性Preview Control算法可以根據未來的ZMP參考軌跡調整當前的質心軌跡，不過，這種簡化的線性行走為了滿足ZMP穩定判據，質心在x-y軸構成的平面上需要較大幅度擺動以使腿部關節防止奇異位形，以及必須保持膝關節持續彎曲的顯著特征。前者造成機器人行走模式偏離人類行走模式，后者需要在膝關節處施加持續的力矩，增加了機器人的能量消耗。另一方面，非線性的步態規劃算法目前多采用基于三對角矩陣的Thomas算法，然而它并沒有考慮未來ZMP軌跡信息對當前質心軌跡的影響。

發明內容

本發明要解決的技術問題在于，針對現有技術的上述缺陷，提供一種雙足仿人機器人及其非線性步態規劃方法以及控制方法。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：構造一種雙足仿人機器人非線性步態規劃方法，方法包括：

S1、獲取用戶輸入的步態參數；

S2、基于用戶輸入的步態參數生成ZMP參考軌跡；