[發明專利]一種Nao機器人步態規劃遺傳算法

在審

• 申請號: 201710172793.9
• 申請日: 2017-03-22
• 公開（公告）號: CN106842959A
• 公開（公告）日: 2017-06-13
• 發明（設計）人: 韓艷飛;張雁寧;胡文馨;王銀玲
• 申請（專利權）人: 西南科技大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 北京方圓嘉禾知識產權代理有限公司11385
• 代理人: 董芙蓉

技術領域

本發明屬于機器人技術領域，具體地說，涉及一種Nao機器人步態規劃遺傳算法。

背景技術

國外早期機器人是基于全身協調運動控制法建設仿人機器人，代表產品為早稻田大學高西淳夫研究室的WABIAN系列仿人機器人WABIAN-2。而后配置電控一體化調節器ISA，其轉矩及反向運轉性能均有較大的改善，代表產品為索尼公司開發的世界首臺跑步機器人QRIO。借著采用無線通訊的控制方式并不斷優化實現以伺服電機、同步齒形帶、諧波齒輪作為驅動，代表產品為本田公司依據I-WALK步行控制策略研制出仿人機器人ASIMO。目前能實現運動能力、視覺、聽覺和語言能力，實現特征識別追蹤以及行進過程中的交流能力，代表產品為韓國先進科技研究所的KHR-3仿人機器人HUBO。

國內研究及發展動態：清華大學基于新型理論步行補償算法研制出具有自主知識產權的仿人機器人THBIP-I，通過對于其伺服系統控制性能的優化改善，該型機器人能夠實現動作的連續性、穩定性，并可完成無纜簡單動作；哈爾濱工業大學研制的H1T-1、H1T-II和H1T-III。HIT-1等機器人，可完成動態、靜態步行動作；同時，國防科技大學研制的“先行者”機器人在完成無纜行走的同時，亦可高效實現人體動作的仿真；北京理工大學研制成功的BHR-2機器人對于步態規劃過程中通過對于步長、步行周期等的控制更是實現了仿人機器人復雜動作設計技術上的突破——在線軌跡規劃和步行調整，對于我國仿真機器人的發展起到了極大地推動作用，提升我國仿真機器人研究整體水平。

雙足機器人的行走具有不穩定性與很大的靈活性，而雙足機器人的穩定性對于穩定周期步行運動的實現起到重要的基礎性作用，因此對雙足機器人步態規劃及其穩定性控制研究就具有相當的現實意義。

遺傳算法是通過借鑒生物自然選擇和遺傳機制過程中的繁殖、交叉和變異，不斷隨機化搜索直到滿足規定的收斂指標為止。該算法計算簡單，功能強大，魯棒性強。

遺傳算法GA即Genetic Algorithm，為模仿生物進化過程的結構型的隨機搜索算法，GA算法對于機器人步態的優化有著重要的作用，基于優化的遺傳算法可以使其檢索計算量大大簡化，在檢索效率提升的同時，收斂性也有著較大改觀。對于空間二進制遺傳算法的優化具體指的是將可行解由整體交叉變異形式轉化為空間染色體各維度層次上，即每個變量對應的二進制編碼段上分別進行交叉變異，極大提升精度及收斂。

現有技術中急需一種Nao機器人步態規劃遺傳算法。

發明內容

本發明的目的在于提供一種Nao機器人步態規劃遺傳算法，以RoboCup機器人世界杯的標準平臺NAO機器人作為研究對象，對其步態規劃研究，采用七連桿結構模型分析，模擬機器人的下肢運動過程，并改進、優化現有智能算法，最后結果表明可增強機器人步態控制的穩定性。

其具體技術方案為：

一種Nao機器人步態規劃遺傳算法，包括以下步驟：

步驟1、首先確定空間染色體選型，并進行初始化：對Nao機器人的步行瞬時重心運動分析，可以由一系列的參數表示而成，從而行走的步態規劃為瞬時參數的集合：

Q_i＝{q_b,q_f,θ_i,T_c,T_d}

其中，行走腳腳掌離地時與地面的夾角為q_b，行走腳腳掌著地時與地面

的夾角為q_f，腳掌與膝蓋的夾角為θ_i，行走周期為T_c，雙腿支撐周期為T_d；

步驟2、進行對應步行軌跡的變換，基于逆運動學理論對于Nao機器人關節結構角度進行計算；同時，對于確定狀態下機器人ZMP、重心位置信息和行走腳在坐標系中的傾角進行穩定性評價，并依據適應度函數計算染色體對應的適應度值f；

Nao機器人的步態規劃主要與確定狀態下機器人ZMP、重心位置信息、行走腳在坐標系中的傾角有關，根據對于遺傳算法的分析，本發明采用的適應度函數如下：

f＝1÷[λ₁q(T)+λ₂n+λ₃α(T)]

其中：λ₁、λ₂、λ₃分別為確定狀態下機器人ZMP、重心位置信息和行走腳在坐標系中傾角的權重系數，q(T)為行走穩定性，α(T)為行走腳在坐標系中的傾角；