[發明專利]一種用于雙足步行機器人的步行運動規劃方法

有效

• 申請號: 201711284822.7
• 申請日: 2017-12-07
• 公開（公告）號: CN108089578B
• 公開（公告）日: 2021-04-13
• 發明（設計）人: 張繼文;劉莉;劉召;陳懇;鄔新國
• 申請（專利權）人: 東莞深圳清華大學研究院創新中心
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02;G05D1/08
• 代理公司: 東莞市冠誠知識產權代理有限公司 44272
• 代理人: 張作林

1.一種用于雙足步行機器人的步行運動規劃方法，其特征在于：流程為：①路徑規劃：以得到一條由起點到終點的無障礙路徑為目標；②路徑跟隨：跟隨①得到的路徑求解得到的速度最快的足跡序列；③步態規劃：根據足跡序列得到各個關節的驅動關節軌跡，④動力學約束優化；以全向移動小車為模型，以小車不傾覆為動力學約束條件，考慮了足跡變換中的動力學約束，在局部離散足跡間，使用三維線性倒立擺模型，在線生成髖部軌跡，并通過逆運動學，獲得驅動關節軌跡；最終采用多剛體動力學模型，采用ZMP理論判定穩定性，驗證關節軌跡的有效性，并優化全方位運動小車及三維線性倒立擺模型參數，最終實現：快速步行條件下，通過動力學約束的雙足步行機器人步行運動規劃；全向移動小車模型為：半徑為r的球形質量塊m集中在高度為h的無質量桿上，該質量塊具有轉動慣量J_c，其下方是無質量、有一定尺寸的全向移動小車；質量塊受重力G，小車受地面反力N；模型在二維平面內做加速度和角加速度分段連續的平動和轉動，運動過程中需保證小車不發生傾覆；其中為步幅，(x_N，y_N)地面反力的作用點在水平面中的坐標的最小值和最大值，由于地面對小車提供的摩擦作用力有限，需保證機器人與地面不發生滑動，將旋轉力矩與重力大小的比值定義為μ，設定在第k+1步的時間段(t_k，t_k+1)內，定義χ和γ是(t_k，t_k+1)時間段內對應的步長，φ為對應的旋轉角度，則得到仿人機器人步幅之間的約束關系；Δx，Δγ，是步幅的變化量：

路徑跟隨的方法為：采用上文所述的全向移動小車模型，機器人重心位置即小車的集中質量塊位置；在擺動足落地時對運動狀態采樣，形成離散的重心位置序列，假定步行周期不變，則運動狀態序列為等時間間隔采樣序列{P₀，P₁，…，P_n-1，P_n}，小車的運動狀態向量P_k為(x_k，y_k，θ_k)分量表示小車在全局環境坐標系下的位姿，即重心在水平面上的位置和位姿角,分量表示這一步的位姿相對上一步位姿的變化量，即步幅參數；P_k的狀態轉移方程如式(2-1)：

是期望的步幅參數，為系統輸入變量；是由步幅前后動力學約束關系求得的本步的步幅參數；若χ_cmd，γ_cmd，χ_k-1，γ_k-1，滿足約束方程，即不等式組(1-6)：將

代入式(1-6)，則式(2-1)可化為式(2-2)：

若不滿足約束方程，則取與原輸入變量最接近的變量，即歐式距離最小的變量作為新的輸入變量；得到的狀態轉移方程與式(2-2)類似，只是用代替

2.根據權利要求1所述的用于雙足步行機器人的步行運動規劃方法，其特征在于：式(2-1)所描述的重心運動狀態序列，為機器人髖部運動軌跡序列，其最終需轉換為落地足運動軌跡序列，在狀態變量中加入左右擺動足的布爾型狀態變量L＝{true,false}，以分別表示下一步足跡是左腳落地或右腳落地，從而得到考慮步幅連接動力學約束的足跡轉移狀態方程，如式(2-3)：

假設機器人在2維平面環境下步行運動，其所跟隨的采樣路徑q采用離散點序列方式進行三維路徑描述，描述機器人完整位姿(x_k，y_k，θ_k)，即某個時刻機器人狀態中的位置分量和姿態角,期望路徑用Q表示。