[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

本發明提供一種用于雙足步行機器人的步行運動規劃方法，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。

技術領域

本發明屬于雙足步行機器人運動規劃領域，特別涉及一種用于雙足步行機器人的步行運動規劃方法。

背景技術

現有的雙足步行運動規劃都難以兼顧穩定和高效，這主要因為步行運動遠比輪式移動復雜，相關的自由度十幾個，為了使機器人不摔倒，需嚴格符合其動力學約束。快速步行通常穩定性不好，極易摔倒；而穩定性高的步行，則需要犧牲步行速度。

目前對步行運動規劃的研究以步態規劃和足跡規劃為主。步態規劃是無環境約束的步行運動規劃，足跡規劃為考慮環境的步行運動規劃。

目前較為成熟的步態規劃是基于剛體動力學模型的方法。該方法主要通過對機器人簡化處理后的動力學模型，首先規劃出關鍵點的運動軌跡（如髖關節軌跡），根據逆運動學得到各個關節軌跡，再根據正向動力學求解關鍵參數，應用ZMP等方法判斷穩定性，進行優化。因此，動力學模型是該類方法的基礎，常用的有各種連桿模型與多剛體模型，但這種模型復雜，運算速度較慢。還有各種簡化模型，運算速度快，但穩定性不高，應用最廣泛的是三維線性倒立擺模型。

考慮環境約束的步行運動規劃主要以足跡規劃來實現。足跡規劃是以得到從起點到終點的一序列足跡為目標，采用在已知地圖中的動態規劃或智能搜索算法，以步數最少或距離最短等為優化目標，使機器人依次執行足跡規劃得到的足跡序列，即實現了從起點走到終點的任務。

現有的基于步態規劃和足跡規劃的考慮環境約束的步行運動規劃方法為：在已知地圖、初始條件、目標狀態的條件下，通過足跡規劃得到從起點到終點的足跡序列，再根據足跡序列、通過步態規劃得到關節軌跡，最終由控制器和關節驅動器按照該關節軌跡進行驅動，完成步行任務。

上述方法只在步態規劃得到關節軌跡的階段考慮動力學約束，在足跡規劃階段不考慮步幅間連接約束問題，因此有可能規劃出對于機器人的動力學特性而言很不合理的足跡規劃。按照這樣的足跡規劃，可能會生成違反穩定性約束條件的關節軌跡，最終摔倒。而現有解決該問題的方法即降低步行速度，在慢速行走下，摔倒的概率會大大降低，即使不太合理的步態規劃也不容易摔倒，通過降低步頻或降低步幅都可以達到該目的。但這種方法沒有發揮出機器人的潛力，步行速度很慢。

發明內容

本發明提供了一種用于雙足步行機器人的步行運動規劃方法，在一定程度上兼顧了步行的穩定性與高效性。雙足步行運動規劃問題是雙足步行機器人的研究熱點。作為移動機器人，能夠通過傳感器獲取信息，進行合理的運動規劃，并通過決策算法，自主運動到達目的地是一項基本能力。而其中雙足步行運動規劃問題是雙足機器人所特有的問題，其它如自定位、控制驅動都是機器人的通用問題。因此，雙足步行運動規劃是制約雙足機器人發展的關鍵問題。

為解決上述主流方法的問題，需在足跡規劃階段考慮由動力學約束而來的連續幾步間的約束問題，但這會造成足跡規劃問題的空間維數增多，因此把足跡規劃問題分成兩部分，即路徑規劃和路徑跟隨。路徑規劃為得到一條由起點到終點的無障礙路徑為目標，路徑跟隨為根據該路徑以最快步行速度為條件的足跡序列。步行運動規劃方法由原來的流程：足跡規劃—步態規劃—動力學約束優化步態過，轉變為新的流程：路徑規劃—路徑跟隨—步態規劃—動力學約束優化步態。在路徑跟隨階段即考慮動力學約束。