[發(fā)明專(zhuān)利]一種機(jī)器人的軌跡規(guī)劃系統(tǒng)和方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011426513.0
• 申請(qǐng)日: 2020-12-09
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112720462B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-08-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 吳新宇;何勇;董遙;劉靜帥
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 深圳先進(jìn)技術(shù)研究院
• 主分類(lèi)號(hào): B25J9/16
• 分類(lèi)號(hào): B25J9/16
• 代理公司: 北京市誠(chéng)輝律師事務(wù)所 11430
• 代理人: 范盈

本發(fā)明提供一種機(jī)器人的軌跡規(guī)劃系統(tǒng)和方法，路徑規(guī)劃器生成避障路徑與步態(tài)周期，構(gòu)成落腳點(diǎn)序列；步態(tài)規(guī)劃器輸出機(jī)器人質(zhì)心軌跡、左腳軌跡、右腳軌跡以及經(jīng)過(guò)重采樣后的落腳點(diǎn)序列；關(guān)節(jié)軌跡規(guī)劃器計(jì)算得到驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的關(guān)節(jié)軌跡。首次提出了針對(duì)外骨骼機(jī)器人的系統(tǒng)性的端到端全自主軌跡規(guī)劃算法，將穿戴者的粗略運(yùn)動(dòng)意圖指令直接換為具體的關(guān)節(jié)軌跡指令進(jìn)而驅(qū)動(dòng)外骨骼機(jī)器人實(shí)現(xiàn)載人自平衡行走，提高了外骨骼機(jī)器人的智能性、易用性與適用范圍。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于機(jī)器人領(lǐng)域，特別涉及一種機(jī)器人的軌跡規(guī)劃系統(tǒng)和方法，尤其是一種面向自平衡下肢外骨骼機(jī)器人的多層次軌跡規(guī)劃系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)

在過(guò)去的幾十年里，雙足機(jī)器人由于其類(lèi)人的結(jié)構(gòu)使它們具有很強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性，能夠完成各種復(fù)雜或重復(fù)性高的任務(wù)，如爬樓梯、搬運(yùn)物品等，因此近年來(lái)研究人員將重點(diǎn)放在雙足機(jī)器人的路徑規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃上。自平衡外骨骼機(jī)器人雖然與雙足機(jī)器人在技術(shù)上有一定的共同性，但是外骨骼機(jī)器人還需要考慮穿戴者的影響，這導(dǎo)致自平衡外骨骼機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)的安全性、模型復(fù)雜性、人機(jī)交互性方面所帶來(lái)的困難都大于一般的雙足機(jī)器人。

在端到端全自主軌跡規(guī)劃方面，目前國(guó)內(nèi)還未能找到與自平衡外骨骼機(jī)器人直接相關(guān)的，從技術(shù)共性上來(lái)看，目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的雙足機(jī)器人路徑規(guī)劃專(zhuān)利中，發(fā)明專(zhuān)利CN111830986A提出一種雙足機(jī)器人的三維路徑規(guī)劃方法，考慮了雙足機(jī)器人和障礙物信息，設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)的代價(jià)，并進(jìn)行代價(jià)評(píng)估，在存在多種類(lèi)型物體的復(fù)雜環(huán)境中提前計(jì)算一條代價(jià)最小的三維路徑；該方法規(guī)劃得到的路徑，能夠引導(dǎo)機(jī)器人在相應(yīng)的環(huán)境中執(zhí)行跨越、繞行、上臺(tái)階的運(yùn)動(dòng)。

自平衡下肢外骨骼機(jī)器人可以為四肢癱瘓、高位截癱、高位偏癱等喪失完全四肢運(yùn)動(dòng)能力的患者提供無(wú)拐杖自平衡行走輔助，但這些患者已經(jīng)失去了通過(guò)上肢精確控制外骨骼的能力，比如用手操縱控制器或搖桿來(lái)控制外骨骼等。因此，為了識(shí)別這些穿戴患者的運(yùn)動(dòng)意圖，一般通過(guò)腦電設(shè)備、眼動(dòng)跟蹤儀等高層次人機(jī)接口來(lái)將使用者的意圖識(shí)別出來(lái)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)外骨骼機(jī)器人。然而這些高層次人機(jī)接口設(shè)備的信號(hào)帶寬十分有限，它們所能提供的只能是十分粗略的指令信號(hào)，例如通過(guò)腦電設(shè)備提供患者的啟停行走意圖，通過(guò)眼動(dòng)儀提供患者目標(biāo)位置指令。但想要驅(qū)動(dòng)自平衡下肢外骨骼機(jī)器人來(lái)實(shí)現(xiàn)患者所要求的具體運(yùn)動(dòng)，這些信號(hào)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，因?yàn)闄C(jī)器人最直接需要的是各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡指令。因而，如何將這些粗略的上層指令轉(zhuǎn)換為具體的關(guān)節(jié)軌跡指令來(lái)驅(qū)動(dòng)外骨骼，使得自平衡外骨骼機(jī)器人在保證行走平衡的同時(shí)還能完成穿戴者所想要實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)成為了一個(gè)極具挑戰(zhàn)的問(wèn)題。

在雙足機(jī)器人穩(wěn)定步行控制研究中，發(fā)明專(zhuān)利CN111546349A提出一種基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的步態(tài)規(guī)劃方法，利用改進(jìn)的DQN算法解決雙足機(jī)器人的步行控制問(wèn)題，將強(qiáng)化學(xué)習(xí)用于雙足機(jī)器人實(shí)現(xiàn)在快速行走條件下的長(zhǎng)距離穩(wěn)定步態(tài)控制，包括建立仿人雙足機(jī)器人模型、預(yù)訓(xùn)練控制參數(shù)和雙足機(jī)器人步行運(yùn)動(dòng)。發(fā)明專(zhuān)利CN111674486A提出了一種基于模型預(yù)測(cè)控制的雙足機(jī)器人穩(wěn)定步行控制方法，使用雙足機(jī)器人的簡(jiǎn)化剛體動(dòng)力學(xué)模型，構(gòu)造質(zhì)心狀態(tài)預(yù)測(cè)模型，根據(jù)質(zhì)心狀態(tài)預(yù)測(cè)模型將所述模型預(yù)測(cè)控制方法中的優(yōu)化方程組簡(jiǎn)化成二次規(guī)劃方程組，求解方程組，獲得優(yōu)化地面反作用力，從而獲得穩(wěn)定步行的控制參數(shù)，最后根據(jù)穩(wěn)定步行控制參數(shù)控制所述雙足機(jī)器人。目前還未有針對(duì)外骨骼機(jī)器人尤其是自平衡外骨骼機(jī)器人的端到端全自主軌跡規(guī)劃算法框架，用于將粗略的高層次運(yùn)動(dòng)意圖指令轉(zhuǎn)換為具體的關(guān)節(jié)軌跡指令進(jìn)而驅(qū)動(dòng)外骨骼機(jī)器人實(shí)現(xiàn)載人自平衡行走。

發(fā)明內(nèi)容

本說(shuō)明書(shū)實(shí)施例的目的是提供一種機(jī)器人的軌跡規(guī)劃系統(tǒng)和方法，可以將高層次的粗略運(yùn)動(dòng)意圖指令實(shí)時(shí)在線的轉(zhuǎn)換為具體的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)指令，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的載人行走。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本說(shuō)明書(shū)實(shí)施例通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn)的：

第一方面，提供一種機(jī)器人的軌跡規(guī)劃系統(tǒng)，包括：路徑規(guī)劃器、步態(tài)規(guī)劃器和關(guān)節(jié)軌跡規(guī)劃器，

所述路徑規(guī)劃器生成避障路徑與步態(tài)周期，構(gòu)成落腳點(diǎn)序列；