[發(fā)明專利]足式機(jī)器人足端軌跡規(guī)劃方法、系統(tǒng)及控制方法、系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110752263.8
• 申請(qǐng)日: 2021-07-02
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113377113B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-01-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張曉平;夏海闖;崔力升;李伊茗;羅康;武天旭;朱震霆;程竑暻;焦睿;徐浩誠(chéng)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北方工業(yè)大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G05D1/02
• 分類(lèi)號(hào): G05D1/02
• 代理公司: 北京高沃律師事務(wù)所 11569
• 代理人: 王愛(ài)濤

本發(fā)明涉及一種足式機(jī)器人足端軌跡規(guī)劃方法、系統(tǒng)及控制方法、系統(tǒng)，在對(duì)支撐階段的足端軌跡進(jìn)行規(guī)劃時(shí)，采用帶有拋物線過(guò)渡的線性函數(shù)對(duì)軌跡進(jìn)行插值，得到支撐階段的軌跡參數(shù)方程，并根據(jù)軌跡參數(shù)方程計(jì)算單只腿足結(jié)構(gòu)的各關(guān)節(jié)在支撐階段的第一關(guān)節(jié)角函數(shù)，在對(duì)擺動(dòng)階段的足端軌跡進(jìn)行規(guī)劃時(shí)，采用多項(xiàng)式插值的方法對(duì)關(guān)節(jié)角變化量進(jìn)行插值，得到關(guān)節(jié)角變化量插值函數(shù)，根據(jù)第一關(guān)節(jié)角函數(shù)和關(guān)節(jié)角變化量插值函數(shù)計(jì)算單只腿足結(jié)構(gòu)的各關(guān)節(jié)在擺動(dòng)階段的第二關(guān)節(jié)角函數(shù)，利用規(guī)劃得到的足端軌跡對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制，能夠有效降低作為關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)原件的損耗，使腿足結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)更加平滑。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及機(jī)器人控制技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種足式機(jī)器人足端軌跡規(guī)劃方法、系統(tǒng)及控制方法、系統(tǒng)。

背景技術(shù)

過(guò)去較長(zhǎng)一段時(shí)間里，輪式機(jī)器人和履帶式機(jī)器人以其運(yùn)動(dòng)的快速性、高效性和易控制性被廣泛的運(yùn)用在生活中。但是隨著人類(lèi)活動(dòng)范圍的擴(kuò)大，人類(lèi)的蹤跡越來(lái)越多的出現(xiàn)在高低起伏的山地，溝壑縱橫的高原，甚至未知的地外行星，普通的輪式機(jī)器人和履帶式機(jī)器人無(wú)法很好的在這些地形上運(yùn)動(dòng)。

隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，促使有著復(fù)雜控制結(jié)構(gòu)的足式機(jī)器人越來(lái)越多的出現(xiàn)在人們的視野中。足式機(jī)器人的出現(xiàn)起源于對(duì)自然界動(dòng)物的仿生學(xué)研究，以其對(duì)地形的高適應(yīng)性和運(yùn)動(dòng)的靈巧性而備受關(guān)注和青睞。足式機(jī)器人幾乎可以運(yùn)動(dòng)在各種復(fù)雜的地形上并完成運(yùn)動(dòng)作業(yè)，特別是被廣泛應(yīng)用在廢墟探索，管道巡檢，森林搜救，邊防巡邏及星際探索等方面。

足式機(jī)器人是依靠與地面等支撐結(jié)構(gòu)相接觸的足端的反作用力來(lái)推動(dòng)身體前進(jìn)，通過(guò)各個(gè)腿足結(jié)構(gòu)有規(guī)律的交替動(dòng)作來(lái)完成整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程。人們從仿生學(xué)角度結(jié)合所設(shè)計(jì)的機(jī)器人結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研發(fā)出各種適用于不同足數(shù)的機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)步態(tài)，這使足式機(jī)器人腿足結(jié)構(gòu)的交替時(shí)序有了保障。目前足式機(jī)器人的研究多集中在步態(tài)規(guī)劃上，針對(duì)足端軌跡的規(guī)劃方法并不多。然而，足式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的另一個(gè)核心為機(jī)器人的足端軌跡規(guī)劃，因?yàn)檎亲愣说姆醋饔昧闄C(jī)器人提供運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力，足端軌跡規(guī)劃將直接影響著機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。足端軌跡規(guī)劃的實(shí)質(zhì)是通過(guò)對(duì)單腿足結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，在空間中求解出一條連續(xù)閉合的曲線，這條曲線就是足式機(jī)器人足端的軌跡。

目前的足端軌跡規(guī)劃方法在空間軌跡規(guī)劃上并未從實(shí)際腿足機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)去考慮，現(xiàn)有規(guī)劃方法所規(guī)劃出的軌跡有些在機(jī)器人落足時(shí)為直線轉(zhuǎn)折，有些軌跡采用支撐軌跡為地面直線，擺動(dòng)軌跡為兩段直線加一段拋物線，其所形成的軌跡圖的各曲線交界節(jié)點(diǎn)都未考慮到關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)速度，這些現(xiàn)有方法規(guī)劃出的軌跡會(huì)導(dǎo)致在將軌跡曲線通過(guò)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解算到關(guān)節(jié)空間后，關(guān)節(jié)變化的速度會(huì)有一個(gè)較大的突變，速度的突變意味著短時(shí)力矩的突變，這可能影響關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)元件(如舵機(jī))的壽命。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種足式機(jī)器人足端軌跡規(guī)劃方法、系統(tǒng)及控制方法、系統(tǒng)，在考慮實(shí)際腿足結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的前提下對(duì)足端軌跡進(jìn)行規(guī)劃，有效降低作為關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)原件的損耗，使腿足結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)更加平滑。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：

第一方面，本發(fā)明用于提供一種足式機(jī)器人足端軌跡規(guī)劃方法，對(duì)單只腿足結(jié)構(gòu)在單個(gè)周期內(nèi)的足端軌跡進(jìn)行規(guī)劃，所述規(guī)劃方法包括：

1)對(duì)支撐階段的足端軌跡進(jìn)行規(guī)劃：

采用帶有拋物線過(guò)渡的線性函數(shù)對(duì)軌跡進(jìn)行插值，得到支撐階段的軌跡參數(shù)方程；

根據(jù)所述軌跡參數(shù)方程計(jì)算所述單只腿足結(jié)構(gòu)的各關(guān)節(jié)在支撐階段的第一關(guān)節(jié)角函數(shù)；

2)對(duì)擺動(dòng)階段的足端軌跡進(jìn)行規(guī)劃：

采用多項(xiàng)式插值的方法對(duì)關(guān)節(jié)角變化量進(jìn)行插值，得到關(guān)節(jié)角變化量插值函數(shù)；

根據(jù)所述第一關(guān)節(jié)角函數(shù)和所述關(guān)節(jié)角變化量插值函數(shù)計(jì)算所述單只腿足結(jié)構(gòu)的各關(guān)節(jié)在擺動(dòng)階段的第二關(guān)節(jié)角函數(shù)；

所述第一關(guān)節(jié)角函數(shù)和所述第二關(guān)節(jié)角函數(shù)即為單個(gè)周期內(nèi)的足端軌跡在關(guān)節(jié)空間的表示。