CN101408435A - 仿人机器人脚踝的运动规划方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了仿人机器人脚踝的运动规划方法和装置，属于仿人机器人运动规划技术领域。该方法包括：将仿人机器人非支撑脚的脚踝在单脚支撑期的轨迹规划分为第一阶段和第二阶段；设置第一阶段的落脚高度和第二阶段的起脚高度为P。该装置包括：阶段划分模块，用于将仿人机器人非支撑脚的脚踝在单脚支撑期的轨迹规划分为第一阶段和第二阶段；设置模块，用于设置第一阶段的落脚高度和第二阶段的起脚高度为P。其中P＝L+F，L为脚踝与脚面的距离，F为脚踝离地高度补偿量，且L＞0，F＞0。本发明通过将单脚支撑期时非支撑脚轨迹规划分成两个阶段，减小了仿人机器人在动作表演过程中脚面着地瞬间地面对机器人脚面的反作用力，增加了仿人型机器人脚面着地的柔性，提高了稳定性。

Description

仿人机器人脚踝的运动规划方法和装置

技术领域

本发明涉及仿人机器人运动规划技术领域，特别涉及仿人机器人脚踝的运动规划方法和装置。

背景技术

仿人机器人的运动规划是仿人机器人研究中非常重要的一个领域。仿人机器人的动作表演，是通过分布在仿人机器人各个关节上的电机转动来实现的。每个关节电机的个数代表了该关节上自由度的数目。每个电机在各个时刻是怎样转动的，是在仿人机器人动作表演之前由运动规划给出的。目前，仿人机器人运动规划的方法主要是基于零力矩点(ZMP，ZeroMoment Point)稳定性原理来进行的，方法是先根据地面环境设定足部踝关节的轨迹，在可变参数的有效范围内找出具有最大稳定裕度的躯干轨迹作为最后的规划结果。可见，足部轨迹的规划起到相当重要的基础作用。其中，ZMP是指仿人机器人所受的地面反作用力合力的中心点。当仿人机器人实际的ZMP落在仿人机器人脚面(单脚或双脚)与地面接触所围成的多边形区域内时，仿人机器人可稳定不倒，如图1所示。

人类在步行过程中分为单脚支撑期和双脚支撑期，双脚支撑时两只脚(支撑脚)相对地面位置不变；单脚支撑时一只脚(支撑脚)相对于地面位置固定，而另一支脚(非支撑脚)相对于支撑脚从后面迈至前面，所迈的长度称为步长，单脚支撑期和双脚支撑期时间的总和称为步行周期。人类的步行就是不断循环这两个时期的周期性运动。针对这种特点，目前大多数仿人机器人足部轨迹的规划一般是首先确定步行过程中几个相关的参数，如步长，步行周期，抬脚高度，双脚支撑时间比等，再通过插补的算法就可以分别得到仿人机器人步行时两个踝关节在单脚支撑期和双脚支撑期的平滑的运动轨迹。现有技术在规划仿人机器人单脚支撑期非支撑脚的脚踝轨迹时，将插补运算中几个关键参数按照如下方法设置：即脚面的起脚高度和落脚高度都设置为零，中间高度设置为抬脚高度。然后通过插补运算得到非支撑脚的踝关节在整个抬脚到着地过程中平滑的轨迹曲线。

在对现有技术进行分析后，发明人发现：在机器人实际步行的过程中，由于机械柔性(机械结构因受外力作用产生的变形)和伺服柔性(控制误差)的存在，仿人机器人的非支撑脚在向前迈步的过程中会提前着地。如果按照现有的规划方法，当仿人机器人的非支撑脚提前着地时，会以一定的速度冲到地面，地面则会给它一个反作用力，这样势必影响机器人着地过程的稳定性。

发明内容

为了实现仿人机器人在步行过程中下肢的柔性着地，增加其在进行动作表演等作业行为时着地的稳定性，本发明实施例提供了仿人机器人脚踝的运动规划方法和装置。所述技术方案如下：

仿人机器人脚踝的运动规划方法，包括以下步骤：

将仿人机器人非支撑脚的脚踝在单脚支撑期的轨迹规划分为第一阶段和第二阶段；

设置第一阶段的落脚高度和第二阶段的起脚高度为P，其中P＝L+F，L为脚踝与脚面的距离，F为脚踝离地高度补偿量，且L＞0，F＞0。

进一步地，所述设置第一阶段的落脚高度和第二阶段的起脚高度为P的步骤还包括：

设置所述的第一阶段的中间高度为H，所述的第二阶段的中间高度为L+F/2，其中H＞P。

设置第一阶段的脚踝轨迹曲线f₁(x)在第一阶段的起脚点和落脚点的一次导数为0。

设置第二阶段的脚踝轨迹曲线f₂(x)在第二阶段的起脚点和落脚点的一次导数为0。

仿人机器人脚踝的运动规划装置，包括：

阶段划分模块，用于将仿人机器人非支撑脚的脚踝在单脚支撑期的轨迹规划分为第一阶段和第二阶段；

设置模块，用于设置第一阶段的落脚高度和第二阶段的起脚高度为P，其中P＝L+F，L为脚踝与脚面的距离，F为脚踝离地高度补偿量，且L＞0，F＞0。

进一步地，所述设置模块还包括：

中间高度设置单元，用于设置所述的第一阶段的中间高度为H，所述的第二阶段的中间高度为L+F/2，其中H＞P。

第一导数设置单元，用于设置第一阶段的脚踝轨迹曲线f₁(x)在第一阶段的起脚点和落脚点的一次导数为0。

第二导数设置单元，用于设置第二阶段的脚踝轨迹曲线f₂(x)在第二阶段的起脚点和落脚点的一次导数为0。

本发明实施例提供的技术方案的有益效果是：

通过将单脚支撑期时非支撑脚轨迹规划分成两个阶段，减小了仿人机器人在动作表演过程中脚面着地瞬间地面对机器人脚面的反作用力，增加了仿人型机器人脚面着地的柔性，提高了稳定性。

附图说明

图1是现有技术仿人机器人脚面(单脚或双脚)与地面接触所围成的多边形区域示意图；

图2是本发明实施例的仿人机器人着地时脚踝高度补偿的运动规划方法流程图；

图3是本发明实施例的仿人机器人非支撑脚的脚踝在单脚支撑期的规划轨迹；

图4是本发明实施例的仿人机器人采用脚踝高度补偿的运动规划方法以后实际规划出来的踝关节高度值曲线；

图5是本发明实施例仿人机器人脚踝高度补偿的运动规划装置示意图；

图6是本发明实施例的设置模块示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例一

本发明实施例提供了一种仿人机器人脚踝的运动规划方法，如图2所示，包括以下步骤：

210：将仿人机器人非支撑脚的脚踝在单脚支撑期的轨迹规划分为第一阶段和第二阶段。

在上述每个阶段中，都分别包含三个关键点：起脚点、中间点、落脚点，仿人机器人非支撑脚的脚踝在单脚支撑期的轨迹规划就建立在对以上三个关键点的规划上。

220：设置第一阶段的落脚高度和第二阶段的起脚高度为P，其中P＝L+F，L为脚踝与脚面的距离，F为脚踝离地高度补偿量，且L＞0，F＞0。

将第一阶段的落脚高度和第二阶段的起脚高度值设置为同一个数值P，即第一阶段的终点是第二阶段的起点。L为脚踝高度(脚踝与脚面的距离)，这个数值是已知常数，由仿人机器人的具体形状而定。在本实施例中，仿人机器人身高一米六，体重75公斤，脚踝与脚面的距离L为12.6厘米。F为脚踝离地高度补偿量，它需要设置为一个不为0的正实数。具体地，在本实施例中，设置为5毫米。因此，本实施例中P为13.1厘米。这里需要说明的是，依据实验效果或仿人机器人的具体形状，脚踝离地高度补偿量还可以设置为其它适宜的数值。这其中，第一阶段脚面的起脚高度和第二阶段脚面的落脚高度都设置为零。也即单脚支撑期的非支撑脚的脚踝的轨迹规划在第一阶段的起脚点和第二阶段的落脚点的高度，设置为脚踝高度。

进一步地，设置第一阶段的中间高度为抬脚高度与脚踝高度之和，在本实施例中抬脚高度设置为10厘米，也即第一阶段的中间高度为22.6厘米。这里，抬脚高度指第一阶段脚面抬起的最高高度。设置第二阶段的中间高度为第二阶段的起脚高度和第二阶段的落脚高度的平均值L+F/2，即12.85厘米。

这样，就确定了仿人机器人非支撑脚的脚踝在单脚支撑期的轨迹中几个重要的参数，即：第一阶段的起脚高度(点A的高度)、中间高度(点D的高度)、落脚高度(点B的高度)以及第二阶段的起脚高度(点B的高度)、中间高度(点E的高度)、落脚高度(点C的高度)，参见图3。再通过插补的方法就可以分别得到仿人机器人步行时踝关节在单脚支撑期的平滑的运动轨迹。插补的方法有很多，比如三次样条插值方法、埃尔米特(Hermite)插值方法、分段插值方法等，本实施例采用的是三次样条插值方法，该插值方法每一阶段轨迹至少需要3个关键参数：起脚高度、中间高度与落脚高度，然后令每一阶段的起脚点和落脚点的一次导数为0。即：设置第一阶段的脚踝轨迹曲线f₁(x)在第一阶段的起脚点和落脚点的一次导数为0，以及设置第二阶段的脚踝轨迹曲线f₂(x)在第二阶段的起脚点和落脚点的一次导数为0。其中，f₁(x)为第一阶段的脚踝轨迹曲线函数，f₂(x)为第二阶段的脚踝轨迹曲线函数。这样就可以得到仿人机器人步行时踝关节在单脚支撑期的平滑的运动轨迹，如图4所示。

本实施例仿人机器人非支撑脚的脚踝在单脚支撑期每一段的轨迹都设置了上述三个参数——起脚高度、中间高度、落脚高度，也可以设置更多的参数，比如设置五个参数：起脚高度、第一中间高度、第二中间高度、第三中间高度和落脚高度。

本发明实施例通过将单脚支撑期时非支撑脚轨迹规划分成两个阶段，减小了仿人机器人在动作表演过程中脚面着地瞬间地面对机器人脚面的反作用力，增加了仿人型机器人脚面着地的柔性，提高了稳定性。

实施例二

本发明实施例提供了一种仿人机器人脚踝的运动规划装置，如图5所示，包括：

阶段划分模块501，用于将仿人机器人非支撑脚的脚踝在单脚支撑期的轨迹规划分为第一阶段和第二阶段。

设置模块502，用于设置第一阶段的落脚高度和第二阶段的起脚高度为P，其中P＝L+F，L为脚踝与脚面的距离，F为脚踝离地高度补偿量，且L＞0，F＞0。

设置模块502将第一阶段的落脚高度和第二阶段的起脚高度值设置为同一个数值P，即L为脚踝与脚面的距离，F为脚踝离地高度补偿量，且L＞0，F＞0。

设置模块502将第一阶段的落脚高度和第二阶段的起脚高度值设置为同一个数值P，即第一阶段的终点是第二阶段的起点。L为脚踝高度(脚踝与脚面的距离)，这个数值是已知常数，由仿人机器人的具体形状而定。在本实施例中，仿人机器人身高一米六，体重75公斤，脚踝与脚面的距离L为12.6厘米。F为脚踝离地高度补偿量，它需要设置为一个不为0的正实数。具体地，在本实施例中，设置为5毫米。因此，本实施例中P为13.1厘米。这里需要说明的是，依据实验效果或仿人机器人的具体形状，脚踝离地高度补偿量还可以设置为其它适宜的数值。这其中，第一阶段脚面的起脚高度和第二阶段脚面的落脚高度都设置为零。也即单脚支撑期的非支撑脚的脚踝的轨迹规划在第一阶段的起脚点和第二阶段的落脚点的高度，设置为脚踝高度。

进一步地，如图6所示，设置模块502还包括：

中间高度设置单元601，用于设置所述的第一阶段的中间高度为H，所述的第二阶段的中间高度为L+F/2，其中H＞P。

第一导数设置单元602，用于设置第一阶段的脚踝轨迹曲线f₁(x)在第一阶段的起脚点和落脚点的一次导数为0。

第二导数设置单元603，用于设置第二阶段的脚踝轨迹曲线f₂(x)在第二阶段的起脚点和落脚点的一次导数为0。

中间高度设置单元601设置第一阶段的中间高度H为抬脚高度与脚踝高度之和，在本实施例中抬脚高度设置为10厘米，也即第一阶段的中间高度为22.6厘米。这里，抬脚高度指第一阶段脚面抬起的最高高度。设置第二阶段的中间高度为第二阶段的起脚高度和第二阶段的落脚高度的平均值L+F/2，即12.85厘米。

这样，就确定了仿人机器人非支撑脚的脚踝在单脚支撑期的轨迹中几个重要的参数，即：第一阶段的起脚高度(点A的高度)、中间高度(点D的高度)、落脚高度(点B的高度)以及第二阶段的起脚高度(点B的高度)、中间高度(点E的高度)、落脚高度(点C的高度)，参见图3。再通过插补的方法就可以分别得到仿人机器人步行时踝关节在单脚支撑期的平滑的运动轨迹。插补的方法有很多，比如三次样条插值方法、埃尔米特(Hermite)插值方法、分段插值方法等，本实施例采用的是三次样条插值方法，该插值方法每一阶段轨迹至少需要3个关键参数：起脚高度、中间高度与落脚高度，然后令每一阶段的起脚点和落脚点的一次导数为0。第一导数设置单元602设置第一阶段的脚踝轨迹曲线f₁(x)在第一阶段的起脚点和落脚点的一次导数为0，第二导数设置单元603设置第二阶段的脚踝轨迹曲线f₂(x)在第二阶段的起脚点和落脚点的一次导数为0。其中，f₁(x)为第一阶段的脚踝轨迹曲线函数，f₂(x)为第二阶段的脚踝轨迹曲线函数。这样就可以得到仿人机器人步行时踝关节在单脚支撑期的平滑的运动轨迹，如图4所示。

本实施例设置模块502以及中间高度设置单元601在仿人机器人单脚支撑期脚踝每一段的轨迹都设置了上述三个参数——起脚高度、中间高度、落脚高度，也可以设置更多的参数，比如设置五个参数：起脚高度、第一中间高度、第二中间高度、第三中间高度和落脚高度。

通过将单脚支撑期时非支撑脚轨迹规划分成两个阶段，减小了仿人机器人在动作表演过程中脚面着地瞬间地面对机器人脚面的反作用力，增加了仿人型机器人脚面着地的柔性，提高了稳定性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种仿人机器人脚踝的运动规划方法，其特征在于，包括以下步骤：

将仿人机器人非支撑脚的脚踝在单脚支撑期的轨迹规划分为第一阶段和第二阶段；

设置第一阶段的落脚高度和第二阶段的起脚高度为P，其中P＝L+F，L为脚踝与脚面的距离，F为脚踝离地高度补偿量，且L＞0，F＞0。

2.根据权利要求1所述的仿人机器人脚踝的运动规划方法，其特征在于，所述设置第一阶段的落脚高度和第二阶段的起脚高度为P的步骤还包括：

设置所述的第一阶段的中间高度为H，所述的第二阶段的中间高度为L+F/2，其中H＞P。

3.根据权利要求1所述的仿人机器人脚踝的运动规划方法，其特征在于，所述设置第一阶段的落脚高度和第二阶段的起脚高度为P的步骤还包括：

设置第一阶段的脚踝轨迹曲线f₁(x)在第一阶段的起脚点和落脚点的一次导数为0。

4.根据权利要求1所述的仿人机器人脚踝的运动规划方法，其特征在于，所述设置第一阶段的落脚高度和第二阶段的起脚高度为P的步骤还包括：

设置第二阶段的脚踝轨迹曲线f₂(x)在第二阶段的起脚点和落脚点的一次导数为0。

5.一种仿人机器人脚踝的运动规划装置，其特征在于，包括：

阶段划分模块，用于将仿人机器人非支撑脚的脚踝在单脚支撑期的轨迹规划分为第一阶段和第二阶段；

设置模块，用于设置第一阶段的落脚高度和第二阶段的起脚高度为P，其中P＝L+F，L为脚踝与脚面的距离，F为脚踝离地高度补偿量，且L＞0，F＞0。

6.根据权利要求5所述的仿人机器人脚踝的运动规划装置，其特征在于，所述设置模块还包括：

中间高度设置单元，用于设置所述的第一阶段的中间高度为H，所述的第二阶段的中间高度为L+F/2，其中H＞P。

7.根据权利要求5所述的仿人机器人脚踝的运动规划装置，其特征在于，所述设置模块还包括：

第一导数设置单元，用于设置第一阶段的脚踝轨迹曲线f₁(x)在第一阶段的起脚点和落脚点的一次导数为0。

8.根据权利要求5所述的仿人机器人脚踝的运动规划装置，其特征在于，所述设置模块还包括：

第二导数设置单元，用于设置第二阶段的脚踝轨迹曲线f₂(x)在第二阶段的起脚点和落脚点的一次导数为0。

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