CN104765372B - 一种多足机器人保持直线平动的步态规划方法 - Google Patents
一种多足机器人保持直线平动的步态规划方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种多足机器人保持直线平动的步态规划方法，它主要是解决现有的步态规划易导致机身颠簸等技术问题。其技术方案要点是：机器人其中一条对角线上的两条腿向前移动距离S，该腿单次向后回转dγ，其他腿机身垂直，单次向前正转dγ，循环此过程，直至向前运动单位距离(γ＝γmax)的腿变换成与机身垂直的状态(γ＝0)，以及与机身垂直的所有腿变换成向后运动单位距离的状态(γ＝‑γmax)，将旋转至‑γ角的所有腿向前运动两个单位距离(即旋转至γ角)，完成一个周期运动，然后进行周期循环。它主要是用于多足机器人保持直线平动的步态规划。
Description
技术领域
本发明涉及一种多足机器人保持直线平动的步态规划方法。
背景技术
目前，机器人的行走步态决定了机器人的性能、稳定性、工作范围等。如果机器人步态规划不当，则会无法实现预期的功能。目前，多足机器人在步态规划上有许多种方法，例如仿小狗的步态、仿乌龟的步态、单步平动步态等。但是，这些步态大多存在一些问题，例如仿小狗步态的机器人，在行走过程中机身会以四足的对角线为轴发生往复旋转，导致机身颠簸；仿乌龟步态的机器人，机身会以垂直机身向上的方向为轴发生往复旋转；单步平动步态虽然不会发生旋转，但是机身会上下颠簸等等。综合上面的例子可以看出，现有的各种步态规划方法，都在机器人机身发生直线平动的时候还会产生其他附加运动，这些附加运动就会影响机器人的性能。例如，在机器人的机身装上摄像头，拍摄前面的画面，如果机器人的运动除了直线平动以外还带有其他附加运动，会导致摄像头颠簸，造成画面模糊等问题出现。综上所述，现有的多种步态，都难以解决机器人运动过程中无用附加运动对多足机器人的运动造成的影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种让多足机器人在前进过程中，机身只发生直线平动，而不会产生其他附加运动的多足机器人保持直线平动的步态规划方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：所述的步态规划方法具有周期性，在每个运动周期中机器人直线平动单位距离，具体步骤如下：
步骤一：先给定h、l0常数；其中：l0为水平面上机器人每条腿的着地点与机身中心之间的距离，h为着地点与机身间的垂直高度；
步骤二：将机器人其中一条对角线上的两条腿向前移动单位距离S，其中，γ为投影l与l0之间的锐角夹角，l为同一只脚上a、b、c在水平面上的投影总长，a为横臂2长度，b为斜臂3长度，c为竖臂4长度，γmax为γ的最大值；
S＝l0tanγmax—————————(1)
当γ＝γmax，其他两条腿与机身垂直，即γ＝0，同时保证每条腿的着地点与机身的垂直高度为常量h和水平面上机器人每条腿的着地点与机身中心之间的距离为常量l0，即每个时刻有如下关系：
bsinα+csin(α+β)＝h—————(2)
bcosα+ccos(α+β)＝lc—————(3)
其中，lc为一只脚上斜臂与竖臂在水平面上的投影，即lc＝l-a；β为斜臂延长线与竖臂的夹角，α为横臂延长线与斜臂的夹角；
步骤三：机器人开始直线平动，步骤二中向前迈出γ角度的腿单次向后回转dγ，同时步骤二中与机身垂直的所有腿单次向前正转dγ，循环此过程，直至步骤二中向前运动单位距离S，即γ＝γmax的腿变换成与机身垂直的状态，即γ＝0，以及步骤二中与机身垂直的所有腿变换成向后运动单位距离的状态，即γ＝-γmax，在此过程中随自变量γi的变化获得其他两个关节的角度：
将每个时刻的瞬时值γi、βi、αi进行误差判断，将超过最大误差允许范围的数据组剔除，并将符合要求的数据组输入给对应的关节；
步骤四：将步骤三中旋转至-γ角的所有腿向前运动两个单位距离S，即即旋转至γ角；
步骤五：单次循环完整，进入下一个周期。
在以上机器人步态规划过程中的任意时刻有以下关系存在：
γrf＝γlb；γlf＝γrb＝γmax-γlf———————(6)
机器人直线平动轨迹：
其中，γlf：机器人左前方脚对应的γ角；γrf：机器人右前方脚对应的γ角；
γlb：机器人左后方脚对应的γ角；γrb：机器人右后方脚对应的γ角；
综上所述，在单次直线平动过程中由式(6)(7)得到γrf，γlb，γlf，γrb，再由式(4)(5)确定每条腿的α、β，并由误差分析剔除超出误差范围的数据组，由此得到该时刻，保持机身直线平动所需要的所有关节的转动角度。
根据多足机器人直线平动运动的判据来判断得到的步态轨迹数据是否在实际误差允许以内，并将超出误差范围的数据剔除，其中，以垂直机身向上为Z轴方向，以水平面上垂直机器人前进方向向右为X轴方向，Z轴与X轴方向允许误差分别为εz、εx；
所述误差判断依据为：任意机器人运动的时刻，机身除直线平动方向以外的其它方向的位移偏移量为零，由此获得Z轴与X轴当前数据下的误差：
zzmp＝bsiα+csin(β+α)-n—————(8)
xzmp＝(bcosα+ccos(β+α)+a)cosγ-l0——(9)
如果|Zzmp|≤εz且|Xzmp|≤εx则所得数据在误差允许范围内，并将其输入到机器人中，完成相应步态调整；如果|Zzmp|≤εz、|Xzmp|≤εx有任意一个不成立则获得数据超过误差范围，并将其剔除以确保步态平稳。
本发明的有益效果是：保证机身只发生直线平动运动，最大限度消除其他方向附带运动，避免机身颠簸。
附图说明
图1是每腿三自由度的四足机器人的结构示意图。
图2是图1的主视图。
图3是图1的俯视图。
图4是图1的侧视图。
图5是机器人运动规划中的主要参数示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
本发明由于涉及到所有腿的数量为2n(n＝2,3,4…)的机器人，以下实施方案以常见的每腿三自由度的四足机器人为例进行描述。其他符合要求的机器人均可按照本方案实施。
这种多足机器人包括机身、四条机械腿，每条腿包括横臂2、斜臂3、竖臂4。在图1中，机身1与每条腿的横臂2相连，横臂2水平放置，可绕以竖直向上方向为轴转动；每条腿横臂2另一端与斜臂3的一端相连，可绕以两臂形成的平面的垂直方向为轴转动；每条腿的斜臂3另一端与竖臂4的上端相连，可绕以两臂形成平面的垂直方向为轴转动；竖臂4的下端接触地面，横臂2、斜臂3、竖臂4分别由其对应的关节电池驱动。
该步态规划以上述机器人模型为基础实现。
由图1、图5所示，涉及到的变量有：
a：横臂；b：斜臂；c：竖臂；
l：同一只脚上a、b、c在水平面上的投影总长；
l0：投影l的最短总长(此时l0与机身垂直)；
S:机器人单次平动的距离；
lc：一只脚上斜臂b与竖臂c在水平面上的投影,即lc＝l-a；
Δl：投影l的最长投影与l0之差；
h：腿着地点与机身见得高度，即横臂a、斜臂b、竖臂c在垂直方向的总高度(横臂的垂直高度为零)；
β：斜臂延长线与竖臂的夹角；
α：横臂延长线与斜臂的夹角；
γ：投影与L最短投影l0之间的锐角夹角；
γlf：机器人左前方脚对应的γ角；
γrf：机器人右前方脚对应的γ角；
γlb：机器人左后方脚对应的γ角；
γrb：机器人右后方脚对应的γ角；
γmax：γ最大值。
一、运行过程
一种保持直线平动的多足机器人步态规划方法所述的步态规划方法具有周期性，在每隔运动周期中机器人直线平动单位距离，具体步骤如下：
(1).机器人每条腿的着地点与机身的垂直距离l0，以及着地点与机身间的垂直高度h是常数。因此先给定h、l0常数。
(2).将机器人其中一条对角线上的两条腿向前移动单位距离
S＝l0tanγmax—————————(1)
当γ＝γmax，其他两条腿与机身垂直，即γ＝0，同时保证每条腿的着地点与机身的垂直高度为常量h和水平面上机器人每条腿的着地点与机身中心之间的距离为常量l0。即每个时刻有如下关系：
bsinα+csin(α+β)＝h—————(2)
bcosα+ccos(α+β)＝lc—————(3)
(3).机器人开始直线平动，(2)中向前迈出γ角度的腿单次向后回转dγ，同时(2)中向与机身垂直的所有腿单次向前正转dγ。循环此过程，直至(2)中向前运动单位距离，即γ＝γmax的腿变换成与机身垂直的状态，即γ＝0，以及(2)中与机身垂直的所有腿变换成向后运动单位距离的状态即γ＝-γmax。在此过程中随自变量γi的变化获得其他两个关节的角度：
将每个时刻的瞬时值γi、βi、αi进行误差判断，将超过最大误差允许范围的数据组剔除，并将符合要求的数据组输入给对应的关节；
(4).将(3)中旋转至-γ角的所有腿向前运动两个单位距离S，即旋转至γ角；
(5).单次循环完整，进入下一个周期。
在以上机器人步态规划过程中的任意时刻有以下关系存在：
γrf＝γlb；γlf＝γrb＝γmax-γlf———————(6)
机器人直线平动轨迹：
综上所述，在单次直线平动过程中由式(6)(7)得到γrf，γlb，γlf，γrb。再由式(4)(5)确定每条腿的α、β，并由误差分析剔除超出误差范围的数据组。由此得到该时刻，保持机身直线平动所需要的所有关节的转动角度。
二、误差判断
根据多足机器人直线平动运动的判据来判断得到的步态轨迹数据是否在实际误差允许以内，并将超出误差范围的数据剔除。(以垂直机身向上为Z轴方向，以水平面上垂直机器人前进方向向右为X轴方向，Z轴与X轴方向允许误差分别为εz、εx)。
所述误差判断依据为：任意机器人运动的时刻，机身除直线平动方向以外的其它方向的位移偏移量为零。由此获得Z轴与X轴当前数据下的误差：
zzmp＝bsinα+csin(β+α)-h—————(8)
xzmp＝(bcosα+ccos(β+α)+a)cosγ-l0——(9)
如果|Zzmp|≤εz且|Xzmp|≤εx则所得数据在误差允许范围内，并将其输入到机器人中，完成相应步态调整；如果|Zzmp|≤εz、|Xzmp|≤εx有任意一个不成立则获得数据超过误差范围，并将其剔除以确保步态平稳。
Claims (3)
1.一种多足机器人保持直线平动的步态规划方法，其特征是：所述的步态规划方法具有周期性，在每个运动周期中机器人直线平动单位距离，具体步骤如下：
步骤一：先给定h、l0常数；其中：l0为水平面上机器人每条腿的着地点与机身中心之间的距离，h为着地点与机身间的垂直高度；
步骤二：将机器人其中一条对角线上的两条腿向前移动单位距离S，其中，γ为投影l与l0之间的锐角夹角，l为同一只脚上a、b、c在水平面上的投影总长，a为横臂长度，b为斜臂长度，c为竖臂长度，γmax为γ的最大值；
S＝l0tanγmax—————————(1)
当γ＝γmax，其他两条腿与机身垂直，即γ＝0，同时保证每条腿的着地点与机身的垂直高度为常量h和水平面上机器人每条腿的着地点与机身中心之间的距离为常量l0，即每个时刻有如下关系：
bsinα+csin(α+β)＝h—————(2)
bcosα+ccos(α+β)＝lc—————(3)
其中，lc为一只脚上斜臂b与竖臂c在水平面上的投影,即lc＝l-a；β为斜臂延长线与竖臂的夹角，α为横臂延长线与斜臂的夹角；
步骤三：机器人开始直线平动，步骤二中向前迈出γ角度的腿单次向后回转dγ，同时步骤二中与机身垂直的所有腿单次向前正转dγ，循环此过程，直至步骤二中向前运动单位距离S，即γ＝γmax的腿变换成与机身垂直的状态，即γ＝0，以及步骤二中与机身垂直的所有腿变换成向后运动单位距离的状态，即γ＝-γmax，在此过程中随自变量γi的变化获得其他两个关节的角度：
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将每个时刻的瞬时值γi、βi、αi进行误差判断,将超过最大误差允许范围的数据组剔除，并将符合要求的数据组输入给对应的关节；
步骤四：将步骤三中旋转至-γ角的所有腿向前运动两个单位距离S，即旋转至γ角；
步骤五：单次循环完整，进入下一个周期。
2.根据权利要求1所述的多足机器人保持直线平动的步态规划方法，其特征是：在以上机器人步态规划过程中的任意时刻有以下关系存在：
γrf＝γlb；γlf＝γrb＝γmax-γlf———————(6)
机器人直线平动轨迹：
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其中，γlf：机器人左前方脚对应的γ角；γrf：机器人右前方脚对应的γ角；
γlb：机器人左后方脚对应的γ角；γrb：机器人右后方脚对应的γ角；
综上所述，在单次直线平动过程中由式(6)(7)得到γrf，γlb，γlf，γrb，再由式(4)(5)确定每条腿的α、β，并由误差分析剔除超出误差范围的数据组，由此得到当前时刻保持机身直线平动所需要的所有关节的转动角度。
3.根据权利要求1或2所述的多足机器人保持直线平动的步态规划方法，其特征是：根据多足机器人直线平动运动的判据来判断得到的步态轨迹数据是否在实际误差允许以内，并将超出误差范围的数据剔除，其中，以垂直机身向上为Z轴方向，以水平面上垂直机器人前进方向向右为X轴方向，Z轴与X轴方向允许误差分别为εz、εx；
所述误差判断的依据为：任意机器人运动的时刻，机身除直线平动方向以外的其它方向的位移偏移量为零，由此获得Z轴与X轴当前数据下的误差：
zzmp＝bsinα+csin(β+α)-h—————(8)
xzmp＝(bcosα+ccos(β+α)+a)cosγ-l0——(9)
如果|Zzmp|≤εz且|Xzmp|≤εx则所得数据在误差允许范围内，并将其输入到机器人中，完成相应步态调整；如果|Zzmp|≤εz、|Xzmp|≤εx有任意一个不成立则获得数据超过误差范围，并将其剔除以确保步态平稳。
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Granted publication date: 20171110 Termination date: 20200302 |