CN110850742B - 机器人的动步态仿真模型和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人的动步态仿真模型和方法，所述动步态仿真模型包括初始姿态调整模块、机身状态检测模块、原地踏步模块、侧向迈步模块和ADAMS交互模块，ADAMS交互模块分别与初始姿态调整模块、机身状态检测模块、原地踏步模块和侧向迈步模块相连，机身状态检测模块分别与初始姿态调整模块、原地踏步模块和侧向迈步模块相连。本发明可有效验证四足算法的可行性，从而能够降低四足算法的开发成本，提高四足算法的开发效率。

Description

机器人的动步态仿真模型和方法

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种机器人的动步态仿真模型和一种机器人的动步态仿真方法。

背景技术

四足仿生机器人具有很高的运动自主性，在复杂的非结构化环境下，只需少量的人工干预，便可独立自主实施各种运动，并能根据地形环境的变化，自主做出适当的调整，直观上具有了类似于四足动物或人一样的反应和应变能力。但在运动过程中，具体的动作指令几乎不可能靠人工实现，所以需要借助完全开发好的运动控制***生成相应的动作指令，才能满足不同地形条件下的需求。

若在研发初期，所有的***算法都上机实验，一方面由于样机可变因素较多，会降低算法开发进度；另一方面直接上机进行算法的验证极大程度上会导致样机损坏。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种机器人的动步态仿真模型，可有效验证四足算法的可行性，从而能够降低四足算法的开发成本，提高四足算法的开发效率。

本发明的第二个目的在于提出一种机器人的动步态仿真方法。

为达到上述目的，本发明第一方面实施例提出的机器人的动步态仿真模型包括初始姿态调整模块、机身状态检测模块、原地踏步模块、侧向迈步模块和ADAMS交互模块，所述ADAMS交互模块分别与所述初始姿态调整模块、所述机身状态检测模块、所述原地踏步模块和所述侧向迈步模块相连，所述机身状态检测模块分别与所述初始姿态调整模块、所述原地踏步模块和所述侧向迈步模块相连，其中，所述初始姿态调整模块用于获取初始零位和采集所述ADAMS交互模块中的初始参数，并根据所述初始零位和所述初始参数调整所述机器人的初始姿态；机身状态检测模块，所述机身状态检测模块用于在所述机器人的初始姿态调整完成后，采集所述ADAMS交互模块中的机身状态参数，并在根据所述机身状态参数判定所述机器人处于稳定状态时预测下一时刻所述机器人各机械臂所处的相位，以及在根据所述机身状态参数判定所述机器人受到侧向冲击时生成侧向迈步指令；原地踏步模块，所述原地踏步模块用于在所述机器人处于稳定状态时，将所述下一时刻所述机器人各机械臂所处的相位发送至所述ADAMS交互模块，以使所述ADAMS交互模块中的机器人模型进行原地踏步动作；侧向迈步模块，所述侧向迈步模块用于在所述机器人受到侧向冲击时，根据所述侧向迈步指令生成步态切换指令，并将所述步态切换指令发送至所述ADAMS交互模块，以使所述ADAMS交互模块中的机器人模型将原地踏步动作切换为侧向迈步动作。

根据本发明实施例的机器人的动步态仿真模型，通过初始姿态调整模块完成初始姿态的调整，并通过机身状态检测模块在机器人处于稳定状态时预测下一时刻各机械臂所处的相位，由原地踏步模块将所预测的相位发送至ADAMS交互模块，以使ADAMS交互模块中机器人模型进行原地踏步动作，以及通过机身状态检测模块在机器人受到侧向冲击时生成的侧向迈步指令，由侧向迈步模块将根据侧向迈步指令生成的步态切换指令传递到ADAMS交互模块，以使ADAMS交互模块中机器人模型将原地踏步动作切换为侧向迈步动作，由此，可有效验证四足算法的可行性，从而能够降低四足算法的开发成本，提高四足算法的开发效率。

另外，根据本发明上述实例提出的机器人的动步态仿真模型还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一个实施例，所述侧向迈步指令包括所述机器人各机械臂下一时刻的侧向迈步长度，其中，所述机身状态检测模块在所述ADAMS交互模块中的机器人模型进行原地踏步动作时，每间隔第一预设时间采集一次机身侧向速度，并发送至所述侧向迈步模块，所述侧向迈步模块根据所述机身侧向速度计算所述机器人各机械臂下一时刻的侧向迈步长度。

其中，将原地踏步动作切换为侧向迈步动作在第二预设时间内完成。

根据本发明的一个实施例，所述机器人为四足机器人。

为达到上述目的，本发明第二方面实施例提出的机器人的动步态仿真方法包括以下步骤：调整所述机器人的初始姿态；采集机身状态参数，并在根据所述机身状态参数判定所述机器人处于稳定状态时预测下一时刻所述机器人各机械臂所处的相位；根据所述下一时刻所述机器人各机械臂所处的相位控制机器人模型进行原地踏步动作；在根据所述机身状态参数判定所述机器人受到侧向冲击时生成侧向迈步指令；根据所述侧向迈步指令生成步态切换指令，并根据所述步态切换指令控制所述机器人模型将原地踏步动作切换为侧向迈步动作。

根据本发明实施例的机器人的动步态仿真方法，基于初始姿态参数和初始零位完成初始姿态的调整，基于采集的机身状态参数判断机器人的状态，在判断机器人处于稳定状态时预测下一时刻各机械臂所处的相位，来控制机器人进行原地踏步动作，以及在判断机器人受到侧向冲击时生成的侧向迈步指令和步态切换指令，来控制机器人模型将原地踏步动作切换为侧向迈步动作，由此，可有效验证四足算法的可行性，从而能够降低四足算法的开发成本，提高四足算法的开发效率。

另外，根据本发明上述实例提出的机器人的动步态仿真方法还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一个实施例，所述侧向迈步指令包括所述机器人各机械臂下一时刻的侧向迈步长度，其中，在所述机器人模型进行原地踏步动作时，每间隔第一预设时间采集一次机身侧向速度，并根据所述机身侧向速度计算所述机器人各机械臂下一时刻的侧向迈步长度。

根据本发明的一个实施例，其中，将原地踏步动作切换为侧向迈步动作在第二预设时间内完成。

根据本发明的一个实施例，所述机器人为四足机器人。

附图说明

图1为本发明实施例的机器人的动步态仿真模型的方框示意图；

图2为本发明一个具体实施例的机器人的动步态仿真模型仿真过程的示意图；

图3为本发明实施例的机器人的动步态仿真方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例的机器人的动步态仿真模型包括初始姿态调整模块10、机身状态检测模块20、原地踏步模块30、侧向迈步模块40和ADAMS交互模块50，其中，ADAMS交互模块50分别与初始姿态调整模块10、机身状态检测模块20、原地踏步模块30和侧向迈步模块40相连，机身状态检测模块20分别与初始姿态调整模块10、原地踏步模块30和侧向迈步模块40相连。

在本发明的一个实施例中，初始姿态调整模块10可用于获取初始零位和采集ADAMS交互模块50中的初始参数，并可根据初始零位和初始参数调整机器人的初始姿态。

进一步地，机身状态检测模块20可在机器人初始姿态调整完成后，采集ADAMS交互模块50中的机身状态参数，并可在根据机身状态参数判定机器人处于稳定状态时预测下一时刻机器人各机械臂所处的相位，以及可在根据机身状态参数判定机器人受到侧向冲击时生成侧向迈步指令。

其中，下一时刻机器人各机械臂所处的相位，具体可包括下一时刻机器人各机械臂的摆动相和支撑相。侧向迈步指令包括机器人各机械臂下一时刻的侧向迈步长度，其中，机身状态检测模块20在ADAMS交互模块50中的机器人模型进行原地踏步动作时，每间隔第一预设时间采集一次机身侧向速度，并发送至侧向迈步模块40，侧向迈步模块40可根据机身侧向速度计算机器人各机械臂下一时刻的侧向迈步长度。

在本发明的一个实施例中，原地踏步模块30可在机器人处于稳定状态时，将下一时刻机器人各机械臂所处的相位发送至ADAMS交互模块50，以使ADAMS交互模块50中的机器人模型进行原地踏步动作。

进一步地，侧向迈步模块40可在机器人受到侧向冲击时，根据侧向迈步指令生成步态切换指令，并将步态切换指令发送至ADAMS交互模块50，以使ADAMS交互模块50中的机器人模型将原地踏步动作切换为侧向迈步动作，其中，将原地踏步动作切换为侧向迈步动作可在第二预设时间内完成。

在本发明的一个具体实施例中，机器人可为四足机器人。

如图2所示，在一个四足机器人的动步态仿真模型仿真的过程中，初始姿态调整模块10在获取到运动初始零位以及从ADAMS交互模块50中采集到四足机器人初始姿态参数后，可在调整延时时间内完成四足机器人的初始姿态调整，并可在完成初始姿态调整后输出结束标志位，其中，调整延时时间为0.5秒。

接着，机身状态检测模块20在接收到结束标志位后，可瞬间完成ADAMS交互模块50中四足机器人模型的机身状态参数的采集。通过采集到的机身状态参数，可在判定四足机器人处于稳定状态时预测下一时刻机器人各机械臂所处的相位，同时输出相应的相位标志位，以及通过采集到的机身状态参数，可在判定四足机器人受到侧向冲击时输出侧向迈步标志位，即生成侧向迈步指令。其中，机身状态检测模块20可在四足机器人模型进行原地踏步动作时，每间隔第一预设时间，例如0.25秒，采集一次机身侧向速度，并发送至侧向迈步模块40，侧向迈步模块40可根据机身侧向速度计算四足机器人各机械臂下一时刻的侧向迈步长度。

然后，原地踏步模块30可在接收到相位标志位时，将机身状态检测模块20预测的下一时刻机器人各机械臂所处的相位，即上述相位标志位发送至ADAMS交互模块50，以使ADAMS交互模块50中的四足机器人模型进行原地踏步动作，以及侧向迈步模块40可在接收到侧向迈步标志位时，即机身状态检测模块20在四足机器人受到侧向冲击时生成的侧向迈步指令，根据侧向迈步指令生成步态切换指令，并将步态切换指令发送至ADAMS交互模块50，以使ADAMS交互模块50中的四足机器人模型将原地踏步动作切换为侧向迈步动作。其中，步态切换的总时间为半个周期的时间，例如0.25秒，如果原地踏步运行了0.13秒，则四足机器人可在第二预设时间，即0.12秒内，将机械臂侧向迈出。

根据本发明实施例的机器人的动步态仿真模型，通过初始姿态调整模块完成初始姿态的调整，并通过机身状态检测模块在机器人处于稳定状态时预测下一时刻各机械臂所处的相位，由原地踏步模块将所预测的相位发送至ADAMS交互模块，以使ADAMS交互模块中机器人模型进行原地踏步动作，以及通过机身状态检测模块在机器人受到侧向冲击时生成的侧向迈步指令，由侧向迈步模块将根据侧向迈步指令生成的步态切换指令传递到ADAMS交互模块，以使ADAMS交互模块中机器人模型将原地踏步动作切换为侧向迈步动作，由此，可有效验证四足算法的可行性，从而能够降低四足算法的开发成本，提高四足算法的开发效率。

对应上述实施例的机器人的动步态仿真模型，本发明还提出一种机器人的动步态仿真方法。

如图3所示，本发明实施例的机器人的动步态仿真方法包括以下步骤：

S1，调整机器人的初始姿态。

在本发明的一个实施例中，可通过采集ADAMS中机器人的初始姿态参数及运动过程的初始零位来调整机器人的初始姿态。

S2，采集机身状态参数，并在根据机身状态参数判定机器人处于稳定状态时预测下一时刻机器人各机械臂所处的相位。

进一步地，在机器人的初始姿态调整完成后，可采集ADAMS中机器人的机身状态参数，并在根据机身状态参数判定机器人处于稳定状态时预测下一时刻机器人各机械臂所处的相位，其中，下一时刻机器人各机械臂所处的相位，具体可包括下一时刻机器人各机械臂的摆动相和支撑相。

S3，根据下一时刻机器人各机械臂所处的相位控制机器人模型进行原地踏步动作。

进一步地，在完成机器人各机械臂所处的相位预测后，可将所预测的下一时刻机器人各机械臂所处的相位传递到ADAMS，以使ADAMS中的机器人模型进行原地踏步动作。

S4，在根据机身状态参数判定机器人受到侧向冲击时生成侧向迈步指令。

在本发明的一个实施例中，在机器人的初始姿态调整完成后，还可采集ADAMS中机器人的机身状态参数，在根据机身状态参数判定机器人受到侧向冲击时生成侧向迈步指令。

具体地，侧向迈步指令包括机器人各机械臂下一时刻的侧向迈步长度，其中，机器人在进行原地踏步动作时，每间隔第一预设时间采集一次机身侧向速度，并可根据机身侧向速度计算机器人各机械臂下一时刻的侧向迈步长度。

S5，根据侧向迈步指令生成步态切换指令，并根据步态切换指令控制机器人模型将原地踏步动作切换为侧向迈步动作。

进一步地，在机器人受到侧向冲击时，可根据已生成的侧向迈步指令来生成步态切换指令，并可将步态切换指令传递到ADAMS，以使ADAMS中的机器人模型将原地踏步动作切换为侧向迈步动作，其中，将原地踏步动作切换为侧向迈步动作可在第二预设时间内完成。

根据本发明实施例的机器人的动步态仿真方法，基于初始姿态参数和初始零位完成初始姿态的调整，基于采集的机身状态参数判断机器人的状态，在判断机器人处于稳定状态时预测下一时刻各机械臂所处的相位，来控制机器人进行原地踏步动作，以及在判断机器人受到侧向冲击时生成的侧向迈步指令和步态切换指令，来控制机器人模型将原地踏步动作切换为侧向迈步动作，由此，可有效验证四足算法的可行性，从而能够降低四足算法的开发成本，提高四足算法的开发效率。

在本发明的一个具体实施例中，机器人可为四足机器人。基于四足机器人动步态仿真模型的仿真方法包括以下步骤：

S101，采集ADAMS中四足机器人模型初始姿态的参数。

S102，初始姿态调整模块输入初始姿态以及运动过程的初始零位。

S103，经过一定的调整延时时间后初始姿态调整模块结束调整并向机身状态检测模块输出结束标志位。其中，调整延时时间为0.5秒。

S104，机身状态检测模块0.001秒采集ADAMS中四足机器人模型的机身状态参数。

S105，机身状态检测模块根据参数检测四足机器人模型是否处于机身稳定状态，并输出相应的机身状态标志位。

S106，机身状态检测模块根据仿真时间预测四足机器人模型各机械臂下一时刻所处的相位，并输出相应的相位标志位。

S107，原地踏步模块接收到各机械臂的相位标志位，反馈给ADAMS交互模块，使ADAMS中的四足机器人模型进行原地踏步动作。

S108，机身状态检测模块根据四足机器人模型是否受到侧向冲击，来决定是否输出侧向迈步标志位，若未输出侧向迈步标志位，则重复步骤S107，若输出侧向迈步标志位则进行步骤S109。侧向迈步算法具体为，每间隔第一预设时间，即每间隔0.25秒，采集一次机身侧向速度，将采集的侧向速度反馈给侧向迈步模块，该模块根据侧向速度计算机械臂下一步的侧向迈步长度。

S109，侧向迈步模块接收侧向迈步标志位进行步态切换，并反馈给ADAMS交互模块，使ADAMS中的四足机器人模型进行步态切换及侧向迈步动作。步态切换算法具体为，当机身状态检测模块输出侧向迈步标志位时，四足机器人模型立即停止原地踏步的步态，准备进行侧向迈步步态，步态切换的总时间为半个周期的时间，例如0.25秒，如果原地踏步运行了0.13秒，则四足机器人可在第二预设时间，即0.12秒内，将机械臂侧向迈出。

S110，重复步骤S108，若未输出侧向迈步标志位，则切换至步骤S107，若输出侧向迈步标志位，则重复步骤S109。

在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种机器人的动步态仿真模型，其特征在于，包括初始姿态调整模块、机身状态检测模块、原地踏步模块、侧向迈步模块和ADAMS交互模块，所述ADAMS交互模块分别与所述初始姿态调整模块、所述机身状态检测模块、所述原地踏步模块和所述侧向迈步模块相连，所述机身状态检测模块分别与所述初始姿态调整模块、所述原地踏步模块和所述侧向迈步模块相连，其中，

所述初始姿态调整模块用于获取初始零位和采集所述ADAMS交互模块中的初始参数，并根据所述初始零位和所述初始参数调整所述机器人的初始姿态；

机身状态检测模块，所述机身状态检测模块用于在所述机器人的初始姿态调整完成后，采集所述ADAMS交互模块中的机身状态参数，并在根据所述机身状态参数判定所述机器人处于稳定状态时预测下一时刻所述机器人各机械臂所处的相位，以及在根据所述机身状态参数判定所述机器人受到侧向冲击时生成侧向迈步指令；

原地踏步模块，所述原地踏步模块用于在所述机器人处于稳定状态时，将所述下一时刻所述机器人各机械臂所处的相位发送至所述ADAMS交互模块，以使所述ADAMS交互模块中的机器人模型进行原地踏步动作；

侧向迈步模块，所述侧向迈步模块用于在所述机器人受到侧向冲击时，根据所述侧向迈步指令生成步态切换指令，并将所述步态切换指令发送至所述ADAMS交互模块，以使所述ADAMS交互模块中的机器人模型将原地踏步动作切换为侧向迈步动作。

2.根据权利要求1所述的机器人的动步态仿真模型，其特征在于，所述侧向迈步指令包括所述机器人各机械臂下一时刻的侧向迈步长度，其中，所述机身状态检测模块在所述ADAMS交互模块中的机器人模型进行原地踏步动作时，每间隔第一预设时间采集一次机身侧向速度，并发送至所述侧向迈步模块，所述侧向迈步模块根据所述机身侧向速度计算所述机器人各机械臂下一时刻的侧向迈步长度。

3.根据权利要求2所述的机器人的动步态仿真模型，其特征在于，其中，将原地踏步动作切换为侧向迈步动作在第二预设时间内完成。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的机器人的动步态仿真模型，其特征在于，所述机器人为四足机器人。

5.一种机器人的动步态仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

调整所述机器人的初始姿态；

采集机身状态参数，并在根据所述机身状态参数判定所述机器人处于稳定状态时预测下一时刻所述机器人各机械臂所处的相位；

根据所述下一时刻所述机器人各机械臂所处的相位控制机器人模型进行原地踏步动作；

在根据所述机身状态参数判定所述机器人受到侧向冲击时生成侧向迈步指令；

根据所述侧向迈步指令生成步态切换指令，并根据所述步态切换指令控制所述机器人模型将原地踏步动作切换为侧向迈步动作。

6.根据权利要求5所述的机器人的动步态仿真方法，其特征在于，所述侧向迈步指令包括所述机器人各机械臂下一时刻的侧向迈步长度，其中，在所述机器人模型进行原地踏步动作时，每间隔第一预设时间采集一次机身侧向速度，并根据所述机身侧向速度计算所述机器人各机械臂下一时刻的侧向迈步长度。

7.根据权利要求6所述的机器人的动步态仿真方法，其特征在于，其中，将原地踏步动作切换为侧向迈步动作在第二预设时间内完成。

8.根据权利要求5-7中任一项所述的机器人的动步态仿真方法，其特征在于，所述机器人为四足机器人。

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