CN111240339A - 一种双足机器人的仿人步态规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双足机器人的仿人步态规划方法，该方法通过将人类步行的运动特征融入到双足机器人的步态规划，以提高机器人的步行能效，改善其续航能力。本发明所涉及的仿人步态规划方法包含双足支撑相规划以及单足支撑相规划，在双足支撑相，机器人依靠后脚脚踝推力使机器人质心往前移动，同时机器人质心在前向平面内向支撑脚靠近，从而为接下来的单足支撑相提供落地时间，在单足支撑相，机器人支撑脚踝关节侧向平面内的自由度处于被动状态，机器人质心在重力作用下自然前移，摆动脚在预估落地时间内快速迈至落脚点。

Description

一种双足机器人的仿人步态规划方法

技术领域

本发明属于机器人技术领域，尤其涉及一种双足机器人的仿人步态规划方法。

背景技术

人类的步行运动包含双足支撑相以及单足支撑相，在双足支撑相，人类依靠后脚脚踝的推力，推动身体质心向前，而在单足支撑相，人的身体质心在重力作用下自然前移，同时支撑腿各关节基本处于锁死的状态，以提高步行能效。

双足机器人是一种模仿人类结构特征的机器人，它的最终目标是实现与人类相似的运动行为。目前，国内外已经成功研发出了许多能够实现行走运动的双足机器人，如美国波士顿动力公司的ATLAS与Petman、日本AIST的HRP、日本本田公司的ASIMO、韩国AKIST的KHR、欧洲开源机器人iCub、我国哈尔滨工业大学的HIT与GoRoBoT、国防科技大学的KDW、北京理工大学的BHR、清华大学的THBIP等。尽管这些双足机器人都能实现稳定的行走运动，但其步行能效都较低，导致续航能力较弱，难以走向实际应用。实际上，经过千百年的自然进化，人类的步态变得十分高效，已公开的数据表明，人类的步行能效是ATLAS机器人的25倍左右，是ASIMO机器人的16倍左右。人类高能效步态背后的科学原理在于运动相的合理规划以及各关节的协调动作。本发明的基本思路在于，将人类步行运动中的关节动作机制及特征融入到双足机器人的步行规划中，以实现机器人的高能效步行。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种双足机器人的仿人步态规划方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现：一种双足机器人的仿人步态规划方法，包括双足支撑相步态规划和单足支撑相步态规划。

所述双足支撑相步态规划为：将机器人在双足支撑相的驱动自由度q_con,d以及摆动腿踝关节的俯仰自由度q_ankle,sw的运动轨迹表示为3次贝塞尔多项式形式，并使其它关节处于被动状态：

其中，q_con,d＝[q_knee,st,q_yaw,st,q_roll,st,q_pitch,st,q_yaw,sw,q_pitch,sw,q_knee,sw]^T，所述机器人在双足支撑相的驱动自由度q_con,d包括支撑腿膝关节自由度q_knee,st、支撑腿髋关节的转动自由度q_yaw,st，支撑腿髋关节的摆动自由度q_roll,st，支撑腿髋关节的俯仰自由度q_pitch,st，摆动腿髋关节的转动自由度q_yaw,sw，摆动腿髋关节的俯仰自由度q_pitch,sw和摆动腿膝关节自由度q_knee,sw；a_k为q_con,d的贝塞尔多项式系数；

T_d表示机器人双足支撑相的时间长度；β_k为q_ankle,sw的贝塞尔多项式系数。

所述单足支撑相步态规划为：在单足支撑相时间内锁死支撑腿的驱动关节，并使支撑腿踝关节侧向平面内的自由度q_ankle,st处于被动状态；将单足支撑相摆动脚的运动轨迹P_sw(t)表示为4次贝塞尔多项式形式，同时驱动摆动腿脚踝关节使摆动脚抬起摆动至预设落脚点：

其中，γ_k为P_sw(t)的贝塞尔多项式系数，λ_k为q_ankle,sw(t)的贝塞尔多项式系数；

t_land,d为预估的理想落地时间，通过下式得到：

其中，

g为重力加速度，h为质心高度；

y_com,1为双足支撑相结束时机器人质心在前向平面内的坐标，

为双足支撑相结束时机器人质心在前向平面内的速度；y_com,l为预设落地时刻质心在前向平面内的位置。

进一步地，所述其它关节包括支撑腿踝关节的俯仰自由度q_ankle,st、支撑脚踝关节在前向平面内的欠驱动自由度q_ankle,roll和摆动腿髋关节的摆动自由度q_roll,sw等。

进一步地，所述贝塞尔多项式系数α_k(k＝0～3)、b_k(k＝0～3)通过下式得到：

其中，q_ankle,0为踝关节俯仰自由度的初始位置，

为踝关节俯仰自由度的初始速度；q_ankle,1为踝关节俯仰自由度预设的末状态位置，

为踝关节俯仰自由度预设的末状态速度；q_con,0为双足支撑相的驱动自由度的初始位置，

为双足支撑相的驱动自由度的初始速度，q_con,1为双足支撑相的驱动自由度预设的末状态位置，

为双足支撑相的驱动自由度预设的末状态速度。

进一步地，所述踝关节俯仰自由度预设的末状态速度

双足支撑相的驱动自由度预设的末状态速度

并且q_ankle,0与q_con,1满足如下条件：

(1.2.1)当机器人质心状态在双足支撑相结束时为左脚支撑，则-w_max<y_com,1<-w_min且x_com,1≥0；

(1.2.2)当机器人质心状态在双足支撑相结束时为右脚支撑，则w_min<y_com,1<w_max且x_com,1≥0；

其中，x_com,1为双足支撑相结束时机器人质心在侧向平面内的坐标，w_min和w_max是步态参数。

进一步地，所述踝关节俯仰自由度预设的末状态位置q_ankle,1为：

q_ankle,1＝q_ankle,d-k_land(t_land-t_land,d)

其中，q_ankle,d为踝关节俯仰自由度的理想末位置，t_land为实际落地时间，t_land,d为预估的理想落地时间，k_land为比例系数。

进一步地，所述贝塞尔多项式系数γ_k(k＝0～4)、λ_k(k＝0～3)通过下式得到：

其中，P_sw,0、

为摆动脚的初始位置、速度，P_sw,m为摆动脚的预设的中间位置，P_sw,f、

为摆动脚的预估落地位置、速度，且

q_a,0为单足支撑相q_ankle,sw的初始角度，

为单足支撑相q_ankle,sw的初始角速度；q_a,1为机器人单足支撑相q_ankle,sw的末状态角度，

为机器人单足支撑相q_ankle,sw的末状态角速度。

本发明的有益效果在于：本发明将人类步行运动的特征融入到双足机器人的步态规划，并通过锁死部分驱动关节以及考虑落地时间误差，提供了一种简单可行的实施方法，基于本发明所提供的仿人步态规划方法，能够有效提高双足机器人的步行能效，改善双足机器人的续航能力。

附图说明

图1是11自由度3D双足机器人的模型示意图；

图2是机器人双足支撑相结束时的质心状态约束示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本实施例考虑具有11个自由度的双足机器人，q_ankle,roll为支撑脚踝关节在前向平面内的自由度，q_ankle,st为支撑脚踝关节在侧向平面内的自由度，q_knee,st为支撑腿膝关节自由度，q_yaw,st为支撑腿髋关节的转动自由度，q_roll,st为支撑腿髋关节的摆动自由度，q_pitch,st为支撑腿髋关节的俯仰自由度，q_yaw,sw为摆动腿髋关节的转动自由度，q_roll,sw为摆动腿髋关节的摆动自由度，q_pitch,sw为摆动腿髋关节的俯仰自由度，q_knee,sw为摆动腿膝关节自由度其中，q_ankle,sw为摆动腿踝关节俯仰自由度；其中q_ankle,roll为支撑脚踝关节在前向平面内的欠驱动自由度。

本发明所提供的一种双足机器人的仿人步态规划方法，所述的步态规划方法包含双足支撑相规划以及单足支撑相规划，在双足支撑相，机器人依靠后脚脚踝推力使机器人质心往前移动，同时机器人质心在前向平面内向支撑脚靠近，从而为接下来的单足支撑相提供落地时间，在单足支撑相，机器人支撑脚踝关节侧向平面内的自由度q_ankle,st处于被动状态，机器人质心在重力作用下自然前移，摆动脚在预估落地时间内快速迈至落脚点，具体包括如下步骤：

步骤一：双足支撑相步态规划。双足支撑相的作用在于，通过后脚脚踝推力使机器人质心往前移动，同时机器人质心在前向平面内向支撑脚靠近，从而为接下来的单足支撑相提供落地时间。

首先，将双足支撑相各驱动关节以及后脚脚踝关节俯仰自由度的运动轨迹表示为贝塞尔多项式形式，并使其余关节(支撑腿踝关节的俯仰自由度q_ankle,st、支撑脚踝关节在前向平面内的欠驱动自由度q_ankle,roll、摆动腿髋关节的摆动自由度q_roll,sw)处于被动状态：

其中，q_con,d＝[q_knee,st,q_yaw,st,q_roll,st,q_pitch,st,q_yaw,sw,q_pitch,sw,q_knee,sw]^T表示机器人在双足支撑相的驱动自由度，包括支撑腿膝关节自由度q_knee,st、支撑腿髋关节的转动自由度q_yaw,st，支撑腿髋关节的摆动自由度q_roll,st，支撑腿髋关节的俯仰自由度q_pitch,st，摆动腿髋关节的转动自由度q_yaw,sw，摆动腿髋关节的俯仰自由度q_pitch,sw和摆动腿膝关节自由度q_knee,sw；q_ankle,sw为摆动腿踝关节的俯仰自由度；此外，

T_d表示机器人双足支撑相的时间长度，向量α_k(k＝0,1,2,3)为q_con,d的贝塞尔多项式系数，而标量β_k(k＝0,1,2,3)为q_ankle,sw的贝塞尔多项式系数。

然后，根据踝关节的初始状态

和预设的末状态

以及各驱动关节的初始状态

和预设的末状态

对贝塞尔多项式系数进行求解得到α_k和β_k：

其中，q_ankle,0为踝关节俯仰自由度的初始位置，

为踝关节俯仰自由度的初始速度；q_ankle,1为踝关节俯仰自由度预设的末状态位置，

为踝关节俯仰自由度预设的末状态速度；q_con,0为双足支撑相的驱动自由度的初始位置，

为相应的初始速度，q_con,1为双足支撑相的驱动自由度预设的末状态位置，

为双足支撑相的驱动自由度预设的末状态速度。

为便于机器人双足支撑相与单足支撑相的光滑过渡，同时便于在单足支撑相对支撑腿各驱动关节进行锁死，设定

并且q_ankle,0与q_con,1的设计使得机器人质心状态在双足支撑相结束时满足如下条件：

(1)双足支撑相结束时为左脚支撑，则-w_max<y_com,1<-w_min且x_com,1≥0；

(2)双足支撑相结束时为右脚支撑，则w_min<y_com,1<w_max且x_com,1≥0。

其中，x_com,1为双足支撑相结束时机器人质心在侧向平面内的坐标，y_com,1为双足支撑相结束时机器人质心在前向平面内的坐标，机器人坐标以当前支撑脚为坐标原点，而w_min和w_max是步态参数，可根据实际步态设计，如图2所示，它们分别表示双足支撑相结束时机器人质心可相对支撑脚的最小以及最大距离。x_com,1≥0是为了让机器人在接下来的单足支撑相能在重力的作用下自然前沿，而前向平面内的质心位置约束是为接下来的单足支撑相提供足够的落地时间。

最后，考虑到机器人在单足支撑相的实际落地与预估落地时间存在偏差，踝关节俯仰自由度预设的末位置q_ankle,1修正为

q_ankle,1＝q_ankle,d-k_land(t_land-t_land,d)

其中，q_ankle,d为踝关节俯仰自由度的理想末位置，t_land为实际落地时间，t_land,d为预估的理想落地时间，k_land为比例系数。

步骤二：单足支撑相步态规划。在单足支撑相，机器人质心在重力作用下自然前移，且摆动脚在预估落地时间内快速迈至落脚点。为便于落地时间的准确估计，同时提高机器人的步行能效，对机器人支撑腿的驱动关节进行锁死。

首先，预估机器人的落地时间。机器人落地时间的估计是通过将机器人简化为倒立摆模型，设机器人双足支撑相结束时在水平面内的质心状态为

根据线性倒立摆理论，预估的理想落地时间为

其中，

g为重力加速度，h为质心高度；

x_com,1为双足支撑相结束时机器人质心在侧向平面内的坐标，

为相应的速度值；y_com,1为双足支撑相结束时机器人质心在前向平面内的坐标，

为相应的速度值；y_com,l为预设落地时刻质心在前向平面内的位置；

然后，在整个单足支撑相时间内将支撑腿的驱动关节进行锁死，并使支撑腿踝关节侧向平面内的自由度q_ankle,st处于被动状态，同时控制摆动腿的驱动关节运动以使摆动脚摆动至预设落脚点，为此，首先将单足支撑相摆动脚的运动轨迹P_sw(t)表示为4次贝塞尔多项式形式，同时注意驱动摆动腿脚踝关节使摆动脚快速抬起：

其中，

系数γ_k(k＝0,1,2,3,4)可通过摆动脚的初始位置P_sw,0及速度

预设的中间位置P_sw,m、预估落地位置P_sw,f及其速度

来确定：

而系数λ_k(k＝0,1,2,3)由下式确定：

其中，q_a,0为单足支撑相q_ankle,sw的初始角度，

为单足支撑相q_ankle,sw的初始角速度；q_a,1为机器人单足支撑相q_ankle,sw的末状态角度，

为机器人单足支撑相q_ankle,sw的末状态角速度。

为机器人单足支撑相摆动脚踝关节的初始状态，

为机器人单足支撑相摆动脚踝关节的末状态。

最后，基于摆动脚的运动轨迹，通过逆运动学计算摆动腿的驱动关节轨迹，从而获得机器人各关节的运动轨迹。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种双足机器人的仿人步态规划方法，其特征在于，包括双足支撑相步态规划和单足支撑相步态规划。

所述双足支撑相步态规划为：将机器人在双足支撑相的驱动自由度q_con,d以及摆动腿踝关节的俯仰自由度q_ankle,sw的运动轨迹表示为3次贝塞尔多项式形式，并使其它关节处于被动状态：

其中，q_con,d＝[q_knee,st,q_yaw,st,q_roll,st,q_pitch,st,q_yaw,sw,q_pitch,sw,q_knee,sw]^T，所述机器人在双足支撑相的驱动自由度q_con,d包括支撑腿膝关节自由度q_knee,st、支撑腿髋关节的转动自由度q_yaw,st，支撑腿髋关节的摆动自由度q_roll,st，支撑腿髋关节的俯仰自由度q_pitch,st，摆动腿髋关节的转动自由度q_yaw,sw，摆动腿髋关节的俯仰自由度q_pitch,sw和摆动腿膝关节自由度q_knee,sw；a_k为q_con,d的贝塞尔多项式系数；

T_d表示机器人双足支撑相的时间长度；β_k为q_ankle,sw的贝塞尔多项式系数。

所述单足支撑相步态规划为：在单足支撑相时间内锁死支撑腿的驱动关节，并使支撑腿踝关节侧向平面内的自由度q_ankle,st处于被动状态；将单足支撑相摆动脚的运动轨迹P_sw(t)表示为4次贝塞尔多项式形式，同时驱动摆动腿脚踝关节使摆动脚抬起摆动至预设落脚点：

其中，γ_k为P_sw(t)的贝塞尔多项式系数，λ_k为q_ankle,sw(t)的贝塞尔多项式系数；

t_land,d为预估的理想落地时间，通过下式得到：

其中，

g为重力加速度，h为质心高度；

y_com,1为双足支撑相结束时机器人质心在前向平面内的坐标，

为双足支撑相结束时机器人质心在前向平面内的速度；y_com,l为预设落地时刻质心在前向平面内的位置。

2.根据权利要求1所述双足机器人的仿人步态规划方法，其特征在于，所述其它关节包括支撑腿踝关节的俯仰自由度q_ankle,st、支撑脚踝关节在前向平面内的欠驱动自由度q_ankle,roll和摆动腿髋关节的摆动自由度q_roll,sw等。

3.根据权利要求1所述双足机器人的仿人步态规划方法，其特征在于，所述贝塞尔多项式系数a_k、β_k通过下式得到：

其中，q_ankle,0为踝关节俯仰自由度的初始位置，

为踝关节俯仰自由度的初始速度；q_ankle,1为踝关节俯仰自由度预设的末状态位置，

为踝关节俯仰自由度预设的末状态速度；q_con,0为双足支撑相的驱动自由度的初始位置，

为双足支撑相的驱动自由度的初始速度，q_con,1为双足支撑相的驱动自由度预设的末状态位置，

为双足支撑相的驱动自由度预设的末状态速度。

4.根据权利要求3所述双足机器人的仿人步态规划方法，其特征在于，所述踝关节俯仰自由度预设的末状态速度

双足支撑相的驱动自由度预设的末状态速度

并且q_ankle,0与q_con,1满足如下条件：

(1.2.1)当机器人质心状态在双足支撑相结束时为左脚支撑，则-w_max<y_com,1<-w_min且x_com,1≥0；

(1.2.2)当机器人质心状态在双足支撑相结束时为右脚支撑，则w_min<y_com,1<w_max且x_com,1≥0；

其中，x_com,1为双足支撑相结束时机器人质心在侧向平面内的坐标，w_min和w_max是步态参数。

5.根据权利要求3所述双足机器人的仿人步态规划方法，其特征在于，所述踝关节俯仰自由度预设的末状态位置q_ankle,1为：

q_ankle,1＝q_ankle,d-k_land(t_land-t_land,d)

其中，q_ankle,d为踝关节俯仰自由度的理想末位置，t_land为实际落地时间，t_land,d为预估的理想落地时间，k_land为比例系数。

6.根据权利要求1所述双足机器人的仿人步态规划方法，其特征在于，所述贝塞尔多项式系数γ_k、λ_k通过下式得到：

其中，P_sw,0、

为摆动脚的初始位置、速度，P_sw,m为摆动脚的预设的中间位置，P_sw,f、

为摆动脚的预估落地位置、速度，且

q_a,0为单足支撑相q_ankle,sw的初始角度，

为单足支撑相q_ankle,sw的初始角速度；q_a,1为机器人单足支撑相q_ankle,sw的末状态角度，

为机器人单足支撑相q_ankle,sw的末状态角速度。

Images