CN111857173A - 一种四足机器人跳跃步态规划控制***及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种四足机器人跳跃步态规划控制***及其方法，***包括外部环境获取***、姿态获取***、运动规划决策***和执行控制***；外部环境获取***获取四足机器人所需跳跃的地形信息，经数据处理后输入运动规划决策***；姿态获取***获取四足机器人当前的姿态信息，经数据处理后输入运动规划决策***；运动规划决策***依据当前地形信息和四足机器人的姿态信息分析规划出四足机器人跳跃的运动轨迹，并传递至执行控制***；执行控制***根据运动轨迹计算各个关节所需的控制力矩，以及进行ZMP控制算法。本发明依据地形概况，设计了平地跳跃、上坡跳跃、下坡跳跃和非平地跳跃等四种跳跃步态方式，可有效适应于不同的地形环境。
Description
技术领域
本发明涉及机器人控制技术领域，特别是一种四足机器人跳跃步态规划控制***及其方法。
背景技术
机器人是一种能够半自主或全自主工作的智能机器，具有感知、决策、执行等基本特征，可以辅助甚至替代人类完成危险、繁重、复杂的工作，提高工作效率与质量，服务人类生活，扩大或延伸人的活动及能力范围。随着科技信息的快速发展，机器人控制技术得到了不断的完善，机器人在各行各业的应用也越来越广泛。机器人的类型也是多种多样的，尤其是机器人的结构，更是千差万别，不同结构的机器人具有其独特的功能和应用环境。四足机器人是机器人中的一种，四足机器人典型的特点是具有四只腿。四足机器人的研究和应用得到了众多学者的重视，不仅科研成果***，实际应用案例也是比比皆是。四足机器人在协助或替代人类在一定的环境中完成指定的工作任务过程中，需要四足机器人拥有精准的控制技术。同时，需要四足机器人具有灵活的运动控制技术，包括四足机器人的行走和跳跃。在未知的复杂的地形环境中，四足机器人需要通过行走或者跳跃的方式到达目的以完成指定的工作任务。目前，四足机器人的行走步态和跳跃步态控制规划方法各异，各有其优缺点。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种通过依据地形概况，设计了平地跳跃、上坡跳跃、下坡跳跃和非平地跳跃等四种跳跃步态方式，以灵活的跳跃方式，使得四足机器人更加适应于不同的地形环境的四足机器人跳跃步态规划控制***及其方法。
一种四足机器人跳跃步态规划控制***，包括外部环境获取***、姿态获取***、运动规划决策***和执行控制***；所述外部环境获取***获取四足机器人所需跳跃的地形信息，经数据处理后输入运动规划决策***；所述姿态获取***获取四足机器人当前的姿态信息，经数据处理后输入运动规划决策***；所述运动规划决策***依据当前地形信息和四足机器人的姿态信息分析规划出四足机器人跳跃的运动轨迹，并传递至执行控制***；所述执行控制***根据运动轨迹计算各个关节所需的控制力矩，以及进行ZMP控制算法。
进一步地，所述外部环境获取***为ARM嵌入式***，通过CAN总线连接运动规划决策***，通过USB口连接一只迷你摄像头，通过视频处理技术和图像处理技术获取四足机器人前方跳跃区域的地形信息。
进一步地，所述姿态获取***为ARM嵌入式***，通过CAN总线连接运动规划决策***，获取四足机器人当前的姿态信息，包括：关节俯仰角度、偏航角度、控制力矩等，并设计滤波算法对姿态信息进行滤波处理。
进一步地，所述运动规划决策***为工业级PC，通过串口线连接执行控制***，分析规划出四足机器人的跳跃步态方式，包括：平地跳跃、上坡跳跃、下坡跳跃和非平地跳跃。
进一步地，所述平地跳跃为四足机器人跳跃区域的地形特征表现为平坦无坑无障碍。
进一步地，所述上坡跳跃为四足机器人跳跃区域的地形特征表现为斜坡向上，且不超过一定的坡度值。
进一步地，所述下坡跳跃为四足机器人跳跃区域的地形特征表现为斜坡向下，且不超过一定的坡度值。
进一步地，所述非平地跳跃为四足机器人跳跃区域的地形特征表现为崎岖不平，可能包含有大小不等的坑和障碍物等。
进一步地，所述执行控制***为工业级PC。
进一步地，所述部环境获取***、姿态获取***、运动规划决策***和执行控制***采用统一的电源管理***。
一种四足机器人跳跃步态规划控制方法，包括如下步骤：
SS00四足机器人准备跳跃；
SS01外部环境获取***获取四足机器人所需跳跃的地形信息，经数据处理后输入运动规划决策***；
SS02姿态获取***获取四足机器人当前的姿态信息，经数据处理后输入运动规划决策***；SS03运动规划决策***依据当前地形信息和四足机器人的姿态信息分析规划出四足机器人跳跃的运动轨迹，规划出包括：平地跳跃、上坡跳跃、下坡跳跃和非平地跳跃的运动轨迹中的一种，并将规划出的运动轨迹传递至执行控制***；
SS04执行控制***根据运动轨迹计算各个关节所需的控制力矩，并输入对应的关节，同时进行ZMP控制算法对各个关节角度进行适当调整，从而提高四足机器人的鲁棒性。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明通过四足机器人的多模态跳跃步态形式，可有效适应于不同的地形环境。
2、本发明的四足机器人的跳跃步态运动控制更加灵活和精准。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
图1为本发明***结构示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。
如图1所示，本发明为一种四足机器人跳跃步态规划控制***，包括外部环境获取***1、姿态获取***2、运动规划决策***3和执行控制***4。
外部环境获取***1获取四足机器人所需跳跃的地形信息，经数据处理后输入运动规划决策***3；姿态获取***2获取四足机器人当前的姿态信息，经数据处理后输入运动规划决策***3；运动规划决策***3依据当前地形信息和四足机器人的姿态信息分析规划出四足机器人跳跃的运动轨迹，并传递至执行控制***4；执行控制***4根据运动轨迹计算各个关节所需的控制力矩，以及进行ZMP控制算法。
一种四足机器人跳跃步态规划方法，包括如下过程；
四足机器人准备跳跃时。外部环境获取***1获取四足机器人所需前方跳跃区域的地形信息，地形信息经视频处理技术和图像处理技术后输入运动规划决策***3。姿态获取***2获取四足机器人当前的姿态信息，包括：关节俯仰角度、偏航角度、控制力矩等，并设计滤波算法对姿态信息进行滤波处理，经处理后输入运动规划决策***3。运动规划决策***3依据当前地形信息和四足机器人的姿态信息分析规划出四足机器人跳跃的运动轨迹，规划出包括：平地跳跃、上坡跳跃、下坡跳跃和非平地跳跃的运动轨迹中的一种，并将规划出的运动轨迹传递至执行控制***4。执行控制***4响应运动规划决策***3，若运动轨迹为平地跳跃，则表示四足机器人跳跃区域的地形特征为平坦无坑无障碍，起跳前，执行控制***4根据运动轨迹计算各个关节所需的控制力矩，并输入对应的关节，控制左右后腿向下压至一定角度，控制左右前腿向上抬起一定角度，起跳时，左右前腿向前用力，左右后腿向上用力，落地时，控制四只腿站稳于地面，完成平地跳跃，以待下一次跳跃；若运动轨迹为上坡跳跃，则表示四足机器人跳跃区域的地形表现为斜坡向上，但这个斜坡的坡度值不能超过一定的角度值，否则四足机器人无法完成上坡跳跃，起跳前，执行控制***4根据运动轨迹计算各个关节所需的控制力矩，并输入对应的关节，控制左右后腿向下压至一定角度，控制左右前腿向上抬起一定角度，起跳时，左右前腿向前用力，左右后腿向上用力，落地时，由于地面是上坡，增加左右后腿的关节控制力矩，降低左右前腿的关节控制力矩，从而控制四足机器人的重心在稳定区域，完成上坡跳跃，以待下一次跳跃；若运动轨迹为下坡跳跃，则四足机器人跳跃区域的地形表现为斜坡向下，但这个斜坡的坡度值不能超过一定的角度值，否则四足机器人无法完成下坡跳跃，起跳前，执行控制***4根据运动轨迹计算各个关节所需的控制力矩，并输入对应的关节，控制左右后腿向下压至一定角度，控制左右前腿向上抬起一定角度，起跳时，左右前腿向前用力，左右后腿向上用力，落地时，由于地面是下坡，降低左右后腿的关节控制力矩，增加左右前腿的关节控制力矩，从而控制四足机器人的重心在稳定区域，完成下坡跳跃，以待下一次跳跃；若运动轨迹为非平地跳跃，则四足机器人跳跃区域的地形表现为崎岖不平，可能包含有大小不等的坑和障碍物等，起跳前，执行控制***4根据运动轨迹计算各个关节所需的控制力矩，并输入对应的关节，控制左右后腿向下压至一定角度，控制左右前腿向上抬起一定角度，起跳时，左右前腿向前用力，左右后腿向上用力，落地时，由于地面崎岖不平，在ZMP控制算法的前提下，分别为四只腿的关节计算合适的调控控制力矩，以确保四足机器人维持稳定，完成非平地跳跃，以待下一次跳跃。四足机器人完成跳跃步态规划的过程中始终伴随着ZMP控制算法，ZMP控制算法是四足机器人完成跳跃步态规划过程的基本保障，确保四足机器人的重心始终保持在稳定的范围内，即提高四足机器人的鲁棒性。
在本说明书的描述中，参考术语“具体实施方式”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一定指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何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (10)
1.一种四足机器人跳跃步态规划控制***，其特征在于：包括外部环境获取***(1)、姿态获取***(2)、运动规划决策***(3)和执行控制***(4)；所述外部环境获取***(1)获取四足机器人所需跳跃的地形信息，经数据处理后输入所述运动规划决策***(3)；所述姿态获取***(2)获取四足机器人当前的姿态信息，经数据处理后输入所述运动规划决策***(3)；所述运动规划决策***(3)依据当前地形信息和四足机器人的姿态信息分析规划出四足机器人跳跃的运动轨迹，并传递至所述执行控制***(4)；所述执行控制***(4)根据运动轨迹计算各个关节所需的控制力矩，以及进行ZMP控制算法。
2.根据权利要求1所述的一种四足机器人跳跃步态规划控制***，其特征在于，所述外部环境获取***(1)为ARM嵌入式***，通过CAN总线连接运动规划决策***(3)，通过USB口连接一只迷你摄像头，通过视频处理技术和图像处理技术获取四足机器人前方跳跃区域的地形信息。
3.根据权利要求1所述的一种四足机器人跳跃步态规划控制***，其特征在于，所述姿态获取***(2)为ARM嵌入式***，通过CAN总线连接运动规划决策***(3)，获取四足机器人当前的姿态信息，所述四足机器人当前的姿态信息包括：关节俯仰角度、偏航角度、控制力矩等，并设计滤波算法对姿态信息进行滤波处理。
4.根据权利要求1所述的一种四足机器人跳跃步态规划控制***，其特征在于，所述运动规划决策***(3)为工业级PC，通过串口线连接执行控制***(4)，分析规划出四足机器人的跳跃步态方式，所述四足机器人的跳跃步态方式包括：平地跳跃、上坡跳跃、下坡跳跃和非平地跳跃。
5.根据权利要求4所述的一种四足机器人跳跃步态规划控制***，其特征在于，所述平地跳跃为四足机器人跳跃区域的地形特征表现为平坦无坑无障碍。
6.根据权利要求4所述的一种四足机器人跳跃步态规划控制***，其特征在于，所述上坡跳跃为四足机器人跳跃区域的地形特征表现为斜坡向上，且不超过坡度值，或者所述下坡跳跃为四足机器人跳跃区域的地形特征表现为斜坡向下，且不超过坡度值。
7.根据权利要求4所述的一种四足机器人跳跃步态规划控制***，其特征在于，所述非平地跳跃为四足机器人跳跃区域的地形特征表现为崎岖不平，包含有坑和障碍物。
8.根据权利要求4所述的一种四足机器人跳跃步态规划控制***，其特征在于，所述执行控制***(4)为工业级PC。
9.根据权利要求1所述的一种四足机器人跳跃步态规划控制***，其特征在于，所述部环境获取***(1)、姿态获取***(2)、运动规划决策***(3)和执行控制***(4)采用统一的电源管理***。
10.一种四足机器人跳跃步态规划控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
SS00四足机器人准备跳跃；
S01外部环境获取***(1)获取四足机器人所需跳跃的地形信息，经数据处理后输入运动规划决策***(3)；
SS02姿态获取***(2)获取四足机器人当前的姿态信息，经数据处理后输入运动规划决策***(3)；
SS03运动规划决策***(3)依据当前地形信息和四足机器人的姿态信息分析规划出四足机器人跳跃的运动轨迹，规划出包括：平地跳跃、上坡跳跃、下坡跳跃和非平地跳跃的运动轨迹中的一种，并将规划出的运动轨迹传递至执行控制***(4)；
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