CN112650222B - 一种多足机器人的跳跃步态规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多足机器人的跳跃步态规划方法，包括以下步骤：观察并分解人类立定跳远运动，明确重心位置以及足端相对于质心的位置变化情况；建立足端位置变化的数学模型，多足机器人的运动学建模，基于运动学求解各关节转角并对其作滤波平滑处理，控制机器人运动。本发明针对刚性结构的多足机器人无法凭借弹性装置实现跳跃运动的问题，从运动规划的角度公开了一种多足机器人的跳跃步态规划方法，与以往仅关注机器***性结构设计和弹性装置优化不同的是，本发明提出的观察、分解并模仿人类运动过程的方式，为多足机器人通过自学习来增强复杂运动技能提供了新的参考方向。

Description

一种多足机器人的跳跃步态规划方法

技术领域

本发明涉及仿生机器人领域，具体涉及一种多足机器人的跳跃步态规划方法。

背景技术

凭借其结构灵活、稳定性好、负载能力大且环境适应能力强等优势，仿生多足机器人将会越来越多地取代人力完成各种复杂、危险的工作，从而在极大地降低成本的同时大大提高大规模作业的效率。然而，有限的运动方式和步态模式限制了多足机器人的优越性能。虽然大多数仿生机器人在外形结构的设计与优化上越来越接近于自然生物，但是其丰富的运动步态还未开发出来。

跳跃运动作为自然生物最基本的一种运动方式，可以帮助自身跨越较大障碍物或应对突发危机，有效提升足式生物的环境适应能力。作为仿生机器人的一种重要形态，多足机器人的跳跃能力也越来越受关注。中国专利CN201410763291.X、CN201710683447.7与CN201811524466.6从结构设计角度开发了有助于机器人跳跃的运动装置。中国专利CN201710218510.X与CN201811087537.0从控制***设计层面探究了多足机器人的跳跃能力。但是还未有从运动分解与规划角度考虑多足机器人跳跃步态的直接成果。

发明内容

针对不具有弹跳结构的刚性体机器人如何执行复杂跳跃运动的问题，本发明提出通过分解和模仿人类立定跳远运动来指导并实现多足机器人的跳跃步态的方法。

本发明在观察和分解人类立定跳远运动过程的基础上，提出并设计一种适用于多足机器人实现跳跃运动的方法,具体是对多足机器人的跳跃步态的设计与规划。

本发明至少通过如下技术方案之一实现。

一种多足机器人的跳跃步态规划方法，包括以下内容：

根据分解人类立定跳远运动，明确重心位置以及足端相对于质心的位置变化情况；

建立足端位置变化的数学模型，多足机器人的运动学建模；

基于运动学求解各关节转角并对其作滤波平滑处理，控制机器人运动。

优选的，所述人类立定跳远运动分解为六个关键状态。

优选的，所述六个关键状态包括：

状态一为初始位形；

状态二为预备阶段，降低重心以蓄势；

状态三为蹬腿发力，短时间内腿部发力蹬出，并借势提升重心；

状态四为腾空阶段，足端顺势回收并前摆；

状态五为落地缓冲，落地时屈膝降重心以缓冲支撑面的冲力；

状态六为恢复位形，原地提升重心以恢复到最初位姿。

优选的，所述明确重心位置以及足端相对于质心的位置变化情况，具体是指首先在质心处建立参考坐标系{O₀x₀y₀z₀}，其中x₀轴指向运动的正前方，z₀轴竖直向上，y₀轴由右手定则确定，即y₀＝z₀×x₀；然后将跳跃过程中的重心与足端的位置变化统一为足端坐标的改变；最后根据坐标变化情况得到各个子运动过程的插值变化趋势。

优选的，机器人的跳跃步态分为五个主要子运动过程，即从初始位形到预备阶段、从预备阶段到蹬腿发力、从蹬腿发力到腾空阶段、从腾空阶段到落地缓冲、从落地缓冲到恢复位形过程。

优选的，各个子运动过程的插值变化趋势为：从初始位形到预备状态，足端竖坐标的负值逐渐增大即在竖直方向上足端逐渐靠近质心；从预备阶段到蹬腿发力，足端竖坐标逐渐减小即足端远离质心；从蹬腿发力到腾空阶段，足端竖坐标先增大后减小即足端先回收后伸展；从腾空阶段到落地缓冲，足端竖坐标再次逐渐增大；从落地缓冲到恢复位形，足端竖坐标再次逐渐减小，最终恢复到初始位形。

优选的，所述建立足端位置变化的数学模型，是指在给定各个子运动过程的总变化量V^T的基础上，设计中间路径点的插值方式为：

Vⁱ＝(V⁰+V^T·Γ(t,t_k-1,t_k))·Φ(t,t_k-1,t_k)

其中V⁰表示当前子运动阶段即t∈[t_k-1,t_k]起始时的增量初值；Γ(t,t_k-1,t_k)是关于时间t的光滑函数即连续可导函数，且当t∈[t_k-1,t_k]时，有Γ(t,t_k-1,t_k)∈[0,1]；Φ(t,t_k-1,t_k)是关于时间t的激活函数，其作用是只激活时间段[t_k-1,t_k]内的插值。

优选的，机器人整个跳跃运动过程中的足端位置变化情况表示为：

其中p_v、

分别表示足端相对于参考坐标系的坐标变化量及其相应的初值，p_v为当前时刻足端的横坐标值p_x、p_y或当前时刻足端的竖坐标值p_z；N为跳跃运动分解的子运动阶段的数目。

优选的，所述多足机器人的运动学建模包括建立机体坐标系、足端坐标系、确定机构尺寸、标识关节连杆运动、求解足端相对于机体坐标系的正/逆运动学问题。

优选的，所述求解各关节转角并对其作滤波平滑处理具体是采用均值滤波法对基于逆运动学求得的关节角度作平滑处理，以避免角速度的意外突变，然后将滤波后的关节角度发送给机器人以控制其运动；

采用的均值滤波函数为：

其中，

表示k时刻第i个插值点处的关节角度滤波值，

与

分别表示k时刻和m时刻第i个插值点处的关节角度期望值；K_g为给定的滤波因子。

优选的，所述多足机器人的运动学建模包括建立机体坐标系、足端坐标系、确定机构尺寸、标识关节连杆运动、求解足端相对于机体坐标系的正/逆运动学问题。

优选的，所述求解各关节转角并对其作滤波平滑处理具体是采用均值滤波法对基于逆运动学求得的关节角度作平滑处理，以避免角速度的意外突变，然后将滤波后的关节角度发送给机器人以控制其运动；

采用的均值滤波函数为：

其中，

表示k时刻第i个插值点处的关节角度滤波值，

与

分别表示k时刻和m时刻第i个插值点处的关节角度期望值；K_g为给定的滤波因子。

优选的，作为多足机器人模仿的对象，所述人类立定跳远的关键状态中均不关心上肢的摆动状态。此因人类上肢的摆动主要起平衡作用，而多足机器人凭借多腿协调即可保障自身运动的平衡与稳定性。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

所述多足机器人的跳跃步态规划方法丰富了足式机器人的运动方式和步态模式；与以往仅关注机器***性结构设计和弹性装置优化不同的是，本发明从运动规划的角度考察并实现了刚性体机器人的跳跃运动；本发明提出的观察、分解并模仿人类运动过程的方式，为多足机器人通过自学习来增强复杂运动技能提供了新的参考方向。

附图说明

图1为多足机器人的跳跃步态规划方法的技术路线图；

图2为人类立定跳远运动分解示意图及六个关键运动状态；

图3为一款径向对称式攀爬六足机器人的建模示意图；

图4为径向对称式攀爬六足机器人执行跳跃步态全过程中各足相对于机体坐标系的位置坐标变化轨迹；

图5为径向对称式攀爬六足机器人执行跳跃步态全过程中各关节的滤波角度曲线；

图6a为径向对称式攀爬六足机器人实现跳跃步态初始位形的仿真实验图；

图6b为径向对称式攀爬六足机器人实现跳跃步态预备阶段的仿真实验图；

图6c为径向对称式攀爬六足机器人实现跳跃步态蹬腿发力的仿真实验图；

图6d为径向对称式攀爬六足机器人实现跳跃步态腾空阶段的仿真实验图；

图6e为径向对称式攀爬六足机器人实现跳跃步态落地缓冲的仿真实验图；

图6f为径向对称式攀爬六足机器人实现跳跃步态恢复位形的仿真实验图；

图中：s1—初始位形；s2—预备阶段；s3—蹬腿发力；s4—腾空阶段；s5—落地缓冲；s6—恢复位形。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明提出的技术方案作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用以限定本发明。

如图1所示，一种多足机器人的跳跃步态规划方法包括：观察并分解人类立定跳远运动，明确重心位置以及足端相对于质心的位置变化情况，建立足端位置变化的数学模型，多足机器人的运动学建模，基于运动学求解各关节转角并对其作滤波平滑处理，控制机器人运动。

所述人类立定跳远运动可分解为6个关键状态，如图2所示，状态一为初始位形(s1)；状态二为预备阶段(s2)，降低重心以蓄势；状态三为蹬腿发力(s3)，短时间内腿部发力蹬出，并借势提升重心；状态四为腾空阶段(s4)，足端顺势回收并前摆；状态五为落地缓冲(s5)，落地时屈膝降重心以缓冲支撑面的冲力；状态六为恢复位形(s6)，原地提升重心以恢复到最初位姿。

本实例以一款径向对称式攀爬六足机器人为说明对象，如图3所示。该机器人的机体为正六边形结构，六条腿(Leg1～Leg6)沿着六边形的六个顶点依次径向展开。每条单腿支链包含4个主动旋转副，末端连接真空吸盘用于在光滑支撑面上作攀爬运动。

由于机器人的质量主要落在机体平台上，因此可认为机器人质心与机体平台的几何中心是重合的。于是，在机体几何中心处建立机体坐标系{O₀x₀y₀z₀}并视其为参考系，其x₀轴指向第一条腿Leg1与第六条腿Leg6的角平分线且代表运动的正前方，z₀轴垂直于机体平台竖直向上，y₀轴由右手定则确定，显然，y₀轴指向第二条腿Leg2与平台的连接点处。

各关键状态和主要子运动过程中，足端与质心的相对高度的变化最为复杂且非常重要。本发明将多足机器人的跳跃步态对应的足端竖坐标变化情况总结如表1所示：

表1足端相对于参考坐标系的竖坐标变化情况

表中，

为机器人处于初始位形时足端相对于参考系的竖坐标值，可见

表示机器人从初始位形到预备状态过程中的竖坐标增量，其变化趋势是逐渐增大的，即在竖直方向上足端逐渐靠近质心；G_H表示预备阶段重心下降的最大高度，即足端竖坐标变化的最大增量；

表示机器人从预备阶段到蹬腿发力过程中足端主动位置变化增量，其变化趋势是逐渐减小的，即足端远离质心；G_H-S_H表示在t₂时刻足端竖坐标总的变化量；

表示机器人在腾空阶段跳跃的高度增量，其变化趋势是先增大后减小，即足端先回收后伸展；t₃到t₅时间段内的变化情况与t₂到t₀时间段内的变化是对称的；在t₅时刻机器人恢复位形后，足端坐标总的增量为0。

仿照人类立定跳远运动的过程，径向对称式攀爬六足机器人的跳跃步态可分解为5个子过程：从初始位形到预备状态、从预备阶段到蹬腿发力、从蹬腿发力到腾空阶段、从腾空阶段到落地缓冲、从落地缓冲到恢复位形过程。

所述5个子运动过程中足端相对于机体中心的竖坐标的插值方式为：

其中，

表示中心位于时刻t′且宽度为w、高度为1的矩形窗激活函数；t₀～t₅表示给定的具体时间点；G_H、S_H和J_H的含义均与表1相同，此处不再赘述。

于是，在机器人的整个跳跃运动过程中，足端相对于机体系的竖坐标变化的数学模型为：

其中，

与p_z分别表示初始时刻与当前时刻足端的竖坐标值。

若还希望机器人向正前方跳跃一段距离J_W，则可以为足端横坐标建立如下插值模型：

其中，

与p_x分别表示初始时刻与当前时刻足端的横坐标值。

于是，所述径向对称式攀爬六足机器人在整个跳跃运动中的足端位置变化轨迹如图4所示。

所述径向对称式攀爬六足机器人的运动学建模过程如下：

第一关节1的轴线(ω₁)垂直于机体平台，而第二关节2、第三关节3、第四关节4的轴线(分别为ω₂、ω₃、ω₄)互相平行且都平行于机体平台。在吸盘中心建立足端坐标系{O_fjx_fjy_fjz_fj}(j＝1,2,…,6),其x_fj轴垂直于吸盘面向下，z_fj轴平行于第四关节4的轴线，且y_fj＝z_fj×x_fj。单腿支链的四个主动关节的转动角度依次记为θ₁、θ₃、θ₂、θ₄。

于是，各支链与平台连接点相对于x₀轴的方向角是运动不变量，总结如表2所示：

表2方向角相对应的角度值

进而，基于旋量理论与指数积公式可得，足端相对于机体系的位置坐标为：

其中，R、L₁、L₂、L₃、L₄分别表示机体半径、机器人连杆1～连杆4的长度；

进一步，由几何约束关系得，该机器人的运动学逆解为：

其中，

β与

分别表示吸盘面、机体平台与水平面之间的夹角；sign(·)为符号函数。

根据逆运动学及均值滤波法可求得各关节的滤波角度变化曲线如图5所示。采用的均值滤波函数为

其中，

表示k时刻第i个插值点处的关节角度滤波值，

与

分别表示k时刻和m时刻第i个插值点处的关节角度期望值；K_g为给定的滤波因子。

将滤波后的关节角度发送给机器人模型，所述径向对称式攀爬六足机器人的跳跃运动实验效果如图6a、图6b、图6c、图6d、图6e、图6f所示，主要包括：

(a)初始位形；

(b)预备阶段；

(c)蹬腿发力；

(d)腾空阶段；

(e)落地缓冲；

(f)恢复位形。

上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或改动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多足机器人的跳跃步态规划方法，其特征在于，包括以下内容：

根据人类立定跳远运动的六个关键状态，明确重心位置以及足端相对于质心的位置变化情况；建立足端位置变化的数学模型，多足机器人的运动学建模；基于运动学求解各关节转角并对其作滤波平滑处理，控制机器人运动；

仿照人类立定跳远运动的过程，径向对称式攀爬六足机器人的跳跃步态可分解为5个子过程：从初始位形到预备阶段、从预备阶段到蹬腿发力、从蹬腿发力到腾空阶段、从腾空阶段到落地缓冲、从落地缓冲到恢复位形过程；

所述5个子运动过程中足端相对于机体中心的竖坐标的插值方式为：

其中，

表示中心位于时刻t′且宽度为w、高度为1的矩形窗激活函数；t₀～t₅表示给定的具体时间点；

在机器人的整个跳跃运动过程中，足端相对于机体系的竖坐标变化的数学模型为：

其中，

与p_z分别表示初始时刻与当前时刻足端的竖坐标值；

若还希望机器人向正前方跳跃一段距离J_W，则为足端横坐标建立如下插值模型：

其中，

与p_x分别表示初始时刻与当前时刻足端的横坐标值；

所述径向对称式攀爬六足机器人的运动学建模过程如下：

第一关节1的轴线ω₁垂直于机体平台，而第二关节2、第三关节3、第四关节4的轴线分别为ω₂、ω₃、ω₄互相平行且都平行于机体平台，在吸盘中心建立足端坐标系{O_fjx_fjy_fjz_fj}，j＝1,2,…,6,其x_fj轴垂直于吸盘面向下，z_fj轴平行于第四关节4的轴线，且y_fj＝z_fj×x_fj；单腿支链的四个主动关节的转动角度依次记为θ₁、θ₃、θ₂、θ₄；

各支链与平台连接点相对于x₀轴的方向角是运动不变量，基于旋量理论与指数积公式可得，足端相对于机体系的位置坐标为：

其中，R、L₁、L₂、L₃、L₄分别表示机体半径、机器人连杆1～连杆4的长度；

由几何约束关系得，该机器人的运动学逆解为：

其中，

β与

分别表示吸盘面、机体平台与水平面之间的夹角；sign(·)为符号函数；

求解各关节转角并对其作滤波平滑处理具体是采用均值滤波法对基于逆运动学求得的关节角度作平滑处理，以避免角速度的意外突变，然后将滤波后的关节角度发送给机器人以控制其运动；采用的均值滤波函数为

其中，

表示k时刻第i个插值点处的关节角度滤波值，

与

分别表示k时刻和m时刻第i个插值点处的关节角度期望值；K_g为给定的滤波因子。

2.根据权利要求1所述的多足机器人的跳跃步态规划方法，其特征在于：所述六个关键状态包括：

状态一为初始位形；

状态二为预备阶段，降低重心以蓄势；

状态三为蹬腿发力，短时间内腿部发力蹬出，并借势提升重心；

状态四为腾空阶段，足端顺势回收并前摆；

状态五为落地缓冲，落地时屈膝降重心以缓冲支撑面的冲力；

状态六为恢复位形，原地提升重心以恢复到最初位姿。

3.根据权利要求2所述的多足机器人的跳跃步态规划方法，其特征在于：所述明确重心位置以及足端相对于质心的位置变化情况，具体是指首先在质心处建立参考坐标系{O₀x₀y₀z₀}，其中x₀轴指向运动的正前方，z₀轴竖直向上，y₀轴由右手定则确定，即y₀＝z₀×x₀；然后将跳跃过程中的重心与足端的位置变化统一为足端坐标的改变；最后根据坐标变化情况得到各个子运动过程的插值变化趋势。

4.根据权利要求3所述的多足机器人的跳跃步态规划方法，其特征在于：机器人的跳跃步态分为五个主要子运动过程，即从初始位形到预备阶段、从预备阶段到蹬腿发力、从蹬腿发力到腾空阶段、从腾空阶段到落地缓冲、从落地缓冲到恢复位形过程。

5.根据权利要求4所述的多足机器人的跳跃步态规划方法，其特征在于：各个子运动过程的插值变化趋势为：从初始位形到预备阶段，足端竖坐标的负值逐渐增大即在竖直方向上足端逐渐靠近质心；从预备阶段到蹬腿发力，足端竖坐标逐渐减小即足端远离质心；从蹬腿发力到腾空阶段，足端竖坐标先增大后减小即足端先回收后伸展；从腾空阶段到落地缓冲，足端竖坐标再次逐渐增大；从落地缓冲到恢复位形，足端竖坐标再次逐渐减小，最终恢复到初始位形。

6.根据权利要求1所述的多足机器人的跳跃步态规划方法，其特征在于：所述建立足端位置变化的数学模型，是指在给定各个子运动过程的总变化量V^T的基础上，设计中间路径点的插值方式为：

Vⁱ＝(V⁰+V^T·Γ(t,t_k-1,t_k))·Φ(t,t_k-1,t_k)

其中V⁰表示当前子运动阶段即t∈[t_k-1,t_k]起始时的增量初值；Γ(t,t_k-1,t_k)是关于时间t的光滑函数即连续可导函数，且当t∈[t_k-1,t_k]时，有Γ(t,t_k-1,t_k)∈[0,1]；Φ(t,t_k-1,t_k)是关于时间t的激活函数，其作用是只激活时间段[t_k-1,t_k]内的插值。

7.根据权利要求6所述的多足机器人的跳跃步态规划方法，其特征在于：机器人整个跳跃运动过程中的足端位置变化情况表示为

其中p_v与

分别表示在当前时刻与初始时刻时足端相对于参考坐标系的坐标值，且p_v取当前时刻足端的水平坐标值p_x、p_y或当前时刻足端的竖坐标值p_z；N为跳跃运动分解的子运动阶段的数目。

8.根据权利要求7所述的多足机器人的跳跃步态规划方法，其特征在于：所述多足机器人的运动学建模包括建立机体坐标系、足端坐标系、确定机构尺寸、标识关节连杆运动、求解足端相对于机体坐标系的正/逆运动学问题。

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