CN112859856A - 一种基于质心高度补偿的仿人机器人步态生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于质心高度补偿的仿人机器人步态生成方法，结合人体自然步态运动规划和3‑D直线倒立摆模型下的步态运动规划。包括如下步骤：步骤1，人体自然步态运动规划的分析；步骤2，质心高度补偿的分析；所述步骤1将人体自然步态运动规划简化为3‑D直线倒立摆模型进行分析；所述步骤2在所述步骤1分析的基础上分析仿人机器人行走时摆动腿的运动对其质心高度的运动轨迹的影响，引入质心高度补偿来解决这一问题，将仿人机器人行走步态划分为四个阶段，规划其步态生成。本发明通过质心高度补偿方法，可有效解决仿人机器人行走时摆动腿对其质心高度的影响，并获得稳定实用的步态。同时，减少了3‑D直线倒立摆模型误差的影响。

Description

一种基于质心高度补偿的仿人机器人步态生成方法

技术领域

本发明涉及机器人运动学建模领域，特别是一种基于质心高度补偿的仿人机器人步态生成方法。

背景技术

对仿人机器人的研究仍然是机器人学领域中的一个热门课题，许多研究者已经针对多种仿人机器人关于动态双足步行方法进行了研究，并取得了迅速的进展和可靠的研究成果，掌握两足动物运动学理论背景仍然很重要。通常，两足动物行走模式的生成可以分为两类。一种，采用简化的机器人动力学模型。由于控制器对被控对象知之甚少，这种方法依赖于反馈控制。另一种，则预先得到机器人精确的动力学模型，以产生稳定的步态。这两种方法也各有其利弊。传统的3-D直线倒立摆模型近似地将三维空间机器人视为一个包含质心的倒立摆，在单腿摆动时，由简化的无质量腿连接质心和支撑点。由于忽略了摆动腿运动的影响，期望的质心与实际的质心之间必然存在一定的误差。目前为止，还没有研究人员对机器人髋部高度的设计进行全面的分析和测试。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种结合人体自然步态运动规划和3-D直线倒立摆模型下的步态运动规划，通过质心高度补偿方法，解决仿人机器人行走时摆动腿对其质心高度的影响，并获得稳定实用的步态，解决由3-D直线倒立摆模型误差所造成的期望质心与实际质心之间影响的问题的基于质心高度补偿的仿人机器人步态生成方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种基于质心高度补偿的仿人机器人步态生成方法，结合人体自然步态运动规划和3-D 直线倒立摆模型下的步态运动规划。包括如下步骤：步骤1，人体自然步态运动规划的分析；步骤2，质心高度补偿的分析；所述步骤1将人体自然步态运动规划简化为3-D直线倒立摆模型进行分析；所述步骤2在所述步骤1分析的基础上分析仿人机器人行走时摆动腿的运动对其质心高度的运动轨迹的影响，引入质心高度补偿来解决这一问题，将仿人机器人行走步态划分为四个阶段，规划其步态生成。

进一步地，所述步骤1包括如下：

SS00人体自然步态，为了简化模型和减少计算量，3-D直线倒立摆模型将质量固定在髋部，使用3-D直线倒立摆模型生成的仿人行走髋部高度的运动轨迹，显示最大步幅与腿最大伸长时的髋部高度之间的关系。由于最大腿伸长度和髋部高度是不变的，机器人的步态将受到限制；

SS01人在行走过程中，人体髋关节轨迹接近余弦曲线，这可以作为仿人机器人行走时的自然步态的一个轨迹优化点。

SS02 3-D直线倒立摆模型，3-D直线倒立摆模型的步态分为单腿支撑和双腿支撑两个阶段。在单腿支撑阶段，机器人动力学可以简单地建模为一个倒立摆。假设支撑腿为无重力伸缩支腿，质量集中为一个点，无垂直向运动。支撑点的扭矩为零，因此质心可以自由旋转。基于牛顿-欧拉法，可以得到3-D直线倒立摆模型与地面之间支承点周围的角动量的动力学方程：

这里，F_gr＝[F_x,F_y,F_z]^T表示地面反作用力产生的扭矩，G_gr＝[0,0,-g]^T代表重力，r_cm＝[x,y,z]^T表示从接触点到质心的矢量，L是质心的线性动量，得到了水平面上的质心轨迹运动方程：

当z_c为常数时，通过求解微分方程得到如下结果：

矢向运动:

横向运动:

这里，(x_i,v_xi)、(x_f,v_xf)和(y_i,v_yi)分别代表质心在矢向面和横向面上的初始和最终位置及速度。t为单腿支撑时间，S(t)＝sinh(t/T_c)和C(t)＝cosh(t/T_c)在固定时间

内。

进一步地，所述步骤2包括如下：

在所述步骤1的基础之上，在传统的3-D直线倒立摆模型中，支撑腿可视为无重量伸缩杆。但实际上腿的重量占整个机器人重量的20％以上，腿的运动会直接影响质心的运动轨迹，因此在单腿支撑阶段，引入质心高度补偿来解决这一问题，具体步骤包括如下：

SS00行走姿态指令，行走姿态指令定义为：

C＝[B_l B_r D_l D_r S_l S_r F_l F_r]

分别表示左/右腿的起始阶段，左/右腿的双支撑阶段，左/右腿的单支撑阶段，左/右腿的最终停止阶段。结合行走姿态指令，通过对机器人进行预处理，可以快速获取下一姿态的步态数据。

SS01基于行走姿态指令生成的原始步态，具体包括如下过程：

1)设置行走参数：

设置行走参数如下表所示。

符号	符号的意义	值
			T	单个行走步长周期	1.32s
T	单腿支撑时间	1.2s
			T<sub>dsup</sub>	双腿支撑时间	0.12s
L<sub>st</sub>	步长	0.2m
			W<sub>st</sub>	步宽	0.18m
Z	质心高度	0.55m

2)左腿/右腿的起始/结束阶段：

在使用3-D直线倒立摆模型时，起始阶段是非常重要的，直接决定机器人能否成功地由静态变为倒立摆的动态模型。如果起始阶段没有进行技术处理，机器人反馈控制机制将受到挑战。

为了使机器人有一个良好的起始阶段，在起始阶段就对机器人的质心轨迹进行规划。在X、Y方向采用五次多项式微分，质心的初始速度为零，终点速度设为倒立摆模型时Y方向的最大速度。之后，质心进入3-D直线倒立摆轨迹模式，然后在半个行走步态后进入双支撑阶段。摆动腿的脚轨迹可以规划为余弦函数，如下：

Z(t)＝A+B*cos(2*pi*t/(Tsup/2))

这里，t∈[0,0.5*Tsup]

3)左腿/右腿单支撑阶段：

由于质心在髋关节坐标系中的相对位置是固定的，因此可以将质心位置视为髋关节位置。在单腿支撑阶段，将半余弦曲线视为周期函数。当然，也可以使用全余弦函数作为Z方向的周期函数。

4)左腿/右腿双支撑阶段：

在双腿支撑阶段，机器人脚接触地面会产生巨大的冲击，为了减轻冲击，增加了双腿支撑阶段。必须解决在双腿支撑阶段，质心的相速度和加速度不连续的问题。这里采用三次多项式微分来计算速度。由于双腿支撑阶段增加了质心在x-y平面上的位移，所以需要根据相同的比例改变步态的整体长度。

5)总体规划：

根据步骤SSOO中定义的行走姿态指令，设计了一个完整的步态，故总体行走姿态指令序列定义如下：

B＝[B_r D_r S_l D_l S_r D_r F_l]。

相比于现有技术，本发明的优点在于：

1、本发明通过质心高度补偿方法，可有效解决仿人机器人行走时摆动腿对其质心高度的影响，并获得稳定实用的步态，对机器人工程实践应用具有很好的指导意义。

2、本发明可降低3-D直线倒立摆模型误差的影响。

附图说明

图1为本发明的一种基于质心高度补偿的仿人机器人步态生成方法的步骤流程图；

图2为IPR-I机器人本体图；

图3为在IPR-I机器人上通过基于质心高度补偿的3-D直线倒立摆模型进行运动性能测试图；

图4为使用3-D直线倒立摆模型生成的仿人行走髋部高度的运动轨迹；

图5为人类行走时髋部高度的运动轨迹。

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，种基于质心高度补偿的仿人机器人步态生成方法，结合人体自然步态运动规划和3-D直线倒立摆模型下的步态运动规划。包括如下步骤：步骤1，人体自然步态运动规划的分析；步骤2，质心高度补偿的分析；所述步骤1将人体自然步态运动规划简化为3-D 直线倒立摆模型进行分析；所述步骤2在所述步骤1分析的基础上分析仿人机器人行走时摆动腿的运动对其质心高度的运动轨迹的影响，引入质心高度补偿来解决这一问题，将仿人机器人行走步态划分为四个阶段，规划其步态生成。

所述步骤1包括如下：

SS00人体自然步态，为了简化模型和减少计算量，3-D直线倒立摆模型将质量固定在髋部，如图4所示，使用3-D直线倒立摆模型生成的仿人行走髋部高度的运动轨迹，显示最大步幅与腿最大伸长时的髋部高度之间的关系。由于最大腿伸长度和髋部高度是不变的，机器人的步态将受到限制；

SS01人在行走过程中，人体髋关节轨迹接近余弦曲线，这可以作为仿人机器人行走时的自然步态的一个轨迹优化点。如图5所示，显示了人类行走时髋部高度的运动轨迹。

SS02 3-D直线倒立摆模型，3-D直线倒立摆模型的步态分为单腿支撑和双腿支撑两个阶段。在单腿支撑阶段，机器人动力学可以简单地建模为一个倒立摆。假设支撑腿为无重力伸缩支腿，质量集中为一个点，无垂直向运动。支撑点的扭矩为零，因此质心可以自由旋转。基于牛顿-欧拉法，可以得到3-D直线倒立摆模型与地面之间支承点周围的角动量的动力学方程：

这里，F_gr＝[F_x,F_y,F_z]^T表示地面反作用力产生的扭矩，G_gr＝[0,0,-g]^T代表重力，r_cm＝[x,y,z]^T表示从接触点到质心的矢量，L是质心的线性动量，得到了水平面上的质心轨迹运动方程：

当z_c为常数时，通过求解微分方程得到如下结果：

矢向运动:

横向运动:

这里，(x_i,v_xi)、(x_f,v_xf)和(y_i,v_yi)分别代表质心在矢向面和横向面上的初始和最终位置及速度。t为单腿支撑时间，S(t)＝sinh(t/T_c)和C(t)＝cosh(t/T_c)在固定时间

内。

所述步骤2包括如下：

在所述步骤1的基础之上，在传统的3-D直线倒立摆模型中，支撑腿可视为无重量伸缩杆。但实际上腿的重量占整个机器人重量的20％以上，腿的运动会直接影响质心的运动轨迹，因此在单腿支撑阶段，引入质心高度补偿来解决这一问题，具体步骤包括如下：

SS00行走姿态指令，行走姿态指令定义为：

C＝[B_l B_r D_l D_r S_l S_r F_l F_r]

分别表示左/右腿的起始阶段，左/右腿的双支撑阶段，左/右腿的单支撑阶段，左/右腿的最终停止阶段。结合行走姿态指令，通过对机器人进行预处理，可以快速获取下一姿态的步态数据。

SS01基于行走姿态指令生成的原始步态，具体包括如下过程：

1)设置行走参数：

设置行走参数如下表所示。

2)左腿/右腿的起始/结束阶段：

在使用3-D直线倒立摆模型时，起始阶段是非常重要的，直接决定机器人能否成功地由静态变为倒立摆的动态模型。如果起始阶段没有进行技术处理，机器人反馈控制机制将受到挑战。

为了使机器人有一个良好的起始阶段，在起始阶段就对机器人的质心轨迹进行规划。在 X、Y方向采用五次多项式微分，质心的初始速度为零，终点速度设为倒立摆模型时Y方向的最大速度。之后，质心进入3-D直线倒立摆轨迹模式，然后在半个行走步态后进入双支撑阶段。摆动腿的脚轨迹可以规划为余弦函数，如下：

Z(t)＝A+B*cos(2*pi*t/(Tsup/2))

这里，t∈[0,0.5*Tsup]

3)左腿/右腿单支撑阶段：

由于质心在髋关节坐标系中的相对位置是固定的，因此可以将质心位置视为髋关节位置。在单腿支撑阶段，将半余弦曲线视为周期函数。当然，也可以使用全余弦函数作为Z方向的周期函数。

4)左腿/右腿双支撑阶段：

在双腿支撑阶段，机器人脚接触地面会产生巨大的冲击，为了减轻冲击，增加了双腿支撑阶段。必须解决在双腿支撑阶段，质心的相速度和加速度不连续的问题。这里采用三次多项式微分来计算速度。由于双腿支撑阶段增加了质心在x-y平面上的位移，所以需要根据相同的比例改变步态的整体长度。

5)总体规划：

根据步骤SSOO中定义的行走姿态指令，设计了一个完整的步态，故总体行走姿态指令序列定义如下：

B＝[B_r D_r S_l D_l S_r D_r F_l]。

实施例1

如图2和图3所示，一种基于质心高度补偿的仿人机器人步态生成方法应用于为DRC研发的IPR-I机器人，过程如下：

IPR-I机器人的基本参数如下表所示：

符号	符号的意义	值
			DOF	自由度	36
H	高度	1.65m
			W	重量	80kg
TL	大腿长度	0.305m
			SL	小腿长度	0.300m
AL	臂长	0.500m
			Zc	质心高度	0.55m

利用步态生成器，在IPR-I机器人上通过基于质心高度补偿的3-D直线倒立摆模型进行运动性能测试。如图3所示，从左到右依次显示了从单腿支撑阶段到双腿支撑阶段的步态测试。虽然IPR-I机器人脚还有提前触地的机会，但踏步可以控制在10％以内。为了保证步行机器人的稳定性，在机器人足部安装了六维力和多通道压力传感器，实现了力矩反馈控制和压力阈值检测。

Claims (4)

1.一种基于质心高度补偿的仿人机器人步态生成方法，其特征在于：结合人体自然步态运动规划和3-D直线倒立摆模型下的步态运动规划，包括如下步骤：步骤1)：人体自然步态运动规划的分析；步骤2)：质心高度补偿的分析；所述步骤1)将人体自然步态运动规划简化为3-D直线倒立摆模型进行分析；所述步骤2)在所述步骤1)分析的基础上分析仿人机器人行走时摆动腿的运动对其质心高度的运动轨迹的影响，引入质心高度补偿将仿人机器人行走步态划分为四个阶段，规划其步态生成。

2.根据权利要求1所述的一种基于质心高度补偿的仿人机器人步态生成方法，其特征在于，所述步骤1)包括如下：

所述人体自然步态：所述3-D直线倒立摆模型将质量固定在髋部，使用3-D直线倒立摆模型生成的仿人行走髋部高度的运动轨迹，显示最大步幅与腿最大伸长时的髋部高度之间的关系，由于最大腿伸长度和髋部高度是不变的，机器人的步态将受到限制；

人在行走过程中，人体髋关节轨迹接近余弦曲线，作为仿人机器人行走时的自然步态的一个轨迹优化点。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于质心高度补偿的仿人机器人步态生成方法，其特征在于所述3-D直线倒立摆模型的步态分为单腿支撑和双腿支撑两个阶段：在单腿支撑阶段，机器人动力学建模为一个倒立摆，假设支撑腿为无重力伸缩支腿，质量集中为一个点，无垂直向运动，支撑点的扭矩为零，因此质心自由旋转，基于牛顿-欧拉法，得到3-D直线倒立摆模型与地面之间支承点周围的角动量的动力学方程：

这里，F_gr＝[F_x,F_y,F_z]^T表示地面反作用力产生的扭矩，G_gr＝[0,0,-g]^T代表重力，r_cm＝[x,y,z]^T表示从接触点到质心的矢量，L是质心的线性动量，得到了水平面上的质心轨迹运动方程：

当z_c为常数时，通过求解微分方程得到如下结果：

矢向运动:

横向运动:

这里，(x_i,v_xi)、(x_f,v_xf)和(y_i,v_yi)分别代表质心在矢向面和横向面上的初始和最终位置及速度，t为单腿支撑时间，S(t)＝sinh(t/T_c)和C(t)＝cosh(t/T_c)在固定时间

内。

4.根据权利要求1所述的一种基于质心高度补偿的仿人机器人步态生成方法，其特征在于，所述步骤2)包括如下：

在单腿支撑阶段，引入质心高度补偿，具体步骤包括如下：

行走姿态指令定义为：

C＝[B_l B_r D_l D_r S_l S_r F_l F_r]

分别表示左/右腿的起始阶段，左/右腿的双支撑阶段，左/右腿的单支撑阶段，左/右腿的最终停止阶段，结合行走姿态指令，通过对机器人进行预处理，可以快速获取下一姿态的步态数据，

基于行走姿态指令生成的原始步态，具体包括如下过程：

1)设置行走参数：

设置行走参数如下表所示：

2)左腿/右腿的起始/结束阶段：

在使用3-D直线倒立摆模型时，起始阶段是非常重要的，直接决定机器人能否成功地由静态变为倒立摆的动态模型，如果起始阶段没有进行技术处理，机器人反馈控制机制将受到挑战，

在X、Y方向采用五次多项式微分，质心的初始速度为零，终点速度设为倒立摆模型时Y方向的最大速度，之后，质心进入3-D直线倒立摆轨迹模式，然后在半个行走步态后进入双支撑阶段，摆动腿的脚轨迹可以规划为余弦函数，如下：

Z(t)＝A+B*cos(2*pi*t/(Tsup/2))

这里，t∈[0,0.5*Tsup]

3)左腿/右腿单支撑阶段：

由于质心在髋关节坐标系中的相对位置是固定的，因此将质心位置视为髋关节位置，在单腿支撑阶段，将半余弦曲线视为周期函数，使用全余弦函数作为Z方向的周期函数，

4)左腿/右腿双支撑阶段：

采用三次多项式微分来计算速度，由于双腿支撑阶段增加了质心在x-y平面上的位移，需要根据相同的比例改变步态的整体长度，

5)总体规划：

根据行走姿态指令，设计了一个完整的步态，故总体行走姿态指令序列定义如下：B＝[B_r D_r S_l D_l S_r D_r F_l]。

Images