CN114248804B - 步态规划方法、装置、电子设备及可读存储介质 - Google Patents

步态规划方法、装置、电子设备及可读存储介质 Download PDF

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CN114248804B CN202111512431.2A CN202111512431A CN114248804B CN 114248804 B CN114248804 B CN 114248804B CN 202111512431 A CN202111512431 A CN 202111512431A CN 114248804 B CN114248804 B CN 114248804B
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Abstract

本申请提供了一种步态规划方法、装置、电子设备及可读存储介质，涉及机器人技术领域。该方法包括：根据仿人机器人上身的当前姿态信息、在当前步态周期末尾的第一期望姿态信息及在下一步态周期末尾的第二期望姿态信息，计算得到仿人机器人的上身姿态在当前步态周期的剩余时间段内的第一角加速度轨迹及在下一步态周期内的第二角加速度轨迹，上述三个姿态信息中均包括目标姿态角的角度及目标姿态角的角速度，目标姿态角包括俯仰角和/或横滚角；根据第一角加速度轨迹及第二角加速度轨迹，计算得到仿人机器人在当前步态周期末尾的落足点位置，落足点位置使仿人机器人稳定。如此，可使机器人的上身姿态满足实际需求，同时保证机器人的稳定。

Description

步态规划方法、装置、电子设备及可读存储介质
技术领域
本申请涉及机器人技术领域，具体而言，涉及一种步态规划方法、装置、电子设备及可读存储介质。
背景技术
双足仿人机器人是具有多自由度的复杂***。目前，双足仿人机器人的步态规划方法大多基于简化模型，比如，使用线性倒立摆或弹簧倒立摆进行规划。由于模型的简化，这类方法往往假设机器人的上身姿态是不变的，也即，机器人的上身姿态一直是固定的一个姿态。这种方式无法满足某些情况下的姿态要求。
发明内容
本申请实施例提供了一种步态规划方法、装置、电子设备及可读存储介质，其可以根据用户指令或机器人实时状态对上身姿态轨迹进行自由调整，以满足姿态要求，并通过调整落足点位置保证机器人速度的稳定性。
本申请实施例的实施例可以这样实现：
第一方面，本申请实施例提供一种步态规划方法，包括：
根据仿人机器人上身的当前姿态信息、在当前步态周期末尾的第一期望姿态信息及在下一步态周期末尾的第二期望姿态信息，计算得到所述仿人机器人的上身姿态在当前步态周期的剩余时间段内的第一角加速度轨迹及在所述下一步态周期内的第二角加速度轨迹，其中，所述当前姿态信息、第一期望姿态信息及第二期望姿态信息中均包括目标姿态角的角度及目标姿态角的角速度，所述目标姿态角包括俯仰角和/或横滚角；
根据所述第一角加速度轨迹及第二角加速度轨迹，计算得到所述仿人机器人在当前步态周期末尾的落足点位置，其中，所述落足点位置使所述仿人机器人稳定。
第二方面，本申请实施例提供一种步态规划装置，包括：
姿态轨迹计算模块，用于根据仿人机器人上身的当前姿态信息、在当前步态周期末尾的第一期望姿态信息及在下一步态周期末尾的第二期望姿态信息，计算得到所述仿人机器人的上身姿态在当前步态周期的剩余时间段内的第一角加速度轨迹及在所述下一步态周期内的第二角加速度轨迹，其中，所述当前姿态信息、第一期望姿态信息及第二期望姿态信息中均包括目标姿态角的角度及目标姿态角的角速度，所述目标姿态角包括俯仰角和/或横滚角；
落足点计算模块，用于根据所述第一角加速度轨迹及第二角加速度轨迹，计算得到所述仿人机器人在当前步态周期末尾的落足点位置，其中，所述落足点位置使所述仿人机器人稳定。
第三方面，本申请实施例提供一种电子设备，包括处理器和存储器，所述存储器存储有能够被所述处理器执行的机器可执行指令，所述处理器可执行所述机器可执行指令以实现前述实施方式所述的步态规划方法。
第四方面，本申请实施例提供一种可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如前述实施方式所述的步态规划方法。
本申请实施例提供的步态规划方法、装置、电子设备及可读存储介质，根据获得的仿人机器人上身在当前时刻的当前姿态信息、在当前步态周期末尾的第一期望姿态信息及在下一步态周期末尾的第二期望姿态信息，计算得到该仿人机器人的上身姿态在当前步态周期的剩余时间段内的第一角加速度轨迹及在下一步态周期内的第二角加速度轨迹，进而根据该第一角加速度轨迹及第二角加速度轨迹，计算得到使仿人机器人稳定的在当前步态周期末尾的落足点位置，其中，上述三个姿态信息中均包括目标姿态角的角度及目标姿态角的角速度，所述目标姿态角包括俯仰角和/或横滚角。如此，可以根据实际需求设置不同的上身姿态，无需机器人上身姿态持续不变，并通过设置相应的落足点位置保证机器人稳定。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例提供的电子设备的方框示意图；
图2为本申请实施例提供的步态规划方法的流程示意图；
图3为本申请实施例提供的仿人机器人的姿态示意图；
图4为图2中步骤S110包括的子步骤的流程示意图；
图5为图2中步骤S120包括的子步骤的流程示意图之一；
图6为图2中步骤S120包括的子步骤的流程示意图之二；
图7为本申请实施例提供的步态规划装置的方框示意图。
图标：100-电子设备；110-存储器；120-处理器；130-通信单元；200-步态规划装置；210-姿态轨迹计算模块；220-落足点计算模块。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
双足仿人机器人是具有多自由度的复杂***。目前，双足仿人机器人的步态规划方法大多基于简化模型，比如，使用线性倒立摆或弹簧倒立摆进行规划。由于模型的简化，这类方法往往假设机器人的上身姿态是不变的，也即，机器人的上身姿态一直是固定的一个姿态。而人类行走在受到扰动时可通过姿态的调节来保持稳定，由此可知上身姿态固定大大限制了机器人的抗干扰能力，并且无法满足某些情况下的姿态要求。
针对上述问题，本申请实施例提供了一种步态规划方法、装置、电子设备及可读存储介质，可根据用户指令或机器人实时状态，对机器人的上身姿态轨迹进行自由调整，使得可提高抗干扰能力，以及满足实际需求，同时根据调整后的姿态确定出能保证机器人速度稳定的落足点位置。
下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
请参照图1，请参照图1，图1为本申请实施例提供的电子设备100的方框示意图。所述电子设备100可以是，但不限于，仿人机器人或其他设备等。所述电子设备100可以包括存储器110、处理器120及通信单元130。所述存储器110、处理器120以及通信单元130各元件相互之间直接或间接地电性连接，以实现数据的传输或交互。例如，这些元件相互之间可通过一条或多条通讯总线或信号线实现电性连接。
其中，存储器110用于存储程序或者数据。所述存储器110可以是，但不限于，随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)，只读存储器(Read Only Memory，ROM)，可编程只读存储器(Programmable Read-Only Memory，PROM)，可擦除只读存储器(ErasableProgrammable Read-Only Memory，EPROM)，电可擦除只读存储器(Electric ErasableProgrammable Read-Only Memory，EEPROM)等。
处理器120用于读/写存储器110中存储的数据或程序，并执行相应地功能。比如，存储器110中存储有步态规划装置200，所述步态规划装置200包括至少一个可以软件或固件(firmware)的形式存储于所述存储器110中的软件功能模块。所述处理器120通过运行存储在存储器110内的软件程序以及模块，如本申请实施例中的步态规划装置200，从而执行各种功能应用以及数据处理，即实现本申请实施例中的步态规划方法。
通信单元130用于通过网络建立所述电子设备100与其它通信终端之间的通信连接，并用于通过所述网络收发数据。
应当理解的是，图1所示的结构仅为电子设备100的结构示意图，所述电子设备100还可包括比图1中所示更多或者更少的组件，或者具有与图1所示不同的配置。图1中所示的各组件可以采用硬件、软件或其组合实现。
请参照图2，图2为本申请实施例提供的步态规划方法的流程示意图。所述方法可以应用于上述电子设备100。下面对步态规划方法的具体流程进行详细阐述。所述方法可以包括步骤S110及步骤S120。
步骤S110，根据仿人机器人上身的当前姿态信息、在当前步态周期末尾的第一期望姿态信息及在下一步态周期末尾的第二期望姿态信息，计算得到所述仿人机器人的上身姿态在当前步态周期的剩余时间段内的第一角加速度轨迹及在所述下一步态周期内的第二角加速度轨迹。
下面首先结合图3对仿人机器人的上身姿态进行说明。
当仿人机器人的某个支撑腿的足底与地面接触时，可以将地面上与支撑腿接触的位置作为世界坐标系的原点，建立笛卡尔右手坐标系，使X轴的正方向代表双足机器人的前进方向，使Z轴的正方向垂直地面向上。此时，由X轴与Z轴所构成的俯仰面即为仿人机器人能够作出俯仰变化操作的平面，由Y轴与Z轴所构成的横滚面即为仿人机器人能够作出横滚变化操作的平面。在俯仰面内，仿人机器人的上身末端与上身质心之间的连线与Z轴正方向之间的夹角即为仿人机器人上身的俯仰角θ。在横滚面内，仿人机器人的上身末端与上身质心之间的连线与Z轴正方向之间的夹角即为仿人机器人上身的横滚角γ。
在本实施例中，可以获得仿人机器人上身在当前时刻的当前姿态信息、在当前步态周期末尾的第一期望姿态信息及在下一步态周期末尾的第二期望姿态信息。其中，所述当前姿态信息、第一期望姿态信息及第二期望姿态信息中均包括目标姿态角的角度及目标姿态角的角速度。目标姿态角为期望调整的角，比如，若用户设置了在当前步态周期末尾期望的俯仰角角度，则可以将俯仰角作为所述目标姿态角。
也就是说，所述当前姿态信息中可以包括目标姿态角的当前角度及目标姿态角的当前角速度，所述第一期望姿态信息中可以包括目标姿态角的第一期望角度及目标姿态角的第一期望角速度，所述第二期望姿态信息中可以包括目标姿态角的第二期望角度及目标姿态角的第二期望角速度。即，所述第一期望姿态信息及第二期望姿态信息，描述的是在两个步态周期末尾期望的目标姿态角的角度及期望的角速度。
所述第一期望姿态信息及第二期望姿态信息，可以是基于用户指令设置的，也可以是根据机器人状态设置的，在此不进行具体限定。
其中，所述当前步态周期为当前时刻所在的某个步态周期。仿人机器人的左腿或右腿，可以在一个步态周期内由地面的一个位置移动到地面的另外一个位置。可以理解的是，在一个步态周期结束后，支撑足会发生切换，比如，在当前步态周期支持足为左腿，那么在下一个步态周支撑足则切换为右腿。
在获得所述当前姿态信息、所述第一期望姿态信息及所述第二期望姿态信息的信息，可以计算出仿人机器人的上身姿态在当前步态周期的剩余时间段内的第一角加速度轨迹，以及仿人机器人的上身姿态在下一步态周期内的第二角加速度轨迹。其中，所述剩余时间段的起点为当前时刻，终点为当前步态周期的末尾时刻。
步骤S120，根据所述第一角加速度轨迹及第二角加速度轨迹，计算得到所述仿人机器人在当前步态周期末尾的落足点位置。
在本实施例中，可以根据所述第一角加速度轨迹及第二角加速度轨迹，以及保证所述仿人机器人速度稳定的条件，计算出所述仿人机器人在当前步态周期末尾的落足点位置。
如此，可根据用户指令或机器人实时状态，对仿人机器人的上身姿态轨迹进行自由调整，以满足姿态需求，并通过落足点位置调整保证机器人速度的稳定性。并且，该方法计算量小，可实现实时在线规划。
请参照图4，图4为图2中步骤S110包括的子步骤的流程示意图。在本实施例中，步骤S110可以包括子步骤S111～子步骤S114。其中，子步骤S111～子步骤S112与子步骤S113～子步骤S114可以是同时执行的，也可以是依次执行的，在此不进行具体限定。
子步骤S111，根据所述当前姿态信息及第一期望姿态信息进行轨迹拟合，得到连续的用于连接由所述当前姿态信息到所述第一期望姿态信息的第一拟合轨迹。
在本实施例中，可以根据所述当前姿态信息、第一期望姿态信息及预设拟合公式，产生所述仿人机器人的第一端上身姿态轨迹，以作为所述第一拟合轨迹。所述第一拟合轨迹用于连接当前姿态到当前步态周期末尾姿态。其中，所述预设拟合公式可以是用户指定的，也可以是所述电子设备100自行选定的。
子步骤S112，根据所述第一拟合轨迹，得到所述第一角加速度轨迹。
在获得所述第一拟合轨迹的情况，可进行关于时间的求导处理，从而得到所述仿人机器人的上身姿态在所述剩余时间段内的第一角加速度轨迹。
子步骤S113，根据所述第一期望姿态信息及第二期望姿态信息进行轨迹拟合，得到连续的用于连接由所述第一期望姿态信息到所述第二期望姿态信息的第二拟合轨迹。
子步骤S114，根据所述第二拟合轨迹，得到所述第二角加速度轨迹。
同理，可通过轨迹拟合，得到用于连接当前步态周期末尾姿态到下一步态周期末尾姿态的第二拟合轨迹，并通过对该第二拟合轨迹进行关于时间的求导，从而得到所述仿人机器人的上身姿态在所述下一步态周期内的第二角加速度轨迹。
下面对如何计算得到第一角加速度轨迹及第二角加速度轨迹，进行举例说明。
假设所述目标姿态角仅包括俯仰角θ。假设：步态周期为T，当前步态周期已经过的时间为t0；仿人机器人当前的上身姿态为θ0、上身姿态角的角速度为vθ0；期望仿人机器人在当前步态周期末尾的上身姿态为上身姿态角的角速度为/>期望仿人机器人在下一步态周期末尾的上身姿态为/>上身姿态角的角速度为/>作为一种的实现方式，预设拟合公式为三阶多项式，可通过该三阶多项式产生两段连续的上身姿态轨迹，分别连接当前姿态θ0到当前步态周期末尾姿态/>(其中，时长为T-t0)、当前步态周期末尾姿态/>到下一步态周期末尾姿态/>(时长为T)。
预设拟合公式为：
θtraj(t)＝a0+a1t+a2t2+a3t3 (1)
则其速度轨迹为：
其中，角速度轨迹为：
根据当前的上身姿态、角速度和当前步态周期末尾期望的上身姿态、角速度，可以得到以下四个约束：
θtraj(0)＝θ0 (4)
将公式(1)、(2)带入公式(4)-(7)，求解四元四次方程组即可得到三阶多项式的参数a0、a1、a2、a3，进而得到在剩余时间段内上身的姿态轨迹θtraj1(t)(即第一拟合轨迹)、角速度轨迹(即第一拟合速度轨迹)和角加速度轨迹/>(即第一角加速度轨迹)。
同理，可获得仿人机器人在下一步态周期内上身的角加速度轨迹(即第二角加速度轨迹)。
可以理解的是，若所述目标姿态角仅包括横滚角γ，可以利用相同方式，计算得到仿人机器人的上身在剩余时间段内横滚角的第一角加速度轨迹及在下一步态周期内的第二角加速度轨迹/>若所述目标姿态角包括俯仰角θ和横滚角γ，则可以通过以上方式，计算得到仿人机器人的上身的俯仰角在剩余时间段内的第一角加速度轨迹/>在下一步态周期内的第二角加速度轨迹/>以及上身的横滚角在剩余时间段内的第一角加速度轨迹/>在下一步态周期内的第二角加速度轨迹/>
在所述目标姿态角包括俯仰角的情况下，可通过图5所示方式计算得到与俯仰角对应的前向位置，即计算得到落足点的前向位置。请参照图5，图5为图2中步骤S120包括的子步骤的流程示意图之一。在本实施例中，步骤S120可以包括子步骤S121～子步骤S123。
子步骤S121，根据俯仰角的第一角加速度轨迹及质心运动学规律，计算得到当前时刻的第一前向位置及第一前向速度与当前步态周期末尾的第二前向位置及第二前向速度的第一关系式。
子步骤S122，根据俯仰角的第二角加速度轨迹及质心运动学规律，计算得到下一步态周期内初始的第三前向位置和第三前向速度与末尾的第四前向位置和第四前向速度的第二关系式。
在本实施例中，在计算得到所述第一关系式及第二关系式时，使用的与质心运动学规律对应的质心动力学模型为：
其中，m表示机器人总质量，J表示机器人上身转动惯量，g表示重力加速度，x表示上身相对于支撑足的前向位置，表示前向加速度，/>表示上身相对于支撑足的俯仰角的角加速度，zd表示固定的上身相对于支撑足的高度，fx表示支撑足所受的x方向上的力，fz表示支撑足所受的z方向上的力。在本实施例中，机器人的上身高度保持为常数zd不变，可以理解的是，在使用上述质心动力学模型时，上述常数zd表示的是步态规划所对应的仿人机器人的上身高度。
由上述公式(8)可以得到：
令由上述描述可知，/>的轨迹为已知的固定轨迹，因此u(t)也是已知的固定轨迹。
针对所述剩余时间段，可将所述剩余时间段分为N个子时间段，将公式(9)写为离散形式后，可得到如下公式：
其中，t0表示在当前步态周期已经过的时间。
假设仿人机器人当前时刻的第一前向位置为x0、当前时刻的第一前向速度为vx0，则当前步态周期末尾的第二前向位置xN及第二前向速度vxN为：
其中，u1(i)为u1(t)的离散化表示。上述公式(11)即为当前时刻的第一前向位置x0及第一前向速度vx0与当前步态周期末尾的第二前向位置xN及第二前向速度vxN的第一关系式。其中，此处的第一前向位置及第二前向位置为上身质心相对于支撑足的前向位置，此处的第一当前速度及第二前向速度为上身质心相对于支撑足的前向速度。
接着，同理，可基于公式(11)进行积分，得到下一步态周期末尾的第四前向位置及第四前向速度/>为：
其中，
其中，u2(i)为u2(t)的离散化表示，表示俯仰角的第二角加速度轨迹，M表示将下一步态周期划分成子时间段的数量，/>表示所述第四前向位置，/>表示所述第四前向速度，/>表示所述第三前向位置，/>表示所述第三前向速度。上述公式(12)即为下一步态周期内初始的第三前向位置和第三前向速度与末尾的第四前向位置和第四前向速度的第二关系式。
子步骤S123，根据所述第一关系式及第二关系式，计算得到所述仿人机器人在当前步态周期末尾落足点的前向位置。
在本实施例中，可根据所述第一关系式、所述第二关系式、所述第二前向速度与所述第三前向速度之间的关系、当前步态周期的落足点相对于上身的前向位置与所述第三前向位置之间的关系，计算得到本步落足点相对于上身的前向位置。
其中，下一步态周期内初始的第三前向速度与当前步态周期末尾的第二前向速度vxN之间的关系为：/>也即下步初始的第三前向速度/>即为本步末尾的第二前向速度vxN。
由于当前步态周期与下一步态周期的支撑脚不同，即支撑脚切换，当前步态周期的落足点相对于上身(即上身质心)的前向位置xfoot与下一步态周期内初始的第三前向位置与之间的关系为：/>也即，下一步态周期内初始的第三前向位置/>是当前步态周期的落足点相对于上身的前向位置xfoot的相反数。
令：
设下一步态周期末尾的第四前向速度为vd，则根据公式(14)(即第二关系式)则有：
进而可计算得到本步落足点相对于上身质心的位置为：
如此，通过可变姿态的质心动力学模型预测本步末尾时上身的水平方向速度，并在使得下步末尾时上身水平方向速度为期望的速度的条件下，计算出本步落足点相对于上身质心的前向位置。该本步落足点相对于上身质心的前向位置，可以使得机器人水平方向速度稳定。
可选地，在计算本步落足点相对于上身质心的前向位置、以及当前步态周期末尾时的第二前向位置(即上身质心相对于支撑足的前向位置)，计算得到本步落足点相对于支撑足的前向位置，并将其作为步态规划结果。
在所述目标姿态角包括横滚角的情况下，可通过图6所示方式计算得到与横滚角对应的横向位置，即计算得到落足点的横向位置。请参照图6，图6为图2中步骤S120包括的子步骤的流程示意图之二。在本实施例中，步骤S120还可以包括子步骤S125～子步骤S127。
子步骤S125，根据横滚角的第一角加速度轨迹及质心运动学规律，计算得到当前时刻的第一横向位置及第一横向速度与当前步态周期末尾的第二横向位置及第二横向速度的第三关系式。
子步骤S126，根据横滚角的第二角加速度轨迹及质心运动学规律，计算得到下一步态周期内初始的第三横向位置和第三横向速度与末尾的第四横向位置和第四横向速度的第四关系式。
子步骤S127，根据所述第三关系式及第四关系式，计算得到所述仿人机器人在当前步态周期末尾落足点的横向位置。
其中，在本实施例中，在计算得到所述第三关系式及第四关系式时，使用的与质心运动学规律对应的质心动力学模型为：
其中，y表示上身相对于支撑足的横向位置，表示横向加速度，/>表示上身相对于支撑足的横滚角的角加速度，fy表示支撑足所受的y方向上的力。
其中，所述第三关系式为：
其中，
其中，u'1(i)为u'1(t)的离散化表示，表示横滚角的第一角加速度轨迹，yN表示所述第二横向位置，vyN表示所述第二横向速度，y0表示所述第一横向位置，vy0表示所述第一横向速度。
所述第四关系式为：
其中，
其中，u'2(i)为u'2(t)的离散化表示，表示横滚角的第二角加速轨迹，/>表示所述第四横向位置，/>表示所述第四横向速度，/>表示所述第三横向位置，/>表示所述第三横向速度。
在本实施例中，根据所述第三关系式、所述第四关系式、所述第二横向速度与所述第三横向速度之间的关系、当前步态周期的落足点相对于上身的横向位置与所述第三横向位置之间的关系，计算得到本步落足点相对于上身的横向位置。其中，所述第二横向速度与所述第三横向速度之间的关系为：所述当前步态周期的落足点相对于上身的横向位置与所述第三横向位置之间的关系为：/>yfoot表示本步落足点相对于上身的横向位置。
计算本步落足点相对于上身的横向位置的方式与计算本步落足点相对于上身的前向位置的方式的原理相同，关于如何计算本步落足点相对于上身的横向位置的详细描述，可以参照上文对如何计算本步落足点相对于上身的前向位置的说明，在此不再赘述。
在计算得到落足点位置之后，可以将该落足点位置发送给机器人底层控制器进行跟踪，实现上身姿态可自由调整的稳定行走。还可以将在落足点位置时的前向速度和/或横向速度，发送给机器人底层控制器，以便进行相应控制。
为了执行上述实施例及各个可能的方式中的相应步骤，下面给出一种步态规划装置200的实现方式，可选地，该步态规划装置200可以采用上述图1所示的电子设备100的器件结构。进一步地，请参照图7，图7为本申请实施例提供的步态规划装置200的方框示意图。需要说明的是，本实施例所提供的步态规划装置200，其基本原理及产生的技术效果和上述实施例相同，为简要描述，本实施例部分未提及之处，可参考上述的实施例中相应内容。所述步态规划装置200可以包括：姿态轨迹计算模块210及落足点计算模块220。
所述姿态轨迹计算模块210，用于根据仿人机器人上身的当前姿态信息、在当前步态周期末尾的第一期望姿态信息及在下一步态周期末尾的第二期望姿态信息，计算得到所述仿人机器人的上身姿态在当前步态周期的剩余时间段内的第一角加速度轨迹及在所述下一步态周期内的第二角加速度轨迹。其中，所述当前姿态信息、第一期望姿态信息及第二期望姿态信息中均包括目标姿态角的角度及目标姿态角的角速度，所述目标姿态角包括俯仰角和/或横滚角。
所述落足点计算模块220，用于根据所述第一角加速度轨迹及第二角加速度轨迹，计算得到所述仿人机器人在当前步态周期末尾的落足点位置。其中，所述落足点位置使所述仿人机器人稳定。
可选地，上述模块可以软件或固件(Firmware)的形式存储于图1所示的存储器110中或固化于电子设备100的操作***(Operating System，OS)中，并可由图1中的处理器120执行。同时，执行上述模块所需的数据、程序的代码等可以存储在存储器110中。
本申请实施例还提供一种可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的步态规划方法。
综上所述，本申请实施例提供一种步态规划方法、装置、电子设备及可读存储介质，根据获得的仿人机器人上身在当前时刻的当前姿态信息、在当前步态周期末尾的第一期望姿态信息及在下一步态周期末尾的第二期望姿态信息，计算得到该仿人机器人的上身姿态在当前步态周期的剩余时间段内的第一角加速度轨迹及在下一步态周期内的第二角加速度轨迹，进而根据该第一角加速度轨迹及第二角加速度轨迹，计算得到使仿人机器人稳定的在当前步态周期末尾的落足点位置，其中，上述三个姿态信息中均包括目标姿态角的角度及目标姿态角的角速度，所述目标姿态角包括俯仰角和/或横滚角。如此，可以根据实际需求设置不同的上身姿态，无需机器人上身姿态持续不变，并通过设置相应的落足点位置保证机器人稳定。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本申请的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的***来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
另外，在本申请各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述仅为本申请的可选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种步态规划方法，其特征在于，包括：
根据仿人机器人上身的当前姿态信息、在当前步态周期末尾的第一期望姿态信息及在下一步态周期末尾的第二期望姿态信息，计算得到所述仿人机器人的上身姿态在当前步态周期的剩余时间段内的第一角加速度轨迹及在所述下一步态周期内的第二角加速度轨迹，其中，所述当前姿态信息、第一期望姿态信息及第二期望姿态信息中均包括目标姿态角的角度及目标姿态角的角速度，所述目标姿态角包括俯仰角和/或横滚角；
根据所述第一角加速度轨迹及第二角加速度轨迹，计算得到所述仿人机器人在当前步态周期末尾的落足点位置，其中，所述落足点位置使所述仿人机器人稳定；
其中，在所述目标姿态角包括俯仰角的情况下，所述根据所述第一角加速度轨迹及第二角加速度轨迹，计算得到所述仿人机器人在当前步态周期末尾的落足点位置，包括：根据俯仰角的第一角加速度轨迹及质心运动学规律，计算得到当前时刻的第一前向位置及第一前向速度与当前步态周期末尾的第二前向位置及第二前向速度的第一关系式；根据俯仰角的第二角加速度轨迹及质心运动学规律，计算得到下一步态周期内初始的第三前向位置和第三前向速度与末尾的第四前向位置和第四前向速度的第二关系式；根据所述第一关系式及第二关系式，计算得到所述仿人机器人在当前步态周期末尾落足点的前向位置；
在所述目标姿态角包括横滚角的情况下，所述根据所述第一角加速度轨迹及第二角加速度轨迹，计算得到所述仿人机器人在当前步态周期末尾的落足点位置，包括：根据横滚角的第一角加速度轨迹及质心运动学规律，计算得到当前时刻的第一横向位置及第一横向速度与当前步态周期末尾的第二横向位置及第二横向速度的第三关系式；根据横滚角的第二角加速度轨迹及质心运动学规律，计算得到下一步态周期内初始的第三横向位置和第三横向速度与末尾的第四横向位置和第四横向速度的第四关系式；根据所述第三关系式及第四关系式，计算得到所述仿人机器人在当前步态周期末尾落足点的横向位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在计算得到所述第一关系式及第二关系式时，使用的与质心运动学规律对应的质心动力学模型为：
其中，m表示机器人总质量，J表示机器人上身转动惯量，g表示重力加速度，x表示上身相对于支撑足的前向位置，表示前向加速度，/>表示上身相对于支撑足的俯仰角的角加速度，zd表示固定的上身相对于支撑足的高度，fx表示支撑足所受的x方向上的力，fz表示支撑足所受的z方向上的力。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一关系式为：
其中，
其中，u1(i)为u1(t)的离散化表示，表示俯仰角的第一角加速度轨迹，T表示步态周期，t0表示在当前步态周期已经过的时间，N表示将剩余时间段划分成子时间段的数量，x(N)表示所述第二前向位置，vxN表示所述第二前向速度，x0表示所述第一前向位置，vx0表示所述第一前向速度；
所述第二关系式为：
其中，
其中，u2(i)为u2(t)的离散化表示，表示俯仰角的第二角加速度轨迹，M表示将下一步态周期划分成子时间段的数量，/>表示所述第四前向位置，/>表示所述第四前向速度，/>表示所述第三前向位置，/>表示所述第三前向速度。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述第一关系式及第二关系式，计算得到所述仿人机器人在当前步态周期末尾落足点的前向位置，包括：
根据所述第一关系式、所述第二关系式、所述第二前向速度与所述第三前向速度之间的关系、当前步态周期的落足点相对于上身的前向位置与所述第三前向位置之间的关系，计算得到本步落足点相对于上身的前向位置，其中，所述第二前向速度与所述第三前向速度之间的关系为：所述当前步态周期的落足点相对于上身的前向位置与所述第三前向位置之间的关系为：/>xfoot表示本步落足点相对于上身的前向位置。
5.根据权利要求1-4中任意一项的所述的方法，其特征在于，所述根据仿人机器人上身的当前姿态信息、在当前步态周期末尾的第一期望姿态信息及在下一步态周期末尾的第二期望姿态信息，计算得到所述仿人机器人的上身姿态在第一时间段内的第一角加速度轨迹及在第二时间段内的第二角加速度轨迹，包括：
根据所述当前姿态信息及第一期望姿态信息进行轨迹拟合，得到连续的用于连接由所述当前姿态信息到所述第一期望姿态信息的第一拟合轨迹；
根据所述第一拟合轨迹，得到所述第一角加速度轨迹；
根据所述第一期望姿态信息及第二期望姿态信息进行轨迹拟合，得到连续的用于连接由所述第一期望姿态信息到所述第二期望姿态信息的第二拟合轨迹；
根据所述第二拟合轨迹，得到所述第二角加速度轨迹。
6.一种步态规划装置，其特征在于，包括：
姿态轨迹计算模块，用于根据仿人机器人上身的当前姿态信息、在当前步态周期末尾的第一期望姿态信息及在下一步态周期末尾的第二期望姿态信息，计算得到所述仿人机器人的上身姿态在当前步态周期的剩余时间段内的第一角加速度轨迹及在所述下一步态周期内的第二角加速度轨迹，其中，所述当前姿态信息、第一期望姿态信息及第二期望姿态信息中均包括目标姿态角的角度及目标姿态角的角速度，所述目标姿态角包括俯仰角和/或横滚角；
落足点计算模块，用于根据所述第一角加速度轨迹及第二角加速度轨迹，计算得到所述仿人机器人在当前步态周期末尾的落足点位置，其中，所述落足点位置使所述仿人机器人稳定；
其中，在所述目标姿态角包括俯仰角的情况下，所述落足点计算模块，具体用于：根据俯仰角的第一角加速度轨迹及质心运动学规律，计算得到当前时刻的第一前向位置及第一前向速度与当前步态周期末尾的第二前向位置及第二前向速度的第一关系式；根据俯仰角的第二角加速度轨迹及质心运动学规律，计算得到下一步态周期内初始的第三前向位置和第三前向速度与末尾的第四前向位置和第四前向速度的第二关系式；根据所述第一关系式及第二关系式，计算得到所述仿人机器人在当前步态周期末尾落足点的前向位置；
在所述目标姿态角包括横滚角的情况下，所述落足点计算模块，具体用于：根据横滚角的第一角加速度轨迹及质心运动学规律，计算得到当前时刻的第一横向位置及第一横向速度与当前步态周期末尾的第二横向位置及第二横向速度的第三关系式；根据横滚角的第二角加速度轨迹及质心运动学规律，计算得到下一步态周期内初始的第三横向位置和第三横向速度与末尾的第四横向位置和第四横向速度的第四关系式；根据所述第三关系式及第四关系式，计算得到所述仿人机器人在当前步态周期末尾落足点的横向位置。
7.一种电子设备，其特征在于，包括处理器和存储器，所述存储器存储有能够被所述处理器执行的机器可执行指令，所述处理器可执行所述机器可执行指令以实现权利要求1-5中任意一项所述的步态规划方法。
8.一种可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-5中任意一项所述的步态规划方法。
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