[发明专利]一种仿人机器人相似性运动的步态规划装置及其规划方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种实现仿人机器人相似性运动的步态规划装置,用于仿人机器人的步态稳定及运动规划问题。

背景技术

长期的自然进化使人体具备了对自身肌肉与骨骼近乎完美的综合控制能力, 表现出动作变换的自然平滑过渡和高度优化的运动能量消耗等特点, 对躯干与肢体的运动协调充分适应复杂多变的外部环境。由于仿人机器人与人体具有较为接近的关节比例结构,实现机器人的相似性运动, 从而使仿人机器人较好地模仿人体自然平滑的运动轨迹, 并优化运动中的能量消耗已成为当前仿人机器人领域的研究热点之一.本发明提出基于关键帧相似性的步态规划算法，利用离线生成的步态数据及对步态相似性的度量，在机器人运动过程中实时计算零力矩点对步态数据进行校正，在降低计算量的同时保证机器人的稳定，较好地解决步态的稳定及快速规划，同时避免某些情况下的运动周期增加。

发明内容

本发明的目的是将特定场合下捕获的人体离散或连续运动轨迹，应用在仿人机器人动作设计上，使仿人机器人行走的稳定性及正确性得到大大提高。

本发明的技术解决方案为：建立关键姿势的相似性变换方法, 并设定动力学与实际物理约束条件, 同时考虑到仿人机器人与人体在关节比例、转角幅度与速度等方面的差异, 引入参数化控制与强化技术, 优化了仿人机器人前向倒地的触地过程, 较好地控制了机器人触地时的地面冲击、触地位置与倒地稳定性。本发明的具体技术方案如图3所示，主要包括应用判定步态相似性、规划髋关节、实时调整 ZMP点相结合的方法规划机器人的步态，使 ZMP 稳定裕量趋近最大，步态可以实时调整，并且调整后的步态能够较好地逼近参考 ZMP 点基于运动相似性的仿人机器人前向倒地动作。

本发明的有益效果: 在降低运算量的同时较好解决了仿人机器人的步态稳定及运动规划问题，并且可以减少步态选择不理想时的时间消耗。

附图说明

图1为本发明实施例的仿人机器人五连杆模型图。

图2为本发明实施例的高层控制函数的控制过程示意图。

图3为本发明实施例的实时调整控制流图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细陈述。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：建立关键姿势的相似性变换方法, 并设定动力学与实际物理约束条件, 同时考虑到仿人机器人与人体在关节比例、转角幅度与速度等方面的差异, 引入参数化控制与强化技术, 优化仿人机器人前向倒地的触地过程, 较好地控制机器人触地时的地面冲击、触地位置与倒地稳定性，具体描述如下：

步骤Ａ，本实施例的图1为本发明仿人机器人五连杆模型图；在系统建立之初，对机器人前向运动单独进行建模分析，其过程如下：

步骤Ａ-１，设机器人有n个关节，各关节角度为:

a={a₁，a₂，…，a_n}

步骤Ａ-２，设机器人有m个连杆，其位姿的齐次变换矩阵为:

A={A₁，A₂，…，A_m}

其中，A_i为各个关节的齐次变换矩阵;A₁, A₂分别表示左脚及右脚的齐次变换矩阵。

步骤Ａ-３，给定机器人的结构，则设定R_i(a)为4x4的齐次变换矩阵且其只与a_i相关。

步骤Ａ-４，设f_ij为第i个关节与第j个关节之间的齐次变换矩阵，且其只与若干a_i取值相关，表示为:

A_j=f_ijA_i

其中，1≦i,j≦n。

步骤Ｂ，利用关键帧对机器人某时刻t各关节角度的样本，分析运动或者变化过程中关键部位所处的状态，其过程如下：

步骤Ｂ-１，设单一关键帧的定义为:

g=g(a. p)

其中，a表示关键帧各个关节的角度;P表示关键帧对应支撑脚的下标。由于A_1、A₂分别表示左脚及右脚的齐次变换矩阵，因此p≡{1,2}。

步骤Ｂ-２，定义步态为一系列关键帧的序列，表示为:

G={g_i}

其中，i为关键帧在步态中的索引。