[发明专利]一种用于双足步行机器人的步行运动规划方法

说明书

本发明提供一种用于双足步行机器人的步行运动规划方法，以全向移动小车为模型，以小车不倾覆为动力学约束条件，考虑了足迹变换中的动力学约束，在局部离散足迹间，使用三维线性倒立摆模型，在线生成髋部轨迹，并通过逆运动学，获得驱动关节轨迹；最终采用多刚体动力学模型，采用ZMP理论判定稳定性，验证关节轨迹的有效性，并优化全方位运动小车及三维线性倒立摆模型参数，最终实现：快速步行条件下，通过动力学约束的双足步行机器人步行运动规划。

技术领域

本发明属于双足步行机器人运动规划领域，特别涉及一种用于双足步行机器人的步行运动规划方法。

背景技术

现有的双足步行运动规划都难以兼顾稳定和高效，这主要因为步行运动远比轮式移动复杂，相关的自由度十几个，为了使机器人不摔倒，需严格符合其动力学约束。快速步行通常稳定性不好，极易摔倒；而稳定性高的步行，则需要牺牲步行速度。

目前对步行运动规划的研究以步态规划和足迹规划为主。步态规划是无环境约束的步行运动规划，足迹规划为考虑环境的步行运动规划。

目前较为成熟的步态规划是基于刚体动力学模型的方法。该方法主要通过对机器人简化处理后的动力学模型，首先规划出关键点的运动轨迹（如髋关节轨迹），根据逆运动学得到各个关节轨迹，再根据正向动力学求解关键参数，应用ZMP等方法判断稳定性，进行优化。因此，动力学模型是该类方法的基础，常用的有各种连杆模型与多刚体模型，但这种模型复杂，运算速度较慢。还有各种简化模型，运算速度快，但稳定性不高，应用最广泛的是三维线性倒立摆模型。

考虑环境约束的步行运动规划主要以足迹规划来实现。足迹规划是以得到从起点到终点的一序列足迹为目标，采用在已知地图中的动态规划或智能搜索算法，以步数最少或距离最短等为优化目标，使机器人依次执行足迹规划得到的足迹序列，即实现了从起点走到终点的任务。

现有的基于步态规划和足迹规划的考虑环境约束的步行运动规划方法为：在已知地图、初始条件、目标状态的条件下，通过足迹规划得到从起点到终点的足迹序列，再根据足迹序列、通过步态规划得到关节轨迹，最终由控制器和关节驱动器按照该关节轨迹进行驱动，完成步行任务。

上述方法只在步态规划得到关节轨迹的阶段考虑动力学约束，在足迹规划阶段不考虑步幅间连接约束问题，因此有可能规划出对于机器人的动力学特性而言很不合理的足迹规划。按照这样的足迹规划，可能会生成违反稳定性约束条件的关节轨迹，最终摔倒。而现有解决该问题的方法即降低步行速度，在慢速行走下，摔倒的概率会大大降低，即使不太合理的步态规划也不容易摔倒，通过降低步频或降低步幅都可以达到该目的。但这种方法没有发挥出机器人的潜力，步行速度很慢。

发明内容

本发明提供了一种用于双足步行机器人的步行运动规划方法，在一定程度上兼顾了步行的稳定性与高效性。双足步行运动规划问题是双足步行机器人的研究热点。作为移动机器人，能够通过传感器获取信息，进行合理的运动规划，并通过决策算法，自主运动到达目的地是一项基本能力。而其中双足步行运动规划问题是双足机器人所特有的问题，其它如自定位、控制驱动都是机器人的通用问题。因此，双足步行运动规划是制约双足机器人发展的关键问题。

为解决上述主流方法的问题，需在足迹规划阶段考虑由动力学约束而来的连续几步间的约束问题，但这会造成足迹规划问题的空间维数增多，因此把足迹规划问题分成两部分，即路径规划和路径跟随。路径规划为得到一条由起点到终点的无障碍路径为目标，路径跟随为根据该路径以最快步行速度为条件的足迹序列。步行运动规划方法由原来的流程：足迹规划—步态规划—动力学约束优化步态过，转变为新的流程：路径规划—路径跟随—步态规划—动力学约束优化步态。在路径跟随阶段即考虑动力学约束。