[发明专利]一种双足机器人爬楼梯步态规划方法、装置及机器人

说明书

本发明公开了一种双足机器人爬楼梯步态规划方法、装置及机器人，其方法包括：在爬楼梯过程中，采用变长一阶倒立摆模型对前向步态进行轨迹规划，根据预设的约束条件约束踝关节的运动轨迹以及采用一阶线性倒立摆模型对侧向步态进行轨迹规划，实现双足机器人爬楼梯；过程为：当面对第一楼梯，控制身体重心左移；抬起摆动腿右脚，令右脚落到楼梯上；将身体重心转移到右脚，并抬起摆动腿左脚，令左脚落到楼梯上；重复以上步骤直至第一楼梯为最后一级楼梯；判断重心是否落在了稳定区域内；若是，则结束行走；若否，则控制两腿进行靠拢，回到起步状态。基于本发明，可实现一种有效的机器人行走方式应用,使得机器人像人类一样自如地在楼梯上行走。

技术领域

本发明涉及智能机器人领域，尤其涉及一种双足机器人爬楼梯步态规划方法、装置及机器人。

背景技术

仿人双足机器人应该实现以下三个特征：可以在人所处的环境工作、能够使用人类的工具和具有人的形状。虽然仿人机器人拥有与人类类似的双足，但由于关节自由度的限制，不能像人类一样完成许多高难度动作。参照法国一公司推出的NAO机器人，其总共拥有25个自由度，可以实现踢足球，打太极，打高尔夫等诸多复杂运动。为了推广仿人双足机器人在日常生活中的应用，机器人能否在现实生活中的诸多复杂地形中自由地行走就变的极其重要。

诸多学者在仿人双足机器人走楼梯方面做出了巨大贡献：Matthew J.Powell等人提出了提出了一种用于多运动行为的双足机器人控制技术的开发方法，陈广龙等人提出了规划步行和控制与期望的ZMP楼梯两足步行机器人的一种新方法：从迭代最优算法得到的期望ZMP不仅具有足够的稳定裕度并且满足执行器规格，而且可用于实现和节能，然后，提出了一种具有力敏感和可变阻抗的控制器，可以很好地感知和补偿环境干扰。

楼梯作为日常生活中最常出现的地形，更是需要针对性地规划出步态规划的可行方案。目前为止，机器人仍无法在楼梯上行走，所以规划一种有效的行走方式应用在这些特殊地面上就变得至关重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种双足机器人爬楼梯步态规划方法、装置及机器人，可以实现一种有效的机器人行走方式应用,使得机器人像人类一样自如地在特殊地面上行走。

为实现以上目的，本发明提供的双足机器人爬楼梯步态规划方法的技术方案如下：

建立双足机器人的摆动腿与支撑腿在走楼梯过程中的关键步态的几何模型；其中，所述关键步态包括起步步态、中步步态以及止步步态；所述中步步态包括前向步态和侧向步态；

在爬楼梯过程中，采用变长一阶倒立摆模型对前向步态进行轨迹规划，根据预设的约束条件约束踝关节的运动轨迹以及采用一阶线性倒立摆模型对侧向步态进行轨迹规划，实现双足机器人爬楼梯；

其中，爬楼梯的过程为：

当面对第一楼梯，控制身体重心左移；

运用踝关节的约束条件控制抬起摆动腿右脚，令右脚落到楼梯上；

将身体重心转移到右脚，并再次运用踝关节的约束条件控制抬起摆动腿左脚，令左脚落到楼梯上；

重复以上步骤直至第一楼梯为最后一级楼梯；

判断重心是否落在了稳定区域内；

若是，则结束行走；

若否，则控制两腿进行靠拢，回到起步状态。

优选地，所述运用踝关节的约束条件控制抬起摆动腿右脚，还包括：

控制摆动腿离开地面和踏上楼梯的瞬时速度接近0，且摆动腿抬起的最高点处的高度高于所述楼梯的高度，并运用样条插值对摆动腿的移动轨迹进行平滑处理。

优选地，所述双足机器人为NAO机器人，所述关键步态的几何模型基于NAO机器人的物理结构及参数进行运动学建模生成。