[发明专利]一种双足机器人步态生成与优化方法

说明书

本发明公开了一种双足机器人步态生成与优化方法，在有限状态机中，根据双足机器人的状态的目标位姿构建双足机器人的步态库；设定触发机器人各状态之间相互切换条件；在每个状态切换过程中，利用关节三次插值法对支撑腿的运动轨迹进行规划，利用高斯伪谱法对摆动腿的运动轨迹进行优化；最终由有限状态机生成双足机器人多种不同运动模式的步态，本发明所提出的双足机器人步态生成与优化方法，不考虑ZMP的约束，有无脚底边的双足机器人都可以使用该种方法生成步行轨迹。使得规划过程简单可操作，更适合在线生成，配合简单的控制策略就可以使得双足步行机器人稳定行走，完成走、跑、跳等动作。

技术领域

本发明属于仿人机器人技术领域，具体涉及一种双足机器人步态生成与优化方法。

背景技术

双足机器人具有人类外形特征，采用双足行走、双手作业，易于适应人类工作环境和使用人类工具等特点，使其在老龄化社会家庭服务、公共安全等危险环境作业、国防等领域具有重大应用需求。虽然现今双足机器人在结构化环境中的运动规划、平衡控制、作业以及系统集成方面取得了标志性成果，但相比于工业机器人在工业生产的广泛应用，双足机器人离实际应用还有较大的差距。双足机器人的行走步态直接影响机器人的行走性能，不同的步态具有不同的稳定性、能效、拟人化程度等特点，因而设计一个合理的行走步态十分重要。人类具有不同的行走步态以适应不同的行走环境，创建一套方便实现不同行走步态的算法将有助于提升双足机器人的性能，提升其实用性。当机器人实际行走过程中容易受到外界环境因素的干扰而偏离规划的参考值，采用一定的控制算法对关节进行控制使其回复到参考值继续跟踪预期目标是双足机器人行走过程必须考虑的问题之一。

当前对于双足机器人在行走步态规划和稳定控制算法的研究大多集中在基于动力学模型、模型预测控制等方面，往往需要复杂的轨迹规划及运算求解，鲜有考虑步态模式的快速生成与切换、摆动腿快速反馈与应对等方面的问题。所以需要产生一种能够在线规划、不简化及忽略双足机器人全身动力学因素的相互耦合、过程简单并适用于多种双足机器人的步态生成方法，并从双足机器人能耗角度出发对步态规划进行优化，得到运行规划。

现有技术中提出一种利用振荡神经元单元全向耦合生成脚掌和质心轨迹，利用传感器检测环境信息形成反馈回路得到步态轨迹；另外有一种球铰连杆双自由度拇指根部关节装置，采用双电机与螺纹连接、球铰和人字连杆机构等，综合实现拇指根部的独立摆动和贴合动作；还有人提出一种基于丝杠连杆机构的五指灵巧手手指侧摆与对掌机构，利用丝杠螺母与连杆系统实现手指基关节两自由度的运动。上述发明专利所提出的基关节传动方式，电机放置位置受被驱动对象限制大量占用手掌空间，增加手的重量降低灵活性，而且配合安装复杂精度要求高，没有驱动方式的通用性。

发明内容

为了解决现有技术中的不足，提出了一种双足机器人步态生成与优化方法，目的在于提供一种普适性更高的双足机器人步态生成方法。

本发明所采用的技术方案如下：

一种双足机器人步态生成与优化方法，在有限状态机中，根据双足机器人的状态的目标位姿构建双足机器人的步态库；设定触发机器人各状态之间相互切换条件；在每个状态切换过程中，利用关节三次插值法对支撑腿的运动轨迹进行规划，利用高斯伪谱法对摆动腿的运动轨迹进行优化；最终由有限状态机生成双足机器人多种不同运动模式的步态。

进一步，所述切换条件包括人为触发、时间触发和事件触发，所述时间触发，为设定状态之间的持续时间，所述事件触发为机器人摆动腿是否触地。

进一步，所述双足机器人的状态包括：机器人双脚站立在地面上的初始状态、仅右脚支撑的状态、左脚触地的状态、左脚支撑的状态、右脚触地的状态和腾空状态。

进一步，所述关节三次插值法的过程为：根据前后两个状态的目标角度θ₁,θ₂、前后两个状态的角速度和状态之间持续时间为T，当前状态持续时间为t时，三次插值后的当前参考角度θ和角速度为：