[发明专利]一种仿人机器人爬楼步态规划与控制的方法

说明书

本发明提供一种仿人机器人爬楼步态规划与控制的方法。本发明以搭建的机器人物理样机模型作为本研究的参考对象，对其进行运动学建模、稳定性分析，设计出能够满足稳定条件的步态规划方法，并提出了一种基于DQN算法的步态优化方法。进而，对机器人腿部进行动力学建模与联合仿真，验证所提出算法的合理性与可行性，最后将最终得到的步态实验结果在物理样机上进行试验，进一步证明算法的有效性，达到理想结果。本发明将传感器信息进行融合，记忆步态并选取最优，调整步态参数，从而达到在线步态优化的目的获得更准确的机器人步态，对约束环境下的仿人机器人步态规划和控制有着指导价值。

技术领域

本发明属于机器人步态规划领域，尤其针对机器人在平整地面和复杂环境下的行走步态，具体设计了一种爬楼步态控制方法。

背景技术

20世纪60年代，机器人技术开始受到越来越多的关注，进入人们的视野。历经50多年，机器人所涉及的领域不断扩展，作为一项高新技术，研究热度与日俱增，取得了巨大的进展。

仿人机器人因其类人的特性而具有较广的应用和较强的研究价值，能够在不同环境下稳定行走是其必须具备的基本性能。现阶段，仿人机器人的步态规划方法大多集中在平整地面环境上，直接采用基于模型的方法来获取离线步态。在离线状态下设计出的行走步态能够满足平地无障碍稳定行走，但当机器人在不平坦地面，例如爬斜坡、上下阶梯时，该方法不能达到良好的稳定控制效果，很容易导致机器人因姿态不稳而摔倒。

仿人机器人拥有类人的行走方式，能够模拟各种人体活动，具有较强的理论意义和广阔的应用前景。研究的主要目的是创造一种可替代人类的产品，去完成过去由人类担当的各类作业，这对于一些特殊环境尤为重要，例如火灾现场、陪护老人儿童等。除此之外，加强仿人机器人步态规划和控制的研究，还可以帮助人们更加了解自身步行运动的特点和规律，能够在医学上起到一定的作用。因此，仿人机器人以其肢体灵活等类人特点，成为了机器人领域中的研究热点，引起广大科研学者的关注。

仿人机器人在行走时比起其他多足、轮式或履带式机器人对地面环境要求低，但是该机器人系统非线性，控制参数多，具有不稳定性。因此，相对比其他机器人来说，仿人机器人爬楼步态的稳定控制较为复杂，在对其进行研究时面临许多挑战。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种仿人机器人爬楼步态规划与控制的方法。本发明的目的是针对仿人机器人爬楼步态规划方法的问题，以搭建的机器人物理样机模型作为本研究的参考对象，对其进行运动学建模、稳定性分析，设计出能够满足稳定条件的步态规划方法，并提出了一种基于DQN算法的步态优化方法。进而，对机器人腿部进行动力学建模与联合仿真，验证所提出算法的合理性与可行性，最后将最终得到的步态实验结果在物理样机上进行试验，进一步证明算法的有效性，达到理想结果。

一种仿人机器人爬楼步态规划与控制的方法，具体步骤如下：

步骤(1)、根据机器人物理样机的自由度，建立运动学模型；

首先采用D-H矩阵法对机器人的双腿进行运动学建模并采用逆运动学求解方法求出各个关节的准确角度。

假定机器人刚开始运动时右腿为支撑腿，将右腿踝关节中心设置为世界坐标系{G}。髋、踝、膝关节处X、Y、Z轴的方向确定方法为：

X轴：第i与i+1轴线的公法线，指向第i+1轴线，i表示第i个关节；

Z轴：第i个关节的旋转中心轴方向，可以指向任何方向；

Y轴：根据右手定则，通过X、Z轴的方向来确定。

当两个关节的Z轴线相交时，选取两个轴的交叉乘积方向作为X轴，每个关节的坐标系只能绕Z轴旋转。

齐次坐标变换矩阵，即位姿变换矩阵的通式为：