[发明专利]一种四足机器人复合式越障轨迹规划方法

说明书

本发明公开一种四足机器人复合式越障轨迹规划方法，建立CPG模型，通过模型输出的标准振荡信号控制四足机器人以周期性步态行走于平坦路面；当平坦路面出现障碍时，根据传感器回传的障碍物距离信息确定最佳越障起始点，更改CPG节律调节步长，使机器人在越障前一步，到达该最佳越障起始点；基于改进的复合摆线法规划越障足端轨迹，控制机器人越障。本发明将传统CPG策略与足端轨迹规划策略相结合，实现了四足机器人的稳定越障。

技术领域

本发明涉及四足机器人步态规划领域，具体而言是一种四足机器人复合式越障轨迹规划方法。

背景技术

随着工业技术的发展，四足机器人具有良好的机动性，可以穿越带有障碍物的复杂环境。在分布障碍的地形条件下合理的落脚点选择是四足机器人，尤其是特殊用途机器人的关键能力。虽然众多控制方法已被用于控制四足机器人的运动，但其性能依然远落后于生物界动物。

相比其它控制策略，基于中枢模式发生器(CPG)的生物控制方法借鉴自然界动物的运动方式特点，可有效提高机器人运动的稳定性和环境适应性，且相同路程下，耗能比足端轨迹方法更低。通过对四足生物的运动观察，在平坦地面上生物运动步态趋近于周期步态，而在起伏地面上趋于自由步态，步态周期内的相位关系、步长周期会根据外界环境实时规划。传统的CPG缺乏与外界环境信息的交互，因此更适合于平坦路面上规则节律步态的产生。而障碍物的出现将会打破机器人的节律，若继续采用CPG方法越障，虽然可以通过调整反馈参数实现，但这会使控制过程复杂化，而且传统的CPG越障方法设计复杂，产生的角度信号无法直观体现越障轨迹。此时，改用基于足端轨迹规划的方法则更为直接，能有效避免足端与障碍物的接触，贴合障碍物形状，性能更优。

发明内容

本发明的目的在于提出一种四足机器人复合式越障轨迹规划方法，解决四足机器人在CPG节律步态下正常行走时突遇障碍的问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种四足机器人复合式越障轨迹规划方法，包括以下步骤：

步骤1，建立CPG模型，通过模型输出的标准振荡信号控制四足机器人以周期性步态行走于平坦路面；

步骤2，当平坦路面出现障碍时，确定最佳越障起始点，根据传感器回传的障碍物距离信息，更改CPG节律调节步长，使机器人在越障前一步，到达该最佳越障起始点；

步骤3，基于复合摆线法规划越障足端轨迹，控制机器人越障。

进一步的，步骤1中，建立CPG模型，通过模型输出的标准振荡信号控制四足机器人以周期性步态行走于平坦路面，具体为：

CPG模型采用Hopf振荡器作为CPG的单元模型，通过4个Hopf谐波振荡器分别控制四条腿的髋关节和膝关节的运动，通过构建4个振荡器之间的特定相位关系实现四足的足间协调，构成的CPG模型的数学模型为：

式中，x_i和y_i是四足机器人各腿节律振荡器输出，x_i是第i条腿的髋关节轨迹，y_i是第j条腿的膝关节轨迹；r_i²＝x_i²+y_i²；ω_i为振荡器频率调节系数；μ是振荡器幅值调节系数；α为常系数，用来控制振荡器收敛到极限环的速度；为振荡器j到振荡器i的转换矩阵，用于说明两两振荡器间的相位关系，定义如下式：

其中表示振荡器i与振荡器j的相位差；

将CPG输出的信号变换处理为髋膝关节的角度控制信号，其映射关系如下式：