專利名稱：一種仿人機器人步態(tài)規(guī)劃及合成方法
技術領域：
本發(fā)明涉及仿人機器人運動規(guī)劃領域，特別涉及仿人機器人步態(tài)規(guī)劃及合成方法。
背景技術：
仿人機器人步態(tài)規(guī)劃是指為了完成機器人的行走，對機器人行走過程中各個關節(jié)角運動的時序和相位特性進行確定，要使機器人能夠完成一些簡單的作業(yè)任務，如上肢的目標抓取和移動、簡單地與人協(xié)作作業(yè)，機器人必須能夠穩(wěn)定的行走。目前仿人機器人步態(tài)規(guī)劃的方法主要有離線規(guī)劃、在線規(guī)劃及離線規(guī)劃加在線修正三種方法。然而無論是哪種規(guī)劃方法，得到的步態(tài)必須具有穩(wěn)定性和周期性。在本發(fā)明以前的現(xiàn)有技術中，仿人機器人步行時的一個完整步態(tài)周期一般包括一個單腳支撐期和一個雙腳支撐期，其中雙腳支撐期只占其中的20%。但是，對于機器人的穩(wěn)定行走而言，雙腳支撐期起著很重要的作用，必須要考慮雙腳支撐期的步態(tài)。在對現(xiàn)有技術分析后，發(fā)明人發(fā)現(xiàn):在機器人步行時，雖然機器人雙腳支撐期所占的時間很短，但對于整個步態(tài)周期的穩(wěn)定性有很大的影響。如果按照現(xiàn)有的技術，只是對機器人步行的一個完整步行周期的步態(tài)進行規(guī)劃，那么機器人在單腳支撐期結束前的時刻，腳和地面發(fā)生碰撞，并有可能導致機器人步行失穩(wěn)，影響機器人步行的穩(wěn)定性。

發(fā)明內容
針對上述現(xiàn)有技術狀況，本發(fā)明實施例提供了一種可以得到仿人機器人穩(wěn)定步態(tài)的步態(tài)規(guī)劃及合成方法?，F(xiàn)將本發(fā)明技術解決方案敘述如下:仿人機器人步態(tài)規(guī)劃及合成方法，包括以下步驟:步驟1:采用多項式函數來表示機器人髖關節(jié)和擺動腿末端的軌跡；所述的多項式函數是指:
權利要求
1.一種仿人機器人步態(tài)規(guī)劃及合成方法，其特征在于:包括以下步驟: 步驟1:采用多項式函數來表示機器人髖關節(jié)和擺動腿末端的軌跡； 步驟2:根據仿人機器人步行時的約束條件，求出軌跡多項式函數的系數，由此得到機器人步行時單、雙腳支撐期的軌跡； 步驟3:將得到的機器人步行時單、雙腳支撐期的軌跡進行合成，最后得到機器人步行時的完整步態(tài)軌跡； 步驟4:根據零點力矩判據來判斷得到的步態(tài)軌跡是否穩(wěn)定；所述零點力矩判據為:機器人腳和地面接觸面上的一點，地面的反作用力在此點的等效力矩水平分量為零；
2.根據權利要求1所述的一種仿人機器人步態(tài)規(guī)劃及合成方法，其特征在于:步驟I中所述的多項式函數是指:
3.根據權利要求1所述的一種仿人機器人步態(tài)規(guī)劃及合成方法，其特征在于:步驟2中所述的仿人機器人步行時的約束條件是指:幾何約束、擺動腿末端的最大跨高約束、步態(tài)的周期性約束、減小碰撞影響約束、髖關節(jié)的運動對于機器人系統(tǒng)的步行穩(wěn)定性約束。
4.根據權利要求3所述的一種仿人機器人步態(tài)規(guī)劃及合成方法，其特征在于:所述的幾何約束的具體確定方法為:機器人的擺動腿在起步時離開地面，止步時接觸地面，根據坐標系定義得: Za(O) = O(6) Za(Ts) = O(7)
5.根據權利要求3所述的一種仿人機器人步態(tài)規(guī)劃及合成方法，其特征在于:所述的擺動腿末端的最大跨高的約束通過下面的方程確定:
6.根據權利要求3所述的一種仿人機器人步態(tài)規(guī)劃及合成方法，其特征在于:所述步態(tài)的周期性的約束必須保證在每一步開始和結束時的姿態(tài)和速度是相同的。并且，在雙腳支撐期，兩條腿的末端都和地面接觸，而且是靜止的，故在單腳支撐期開始時的速度為零，因此有:
7.根據權利要求3所述的一種仿人機器人步態(tài)規(guī)劃及合成方法，其特征在于:所述的減小碰撞影響的約束通過使擺動腿末端在和地面碰撞前的速度保持為零，以消除由碰撞帶來的關節(jié)角速度的突變，由此得:(15)
8.根據權利要求3所述的一種仿人機器人步態(tài)規(guī)劃及合成方法，其特征在于:所述的髖關節(jié)的運動對于機器人系統(tǒng)的步行穩(wěn)定性約束記為:
9.根據權利要求8所述的一種仿人機器人步態(tài)規(guī)劃及合成方法，其特征在于:所述的髖關節(jié)的運動對于機器人系統(tǒng)的步行穩(wěn)定性約束需要得到髖關節(jié)的軌跡并確定式(17)和式(18)中的系數；髖關節(jié)的軌跡的約束關系包括:Z方向的髖關節(jié)運動、步態(tài)的周期性、步態(tài)的連續(xù)性。
10.根據權利要求8所述的一種仿人機器人步態(tài)規(guī)劃及合成方法，其特征在于:所述的步態(tài)的周期性有如下的約束關系: Xhs(O) = -Ss0(23)
全文摘要
本發(fā)明公開了一種仿人機器人步態(tài)規(guī)劃及合成方法，屬于仿人機器人運動規(guī)劃技術領域。所述方法包括采用多項式函數來表示機器人髖關節(jié)和擺動腿末端的軌跡，根據仿人機器人步行時的幾何約束、擺動腿末端的最大跨高、步態(tài)的周期性、碰撞影響、髖關節(jié)運動等約束條件，分別對機器人步行時的單腳支撐期和雙腳支撐期的步態(tài)進行規(guī)劃，然后再對規(guī)劃出的步態(tài)進行合成并根據零點力矩判據來判斷得到的步態(tài)軌跡是否穩(wěn)定。本發(fā)明通過對機器人的單、雙腳支撐期的步態(tài)進行規(guī)劃并合成為完整步態(tài)，解決了機器人步行時腿和地面碰撞對步行穩(wěn)定性的影響的問題，提高了機器人步行的穩(wěn)定性。同時也說明機器人在雙腳支撐期的步態(tài)對一個完整的步態(tài)周期具有重要的作用。
文檔編號G05D1/02GK103197671SQ201210000398
公開日2013年7月10日 申請日期2012年1月4日 優(yōu)先權日2012年1月4日
發(fā)明者張國良, 敬斌, 李正文, 孫一杰, 田琦, 曾靜, 陳磊 申請人:中國人民解放軍第二炮兵工程學院