本發(fā)明涉及機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃領(lǐng)域，具體涉及一種規(guī)劃四足機(jī)器人足端擺動(dòng)軌跡的方法。

背景技術(shù)：

目前地面機(jī)器人的行走方式主要分為輪式、履帶式和足式.輪履式機(jī)器人的研究已經(jīng)相對(duì)成熟，但其在復(fù)雜崎嶇地形上的通過(guò)能力較差，足式機(jī)器人采用仿生原理，模擬自然界的足式動(dòng)物，在狹小崎嶇地形具有良好的通過(guò)性，有效彌補(bǔ)了輪履式機(jī)器人的不足。在足式機(jī)器人中，四足機(jī)器人比雙足機(jī)器人簡(jiǎn)單、比多足機(jī)器人行走效率高，因此具有較高的研究?jī)r(jià)值。足端擺動(dòng)軌跡對(duì)四足機(jī)器人在崎嶇地形上的通過(guò)性有很大的影響。

合理的足端軌跡有助于減少四足機(jī)器人足端觸地時(shí)的沖擊，而且，足端軌跡對(duì)四足機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)特性有著重要影響。目前的軌跡設(shè)計(jì)方法有直上直下的矩形軌跡、正弦曲線(xiàn)軌跡和多項(xiàng)式推導(dǎo)等，其設(shè)計(jì)思路主要實(shí)現(xiàn)了足端向前運(yùn)動(dòng)的有效跨度，但在避障和越障能力方面有失考慮。例如由袁立鵬、張志宇和歐陽(yáng)榮豎共同發(fā)表的“四足機(jī)器人基于功率最優(yōu)原則的足端軌跡規(guī)劃”，內(nèi)容包括：“本文根據(jù)零沖擊原則，規(guī)劃了三條四足機(jī)器人的足端軌跡，對(duì)各條足端軌跡進(jìn)行虛擬樣機(jī)仿真分析，根據(jù)功率最優(yōu)原則，針對(duì)不同的步態(tài)選擇相應(yīng)最優(yōu)的足端軌跡，為類(lèi)似問(wèn)題的實(shí)現(xiàn)開(kāi)辟了新思路和新途徑”；公開(kāi)文本中采用多項(xiàng)式推導(dǎo)的原則對(duì)四足機(jī)器人足端運(yùn)動(dòng)進(jìn)行計(jì)算，其中運(yùn)用多個(gè)限制條件，無(wú)形中增加了計(jì)算量。

為此，尋找一種規(guī)劃四足機(jī)器人足端擺動(dòng)軌跡的方法，提高四足機(jī)器人在復(fù)雜崎嶇地形上的通過(guò)能力性，成為本領(lǐng)域技術(shù)人員迫切需要解決的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中所存在的上述不足，本發(fā)明提供一種規(guī)劃四足機(jī)器人足端擺動(dòng)軌跡的方法，所述方法包括：

步驟1：確定足端的擺動(dòng)跨度和擺動(dòng)相的持續(xù)時(shí)間；

步驟2：設(shè)計(jì)足端擺動(dòng)過(guò)程中的曲線(xiàn)端點(diǎn)狀態(tài)參數(shù)；

步驟3：擬合足端擺動(dòng)軌跡。

優(yōu)選的，所述步驟1分別確定足端在三維方向上的擺動(dòng)跨度，以及整個(gè)擺動(dòng)相的持續(xù)時(shí)間。

優(yōu)選的，所述步驟2的足端擺動(dòng)過(guò)程包括：抬腿、邁腿和落腿階段。

優(yōu)選的，所述抬腿階段足端在x，y，z三維方向上的運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)包括：足端在x方向沿著機(jī)身反向擺動(dòng)，在y方向沿著機(jī)身向外擺動(dòng)，在z方向向上擺動(dòng)。

優(yōu)選的，所述邁腿階段足端在x，y，z三維方向上的運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)包括：足端在x方向沿著機(jī)身正向運(yùn)動(dòng)且跨度較大，在y方向繼續(xù)沿著機(jī)身向外擺動(dòng)，在z方向繼續(xù)向上直至最高點(diǎn)。

優(yōu)選的，所述落腿階段足端在x，y，z三維方向上的運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)包括：足端在x方向和y方向繼續(xù)保持原來(lái)的運(yùn)動(dòng)方向，在z方向上從最高點(diǎn)降到地面，使得足端緩慢向斜前方落地。

優(yōu)選的，采用三次樣條曲線(xiàn)擬合所述步驟3的足端擺動(dòng)軌跡。

優(yōu)選的，所述足端擺動(dòng)軌跡的擬合包括：在確定起點(diǎn)、后退點(diǎn)、最高點(diǎn)和終點(diǎn)的坐標(biāo)值、對(duì)應(yīng)時(shí)刻，以及起點(diǎn)和終點(diǎn)的速度值之后，采用三次樣條曲線(xiàn)，擬合得到具有避障和越障功能的足端擺動(dòng)軌跡。

優(yōu)選的，在四足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，每個(gè)擺動(dòng)相開(kāi)始之前，足端在三個(gè)方向的跨度、以及起點(diǎn)、后退點(diǎn)、最高點(diǎn)和終點(diǎn)的參數(shù)信息，可根據(jù)四足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和地形信息而實(shí)時(shí)調(diào)整。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

(1)將足端擺動(dòng)過(guò)程分為抬腿、邁腿和落腿三個(gè)階段，每個(gè)階段的運(yùn)動(dòng)特性有所不同；

(2)足端在抬腿階段具有向后向上的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，有效實(shí)現(xiàn)避障功能；

(3)足端在邁腿方向具有向前向上的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，可以很好的實(shí)現(xiàn)越障功能；

(4)足端擺動(dòng)軌跡參數(shù)可以實(shí)時(shí)調(diào)整，能夠靈活適應(yīng)地形，提高了四足機(jī)器人在復(fù)雜崎嶇地形上的通過(guò)能力。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的足端擺動(dòng)軌跡示意圖；

圖2為本發(fā)明的足端在x方向擺動(dòng)軌跡曲線(xiàn)圖；

圖3為本發(fā)明的足端在y方向擺動(dòng)軌跡曲線(xiàn)圖；

圖4為本發(fā)明的足端在z方向擺動(dòng)軌跡曲線(xiàn)圖；

圖5為本發(fā)明的足端擺動(dòng)軌跡的三維圖。

具體實(shí)施方式

為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖和實(shí)例對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容做進(jìn)一步的說(shuō)明。

步驟1：確定足端的擺動(dòng)跨度和擺動(dòng)相的持續(xù)時(shí)間

確定了足端在x,y,z三維方向上的擺動(dòng)跨度dx，dy，dz，以及整個(gè)擺動(dòng)相的持續(xù)時(shí)間tsw。

步驟2：設(shè)計(jì)足端擺動(dòng)過(guò)程中的曲線(xiàn)端點(diǎn)狀態(tài)參數(shù)

如圖1所示，將足端擺動(dòng)過(guò)程分為抬腿、邁腿和落腿三個(gè)階段，并對(duì)三個(gè)階段的曲線(xiàn)端點(diǎn)狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體包括：

步驟21，將足端擺動(dòng)過(guò)程分為抬腿、邁腿和落腿三個(gè)階段。

步驟22：p1p2抬腿階段，足端在x方向沿著機(jī)身反向擺動(dòng)，在y方向沿著機(jī)身向外擺動(dòng)，在z方向向上擺動(dòng)，這使得足端抬腿空間形成一個(gè)凸球體，能夠較大限度地躲避前方障礙。

步驟23：p2p3邁腿階段，足端在x方向沿著機(jī)身正向運(yùn)動(dòng)且跨度較大，在y方向繼續(xù)沿著機(jī)身向外擺動(dòng)，在z方向繼續(xù)向上直至最高點(diǎn)，這使得足端能夠跨越的障礙物高度等于足端軌跡最高點(diǎn)。

步驟24：p3p4落腿階段，足端在x方向和y方向繼續(xù)保持原來(lái)的運(yùn)動(dòng)方向，在z方向上從最高點(diǎn)降到地面，使得足端緩慢向斜前方落地，避免了足地接觸的非柔性撞擊。

步驟25：根據(jù)步驟21，步驟22，步驟23，步驟24，足端運(yùn)動(dòng)軌跡的三個(gè)階段由四個(gè)典型位置點(diǎn)p1，p2，p3，p4來(lái)劃分，對(duì)這四個(gè)典型位置的對(duì)應(yīng)時(shí)刻、坐標(biāo)值、速度進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。以擺動(dòng)開(kāi)始時(shí)刻的足端位置為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，各軸與世界坐標(biāo)系同向，設(shè)計(jì)四個(gè)點(diǎn)的狀態(tài)如下：

p1為起點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)時(shí)刻為0，坐標(biāo)值為(0，0，0)，速度為(vx1，vy1，vz1)；

p2為后退點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)時(shí)刻為rt2﹒tsw，坐標(biāo)值為(-rx2·dx，ry2·dy，rz2·dz)；

p3為最高點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)時(shí)刻為rt3﹒tsw，坐標(biāo)值為(rx3·dx，-ry3·dy，dz)；

p4為終點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)時(shí)刻為tsw，坐標(biāo)值為(dx，dy，0)，速度為(vx4，vy4，vz4)。

步驟3：擬合足端擺動(dòng)軌跡

如圖2，圖3，圖4和圖5所示，步驟3采用三次樣條曲線(xiàn)擬合足端擺動(dòng)軌跡。

步驟31：在確定四個(gè)典型位置的坐標(biāo)值、對(duì)應(yīng)時(shí)刻，以及起點(diǎn)和終點(diǎn)的速度值之后，采用三次樣條曲線(xiàn)，擬合得到具有避障和越障功能的足端擺動(dòng)軌跡。其中，圖2為擬合之后得到的x方向擺動(dòng)軌跡曲線(xiàn)圖，圖3為y方向擺動(dòng)軌跡曲線(xiàn)圖，圖4為z方向擺動(dòng)軌跡曲線(xiàn)圖，圖5為足端擺動(dòng)軌跡的三維圖，圖5與圖1所示的示意圖曲線(xiàn)輪廓基本一致，說(shuō)明本發(fā)明所采用的三次樣條曲線(xiàn)擬合結(jié)果能夠滿(mǎn)足具有避障和越障功能的足端擺動(dòng)軌跡曲線(xiàn)的設(shè)計(jì)需要。

步驟32：在四足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，每個(gè)擺動(dòng)相開(kāi)始之前，足端在三個(gè)方向的跨度、以及四個(gè)典型位置的參數(shù)信息，都可以根據(jù)四足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和地形信息而實(shí)時(shí)調(diào)整，進(jìn)一步提高避障越障能力，從而增強(qiáng)了四足機(jī)器人的地形適應(yīng)能力。

本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員應(yīng)明白，本申請(qǐng)的實(shí)施例可提供為方法、系統(tǒng)、或計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。因此，本申請(qǐng)可采用完全硬件實(shí)施例、完全軟件實(shí)施例、或結(jié)合軟件和硬件方面的實(shí)施例的形式。而且，本申請(qǐng)可采用在一個(gè)或多個(gè)其中包含有計(jì)算機(jī)可用程序代碼的計(jì)算機(jī)可用存儲(chǔ)介質(zhì)(包括但不限于磁盤(pán)存儲(chǔ)器、cd-rom、光學(xué)存儲(chǔ)器等)上實(shí)施的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品的形式。

本申請(qǐng)是參照根據(jù)本申請(qǐng)實(shí)施例的方法、設(shè)備(系統(tǒng))、和計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品的流程圖和/或方框圖來(lái)描述的。應(yīng)理解可由計(jì)算機(jī)程序指令實(shí)現(xiàn)流程圖和/或方框圖中的每一流程和/或方框、以及流程圖和/或方框圖中的流程和/或方框的結(jié)合?？商峁┻@些計(jì)算機(jī)程序指令到通用計(jì)算機(jī)、專(zhuān)用計(jì)算機(jī)、嵌入式處理機(jī)或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備的處理器以產(chǎn)生一個(gè)機(jī)器，使得通過(guò)計(jì)算機(jī)或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備的處理器執(zhí)行的指令產(chǎn)生用于實(shí)現(xiàn)在流程圖一個(gè)流程或多個(gè)流程和/或方框圖一個(gè)方框或多個(gè)方框中指定的功能的裝置。

這些計(jì)算機(jī)程序指令也可存儲(chǔ)在能引導(dǎo)計(jì)算機(jī)或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備以特定方式工作的計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)器中，使得存儲(chǔ)在該計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)器中的指令產(chǎn)生包括指令裝置的制造品，該指令裝置實(shí)現(xiàn)在流程圖一個(gè)流程或多個(gè)流程和/或方框圖一個(gè)方框或多個(gè)方框中指定的功能。

這些計(jì)算機(jī)程序指令也可裝載到計(jì)算機(jī)或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備上，使得在計(jì)算機(jī)或其他可編程設(shè)備上執(zhí)行一系列操作步驟以產(chǎn)生計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的處理，從而在計(jì)算機(jī)或其他可編程設(shè)備上執(zhí)行的指令提供用于實(shí)現(xiàn)在流程圖一個(gè)流程或多個(gè)流程和/或方框圖一個(gè)方框或多個(gè)方框中指定的功能的步驟。

以上僅為本發(fā)明的實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均包含在申請(qǐng)待批的本發(fā)明的權(quán)利要求范圍之內(nèi)。