[发明专利]双足仿人机器人及其非线性步态规划方法以及控制方法

说明书

一种双足仿人机器人及其非线性步态规划方法以及控制方法，规划方法包括：S1、获取用户输入的步态参数；S2、基于用户输入的步态参数生成ZMP参考轨迹；S3、采用整合了非线性因子的Preview Control算法，根据参考ZMP轨迹获取质心轨迹；其中，所述非线性因子与沿重力加速度方向的运动参数相关。本发明可提高步态规划性能，节省系统整体的运动能量消耗，优化现有的双足机器人线性行走姿态；只需要用户输入五个“所见即所得”的参数，不需要用户具有机器人步态规划的专业知识，具有良好的用户体验。

技术领域

本发明涉及人工智能领域，尤其涉及一种双足仿人机器人及其非线性步态规划方法以及控制方法。

背景技术

人类制造机器人的首要目的是造出能代替人类的类人系统，帮自己去完成很难甚至不可能的任务。完整的仿人机器人主要由视觉系统+双臂/腕/手系统+双足系统构成。视觉担当大脑中枢，利用视觉传感器反馈回的信息制定全局的行动计划，双臂/腕/手利用力觉触觉等传感器去实现这些操作，而双足系统扩大了机器人的工作空间，保证了机器人在复杂或危险地形中可以持续工作，同时不需要专门为其对环境进行大规模改造，可以直接在人类的生活和工作环境中与人类协同作业。正因如此，双足类人机器人以其独特的优势受到了各方的广泛关注，成为机器人研究领域的热点。与轮式机器人相比，双足类人机器人行走系统占地面积小，活动范围大，对步行环境要求低且具有一定的逾越障碍的能力，移动“盲区”小，因而具有更广阔的应用领域，也具有很高的生产价值和商业价值。如在极限环境下代替人工作业，海底勘探，水下资源开发，地震搜救，核电站内的监视和维护等。此外，双足本身是移动机器人系统的入门，经过改进还可以制成足球机器人，机器蜘蛛、机器狗等。

其中，轨迹规划及步态平衡问题是双足机器人研究领域的焦点。机械结构上，双足步行机器人一般单腿有6个自由度，分布在踝关节(2个自由度)，膝关节(1个自由度)和髋关节上(3个自由度)。双腿12个自由度可以实现行走，跑动，跳跃，下蹲，上/下楼梯，横向移动等动作。轨迹规划就是对机器人实现这些动作时脚部和质心(腰部)应该具有怎样的移动路径的研究，好的规划算法得到的轨迹可以保持运动中机器人系统持久的稳定性。以行走为例，该过程被定义为双足左右交替作为支撑脚，在保持和地面间稳定的支撑状态同时，移动脚交替向前移动。这一过程是否处于稳定状态，目前学术和工业界均采用ZMP(零力矩点)理论作为判断依据，即：步行中的机器人，其质心位置存在着重力和质心加减速时带来的惯性力，这两个力的合力(或合力延长线)与地面的交点为零力矩点(ZMP)，该点水平方向的力和力矩为零，即在该点处机器人没有水平方向倾倒的趋势。如果行走过程中，ZMP点始终处于单足足面内或是在双足轨迹构成的多边形内，则认为步态是稳定的。

然而，由于是否考虑质心纵向运动(沿Z轴方向运动)决定了机器人行走的轨迹规划问题是否是非线性，目前双足行走轨迹规划问题大多被简化为不考虑质心纵向运动(沿Z轴方向运动)的线性问题去考虑。解决这类线性问题的算法包括线性插值，线性傅立叶变换，线性Preview Control等。其中线性Preview Control算法可以根据未来的ZMP参考轨迹调整当前的质心轨迹，不过，这种简化的线性行走为了满足ZMP稳定判据，质心在x-y轴构成的平面上需要较大幅度摆动以使腿部关节防止奇异位形，以及必须保持膝关节持续弯曲的显著特征。前者造成机器人行走模式偏离人类行走模式，后者需要在膝关节处施加持续的力矩，增加了机器人的能量消耗。另一方面，非线性的步态规划算法目前多采用基于三对角矩阵的Thomas算法，然而它并没有考虑未来ZMP轨迹信息对当前质心轨迹的影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种双足仿人机器人及其非线性步态规划方法以及控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种双足仿人机器人非线性步态规划方法，方法包括：

S1、获取用户输入的步态参数；

S2、基于用户输入的步态参数生成ZMP参考轨迹；