[发明专利]基于三次样条插值的仿人足球机器人步态规划

说明书

基于三次样条插值的仿人足球机器人步态规划，包括如下步骤：步骤1，通过机器人的结构来建立运动学模型；步骤2，以运动学模型为基础，结合空间三次样条插值的方法来规划机器人的步态；步骤3，通过震动抑制的稳定性控制算法优化机器人步态。本发明改善机器人行走不稳的缺点，使得机器人具有良好的鲁棒性来实现行走和踢球等行为；采用了三次样条插值规划法，在NAO机器人足球运动步态规划中能够很好的保证各关节之间的几何关系，并且对于之后的稳定性优化的实现也较为方便；行走过程中的偏离角和偏差距离经过新的步态规划和算法优化有较大程度的减小，机器人的行走准确性和稳定性有了较大的提高。

技术领域

本发明涉及一种基于三次样条插值的仿人足球机器人步态规划，属于机器人控制领域。

背景技术

仿人足球机器人是当前机器人研究的热点，涉及机器人学、智能控制、计算机视觉等多个领域。它以足球比赛为平台，模拟人类足球运动，实现自主行走、踢球等功能，其中也涉及到多智能体之间的协作，为机器人学、多智能体系统理论研究和技术应用提供了一个良好的实验平台。

行走规划和稳定性控制研究在仿人机器人研究中占据着很重要的地位，它的实现给仿人机器人的发展做出了很大的贡献。

发明内容

本发明提出基于三次样条插值的仿人足球机器人步态规划，通过机器人的结构来建立运动学模型，以此为基础结合空间三次样条插值的方法来规划机器人的步态，并通过震动抑制的稳定性控制算法优化机器人步态，使得机器人具有良好的鲁棒性来实现行走和踢球等行为。

基于三次样条插值的仿人足球机器人步态规划，包括如下步骤：

步骤1，通过机器人的结构来建立运动学模型；

所述运动学模型基于NAO双足机器人建立，具体是运用时间解析函数对机器人的动作进行解耦，求解机器人各关节角度与各关节连杆位姿之间的关系，所述运动学模型包括侧向运动学建模和前向运动学建模；

步骤2，以运动学模型为基础，结合空间三次样条插值的方法来规划机器人的步态；

所述步态的规划采用空间规划的形式，采用空间三次样条插值的方法，参考机器人各关节在空间中的位置，将机器人的行进运动拆分为各关节的协调运动，用空间坐标代替时间顺序；

步骤3，通过震动抑制的稳定性控制算法优化机器人步态；

所述稳定性控制算法，首先求解机器人的初始质心轨迹并将其作为初始控制轨迹，然后构建并求解带有约束问题的最优控制问题，最后将其应用到机器人行走规划中。

进一步地，所述步骤1中，所述的侧向运动学建模，其将NAO机器人腿部和髋关节连接处简化为五连杆模型，并在机器人脚踝处建立参考坐标系，通过正运动学分析，根据几何关系得出各关节和各连杆质心在坐标系中的位置坐标；通过逆运动学分析，通过给定摆动腿踝关节和髋关节在固定坐标系中的运动轨迹，求出机器人各个关节的角度。

进一步地，所述步骤1中，所述前向运动学建模，规定机器人的上身与地面垂直，且在移动时髋关节保持水平，通过几何关系得到机器人在移动时为保持稳定身体摆动的最大角度。

进一步地，所述步骤2中的空间三次样条插值的方法，具体地，机器人步态规划时上肢保持直立，则机器人的位姿可以根据摆腿的踝关节来确定，取摆动腿踝关节的高度变化情况作为参考变量，以规划出机器人髋关节和摆动腿踝关节各自的空间运动轨迹，并且可表示出各关节之间的运动关系；通过规划摆动腿踝关节的高度变化的时间轨迹，控制机器人的零力矩点的位置始终在支撑多边形中，保证稳定裕度的大小在稳定范围内，使机器人稳定行走。

进一步地，所述步骤3中，震动抑制的稳定性控制算法具体包括如下步骤：