[发明专利]一种四足机器人复合式越障轨迹规划方法

权利要求书

1.一种四足机器人复合式越障轨迹规划方法，其特征在于，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，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；

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；

步骤2中，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，到达该越障起始点，具体为：

通过调节髋关节角度信号的正负值实现单腿步长的控制，使机器人能够落足于最佳越障起始点，各步步长和髋关节正负角度值之间的相互关系如下式：

S_i＝Lsinθ_hi^-+Lsinθ_hi⁺

其中，S_i表示四足机器人第i条腿步长，L表示腿长，θ_hi^-与θ_hi⁺分别表示髋关节角度信号的正负值，以竖直线为界，左边为-，右边为+；

步骤3中，基于复合摆线法规划越障足端轨迹，控制机器人越障，具体方法为：

采用改进的复合摆线法，对z轴方向的步高函数进行修正，以解决抬腿瞬间加速度跳变的问题，复合摆线方程为：

其中，S和H分别表示四足机器人足端轨迹的步长和步高；T为步态周期；t为采样时间；x为关于时间t的机器人步长函数；z为关于时间t的机器人步高函数；

以能耗最低为前提确定越障轨迹的最优步长，具体为：

抬腿高度和最优步长之间存在一定的数学关系：

其中，m为单腿质量，M为机身质量，h为机器人直立状态机身的质心高度，c(c∈[0,h/2])为摆动相腿落地过程做功的等效距离；根据已知的障碍物高度信息确定H，由数学模型求得使机器人越障过程能耗最低的S，代入足端轨迹公式，得到越障足端轨迹。

2.根据权利要求1所述的四足机器人复合式越障轨迹规划方法，其特征在于，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：

其中，θ_hi和θ_ki分别为第i条腿上髋关节和膝关节的角度控制信号，A_k和A_h分别为膝关节和髋关节的运动幅值。

3.一种四足机器人复合式越障轨迹规划系统，其特征在于，使用权利要求1-2任一项所述的四足机器人复合式越障轨迹规划方法进行越障轨迹规划，包括：

平坦运动模块，用于建立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；

越障准备模块，用于在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；

越障模块，用于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。