[发明专利]一种仿人机器人动态跨越连续障碍物的运动规划方法

权利要求书

1.一种仿人机器人动态跨越连续障碍物的运动规划方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1)：仿人机器人连续跨越障碍物的运动规划约束；步骤2)：仿人机器人连续跨越障碍物的运动规划算法；所述步骤1)包括几何和双腿运动约束、平衡约束、减少地面碰撞的约束；所述步骤2)包括通用的可行性分析单元、腿部轨迹生成器、双足适配器和上身运动生成器；所述步骤2)具体包括如下：

所述通用的可行性分析单元，具体包括：决定仿人机器人初始中间立足点、输入跨越步态的条件约束、根据连续障碍物的大小和连续障碍物之间的间距的不同，仿人机器人自主分析通过连续障碍物的可行性跨越步态以及仿人机器人跨越步态参数规划的参数化；

所述腿部轨迹生成器，在仿人机器人坐标系下，通过多个步骤来获得仿人机器人两条腿的运动轨迹：第一步是利用直线倒立摆模型得到支撑腿在三个方向上的运动轨迹；第二步是在世界坐标系中规划摆动退的轨迹，以跨过障碍物；第三步考虑世界坐标系中摆动退轨迹与支撑腿轨迹的关系，得到摆动腿轨迹；

所述仿人机器人的双足适配器调整脚轨迹和腰部轨迹，以应对中间碰撞，在单支撑阶段，后膝关节在向障碍物摆动时可能与安全区域相交，支撑腿的膝盖也可能与近障碍物的底边相交，为了检测单腿支撑阶段的碰撞，根据需要修改仿人机器人足部轨迹和腰部高度，

所述仿人机器人的上身运动生成器，通过仿人机器人质心补偿的方法来进行仿人机器人跨越障碍物时的上身运动规划，所述仿人机器人质心补偿的方法包括使用仿人机器人的腰部，或者使用仿人机器人的髋部；

所述腿部轨迹生成器，在仿人机器人坐标系下，通过多个步骤来获得仿人机器人两条腿的运动轨迹具体包括如下过程：

1)腰部/质心轨迹在水平面的规划：利用直线倒立摆模型，仿人机器人的腰部轨迹通过几个步长进行计算；由于步长长度可能不是恒定的，在切换支撑脚的同时，必须插入双腿支撑阶段以获得平滑的零力矩点和可调的步长，通过输入的初始/结束速度和加速度，采用四次多项式计算双腿支撑阶段腰部轨迹，

2)腰部/质心轨迹在垂直面的规划：在垂直面上，仿人机器人的腰部/质心运动可根据双腿支撑阶段所需的腰部高度进行计算：

3)世界坐标系中，仿人机器人的摆动腿轨迹规划：为了不与障碍物相撞，跨过大型障碍物，仿人机器人需要更多的控制点信息来规划脚的轨迹，为了通过预先设定的控制点，三次样条插值算法非常有用，三次多项式由n+1个点组成的n条轨迹构成：

q_j(t)＝a_j+b_j(t-t_j-1)+c_j(t-t_j-1)²+d_j(t-t_j-1)³；让两个预设点之间的时间间隔为：

h_j-1＝t_j-t_j-1，在每个点添加限制函数如下：

在这些条件下，可得：

开始和结束速度都设置为零，而不是加速度，可简化计算：

因此，等式写成矩阵形式如下：

4)在机器人坐标系中计算仿人机器人摆动腿的轨迹：世界坐标系中摆动腿的脚轨迹是摆动腿运动和支撑腿运动的运动合成，在得到腰部轨迹和摆动腿轨迹后，根据以下公式计算摆动腿轨迹：

Y_support(t)+Y_swing(t)＝0

X_support(t)+X_swing(t)＝X_world

Z_support(t)+Z_swing(t)＝Z_world

5)重新排列质心轨迹：利用腰部和质心的关系，得到仿人机器人质心在水平面和垂直面上的运动轨迹；

6)计算期望的零力矩点轨迹：期望的零力矩点轨迹通过推车模型和输入的质心运动轨迹进行重新计算。

2.根据权利要求1所述的一种仿人机器人动态跨越连续障碍物的运动规划方法，其特征在于所述步骤1)具体包括如下：

所述几何和双腿运动约束，具体包括：关节约束、关节空间和笛卡尔空间的连续性、关节处执行器扭矩的约束、仿人机器人在移动过程中髋部高度的约束、仿人机器人在其移动过程中最小髋部高度下的最大步长的约束和仿人机器人在双足支撑阶段的无碰撞约束；

所述平衡约束，选择直线倒立摆模型作为仿人机器人模型，零力矩点作为跨步的稳定性指标；

所述减少地面碰撞的约束，在单腿支撑阶段的开始和结束时，仿人机器人的摆动腿具有零速度，仿人机器人在着陆前以较低的平均速度形成足部的轨迹。