[发明专利]预规划的实时步态控制算法

摘要

本发明公开了一种预规划的实时步态控制算法，通过在双足机器人控制器的控制下，先建立双足机器人运动学坐标系模型，然后进行机器人的姿态规划和平稳性判断，最终完成步态行走，实时规划下一步的姿态，以保证机器人行走的稳定性。在算法的复杂度方面，需要的信息量少，方法简单；在算法的时效性方面，因为本发明需要的信息量少，实施的复杂度低，从而降低了算法的处理时间；在实际应用方面，本算法能够其能够结合机器人与地形的实际特点，预先设计出机器人每一步的动作使机器人按照计划完成相应的动作，并且通过实时采集前方图像信息进行避障，保证了行走的成功率。

主权项

1.一种预规划的实时步态控制算法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，建立双足机器人运动学坐标系模型所述的双足机器人身上的关节处安装有驱动关节旋转的舵机，其中在机器人腿部的裸关节具有前向关节和侧向关节，膝关节具有前向关节，髋关节具有前向关节、侧向关节及水平旋转关节；步骤1.1，对机器人的各个关节进行编号，对于关节i，确定该关节的原点，原点确定的原则为：当关节i的轴线与关节i+1的轴线相交时，取交点作为关节i的原点，当关节i的轴线与关节i+1的轴线异面时，取两条轴线公垂线与关节i+1轴线的交点作为关节i的原点；当关节i的轴线与关节i+1的轴线平行时，取关节i+1轴线与关节i+2轴线的公垂线与关节i+1轴线交点作为关节i的原点，记为Oi；步骤1.2，确立关节i处坐标系的各个坐标轴Xi、Yi、Zi，以在各个关节处建立坐标系，确定原则为：Zi坐标轴与关节i+1的轴线重合，Xi坐标轴沿i关节轴线、i+1关节轴线的公垂线并指向i+1关节，Yi坐标轴按右手法则确定；步骤1.3，根据在各个关节处建立的坐标系，相邻的两个坐标系Oi与Oi‑1相比，获得相邻两个坐标系的差距，即变换矩阵；通过上面的变换矩阵得到相邻的两个坐标系之间的运动学关系，记双足机器人的左脚膝关节的坐标系为参考坐标系，可得到其他关节坐标系与参考坐标系之间的运动学关系；将每个关节处的坐标系与参考坐标系之间的变换矩阵作为该关节与参考坐标系所在关节之间的数学模型，所有数学模型构成双足机器人运动学坐标系模型；步骤2，对双足机器人的姿态进行规划步骤2.1，设计双足机器人行走步态流程机器人通过摆动腿前摆改变重心，在摆动腿前摆时，身体重心从双腿中心移到支撑腿上，因此身体先要向支撑腿一侧扭动来移动重心，即通过髋关节的侧向关节来调整重心；为了防止在侧扭时抬腿而造成身体向摆动腿一侧倾倒、步态设计中将侧扭和抬腿分步设计；则机器人一次行走时的关节步态规划如下：先通过右腿的髋关节、裸关节的侧向关节进行右侧扭来调整重心，侧扭到位后保持，然后左腿的裸关节、膝关节和髋关节的前向关节弯曲，以实现左腿抬起；左腿放下为相反动作，即先通过右腿的髋关节、裸关节左侧扭，然后左腿的裸关节、膝关节和髋关节的前向关节弯曲；步骤2.2，规划机器人行走时各个关节的姿态先假设髋关节的侧向不发生变化，则求解行走轨迹步骤如下：(1)绘制出髋关节与裸关节随时间改变而变化的曲线图，由此获得髋关节、裸关节的运动学轨迹；(2)与人类行走轨迹进行对比，按照人类行走过程的受力情况明确机器人髋关节、裸关节运动受力的关键点，然后通过三次样条插值的方式，对所有关键点进行插值处理；(3)分别将髋关节、裸关节处理后的关键点与步骤(1)中髋关节、裸关节运动学轨迹中的多项式进行拟合，获得髋关节与裸关节的平滑轨迹；则该轨迹即为髋关节与裸关节每一步行走后形成的轨迹；按照相同的方法，可获得机器人双腿上其他关节在行走时形成的轨迹；将双足机器人一次行走过程中所涉及的关节的轨迹作为规划姿态，则获得规划的姿态后，通过关节处的舵机驱动机器人按照规划的姿态进行行走。