[发明专利]基于六自由度腿的机器人双足行走仿真评估系统及评估方法

说明书

本发明提供一种基于六自由度腿的机器人双足行走仿真评估系统及评估方法，包括双足机器人模型和步态规划算法，双足机器人模型‑1和步态规划算法‑2为仿真评估系统的输入，双足机器人模型包含了机器人的外形及动力学参数，步态规划算法则能够依据期望的落脚足迹规划出全身多达20余个关节的运动轨迹；仿真评估系统的输出是仿真评估结果，用以评估机器人结构以及步态规划算法的性能。通过计算机仿真方式，解决了参数更为复杂，涉及的因素更多的全方位步行运动优化。

技术领域

本发明属于机器人仿真评估技术领域，特别涉及基于六自由度腿的机器人双足行走仿真评估系统及评估方法。

背景技术

在普通室内环境下，通常存在大量的障碍物，要求机器人能够避让、踩踏或越过这些复杂障碍物。同时，其他人类个体、动物、车辆等物体始终处于移动中，要求机器人在运动途中避让这些移动的障碍物。因此，仿人机器人需要具有灵活的双足行走能力，在保证稳定不摔的前提下，按照决策意志灵活控制步幅和方向，如前进、后退、侧移、旋转等，实现这些基本步幅的任意组合，即实现全方位步行的能力。

目前已有大量的仿人机器人样机及机器人仿真模型能够实现平稳的直线行走，但不能用于优化全方位步行运动，主要原因包括：

其一，全方位步行的运动参数更为复杂，涉及的因素更多，目前缺乏一套系统性的评估优化方法，进而无法覆盖全方位运动的各个方面，而是仅能实现单维度（前进或原地旋转）的改进；

其二，全方位步行性能需具有可比性，这对实验条件提出了较高的要求。机器人样机不可避免的具有加工制造差异，即便针对同一样机，一旦考虑全方位步行，则其实验条件很难控制一致。同时，样机实验存在费时、损耗大、成本高的缺点。

最后，无论是样机还是仿真模型，双足机器人的结构差异过大。有些机器人的腿部自由度数过少从而无法实现准确的全方位移动，有些机器人的腿部自由度过多，对于全方位步行移动存在多解状况。

对于双足步行机器人的全方位移动方法已发表诸多论文，但都集中在全方位步行的实现算法上。这些论文所实现的全方位步态规划算法直接在机器人样机上进行测试和验证（如实现全向步行的小型类人机器人及其控制方法），或者应用计算机仿真方法进行随意的全方位步行能力测试，验证了方法的可行性，但没有定量的评估方法，进而难以针对全方位步行能力从算法参数和结构参数的角度实施优化。

专利仿生足式机器人综合仿真策略（201410064577.9）针对足式机器人，建立模型，生成步态，进而实现了自学习调整方法和机器人自适应多协调控制方法。然而双足仿人机器人腿部结构一般较普通的足式机器人更为复杂，同时该专利并未明确所生成的步态类型，因而不能解决双足机器人的全方位步行运动仿真需求。专利一种欠驱动双足机器人行走控制方法（201310120251.9）给出了一种欠驱动机器人的步行控制方法，主要特殊机构和机器学习的方法实现了前进方向行走的控制，而难以实现全方位的步行运动。

在机器人的动力学仿真方面，已存在诸多机器人仿真平台，例如MicrosoftRobotics Studio，Webots，以及ROS中常用的RVIZ。这些仿真平台集成了机器人大部分功能的仿真。

Microsoft Robotics Studio是由微软公司开发的一种用于机器人项目的软件开发包，包括可视化编程语言，机器人服务和机器人仿真三个部分。Microsoft RoboticsStudio采用面向服务的架构来提高灵活性，具有模块化低耦合性的特点。MicrosoftRobotics Studio封装了物理引擎和渣染引擎，从而实现了更为真实的场景中实体的碰撞。