本發(fā)明涉及機(jī)器人感知，尤其涉及一種機(jī)器人感知的地形識別步態(tài)控制方法、系統(tǒng)、介質(zhì)及設(shè)備。

背景技術(shù)：

1、雙足機(jī)器人在未知環(huán)境中必須敏銳的感知地形特征，具備對這些特征的精確識別能力，并能夠在實(shí)時(shí)處理地形特征信息的同時(shí)做出相應(yīng)的調(diào)整，以確保機(jī)器人能夠順利穿越各種復(fù)雜地形。因此，地形識別已成為機(jī)器人的一項(xiàng)關(guān)鍵功能，對自主步態(tài)規(guī)劃和實(shí)時(shí)步態(tài)策略調(diào)整具有重要意義，對提高雙足機(jī)器人在復(fù)雜和動態(tài)環(huán)境中的適應(yīng)性和魯棒性至關(guān)重要。

2、當(dāng)前基于機(jī)器人的地形識別方法，需要添加多個(gè)傳感器用于采集數(shù)據(jù)，導(dǎo)致計(jì)算復(fù)雜度和成本較高；現(xiàn)有基于雙足機(jī)器人的地形識別方法，如申請?zhí)枮?02111661244.0，名稱為一種機(jī)器人地形識別及速度控制方法及系統(tǒng)的中國發(fā)明申請，只通過足底壓力傳感器獲取的足底力數(shù)據(jù)表征地形特征，但其對于機(jī)器人缺少最優(yōu)足底力的約束，在只采用足底力數(shù)據(jù)的情況下無法保證機(jī)器人穩(wěn)定運(yùn)行，從而無法保證地形識別的準(zhǔn)確性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決上述問題，本發(fā)明提出了一種機(jī)器人感知的地形識別步態(tài)控制方法、系統(tǒng)、介質(zhì)及設(shè)備，該方法首先求解最優(yōu)足底力確保機(jī)器人能夠穩(wěn)定運(yùn)行，在最優(yōu)足底力的約束下再通過將俯仰角和足底力作為分類特征，獲得地形崎嶇程度，實(shí)現(xiàn)地形分類，并據(jù)此調(diào)整機(jī)器人的步頻步態(tài)，在保證高準(zhǔn)確率的地形識別的同時(shí)，提高雙足機(jī)器人在不同地形行進(jìn)的穩(wěn)定性。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、第一方面，本發(fā)明提供一種機(jī)器人感知的地形識別步態(tài)控制方法，包括：

4、基于最優(yōu)足底力，獲取雙足機(jī)器人俯仰角數(shù)據(jù)和足底力數(shù)據(jù)；

5、將所述俯仰角數(shù)據(jù)和足底力數(shù)據(jù)輸入訓(xùn)練好的knn模型中，對當(dāng)前機(jī)器人行走的地形進(jìn)行識別，得到地形識別結(jié)果；

6、機(jī)器人控制器接收地形識別結(jié)果，基于所述結(jié)果按照預(yù)設(shè)的步態(tài)控制策略對機(jī)器人的步頻和步態(tài)進(jìn)行調(diào)整。

7、優(yōu)選地，所述最優(yōu)足底力的求解步驟具體為：

8、對雙足機(jī)器人進(jìn)行受力分析并建模，得到雙足足底反作用力和自質(zhì)心出發(fā)分別指向雙足足底的位置矢量；

9、基于雙足足底反作用力和位置矢量構(gòu)建質(zhì)心運(yùn)動狀態(tài)方程，對其進(jìn)行化簡，得到包含期望質(zhì)心線加速度和期望機(jī)身角速度的質(zhì)心動力學(xué)方程；

10、基于穩(wěn)定運(yùn)動構(gòu)建約束條件；

11、根據(jù)質(zhì)心動力學(xué)方程和約束條件構(gòu)建優(yōu)化方程，將代價(jià)函數(shù)化簡為標(biāo)準(zhǔn)二次規(guī)劃問題，求解得到最優(yōu)足底力。

12、優(yōu)選地，所述質(zhì)心動力學(xué)方程為：

13、

14、其中，是一個(gè)3×3的單位矩陣，和分別表示足端在世界坐標(biāo)系下的位置向量，是質(zhì)心在世界坐標(biāo)系下的位置向量，所述位置向量通過機(jī)器人自身的狀態(tài)估計(jì)獲得；、分別表示雙足足底力， m為雙足機(jī)器人簡化為單剛體后的剛體質(zhì)量，表示重力加速度， i表示轉(zhuǎn)動慣量，和分別為期望質(zhì)心線加速度和期望機(jī)身角速度，二者通過設(shè)計(jì)pd控制器計(jì)算得到。

15、優(yōu)選地，所述基于穩(wěn)定運(yùn)動構(gòu)建約束條件，具體包括：

16、

17、其中，表示摩擦錐約束條件，、、分別表示x軸、y軸、z軸方向足底力，與分別為足底力最大閾值和最小閾值。

18、優(yōu)選地，所述俯仰角數(shù)據(jù)包括三軸角速度信息，通過安裝于雙足機(jī)器人頭部中心的傳感器獲取；所述傳感器的y軸與機(jī)器人的前進(jìn)方向一致，x軸與機(jī)器人底盤的側(cè)向平行，z軸垂直于底盤平面；y軸、x軸和z軸的角速度信息分別用于表示機(jī)器人在前后傾斜、左右傾斜和轉(zhuǎn)向運(yùn)動的運(yùn)動信息。

19、優(yōu)選地，所述knn模型的訓(xùn)練過程具體包括：

20、驅(qū)動雙足機(jī)器人在平地地形和崎嶇地形上自主導(dǎo)航，分別獲取包含橫滾角、俯仰角和足底力的樣本數(shù)據(jù)集d1和d2；

21、提取每個(gè)樣本數(shù)據(jù)的變異系數(shù)和方差作為特征，并將數(shù)據(jù)集劃分為訓(xùn)練集和驗(yàn)證集；其中，采用滑動窗口算法計(jì)算變異系數(shù)和方差，窗口大小和間隔根據(jù)數(shù)據(jù)打印頻率確定；

22、應(yīng)用knn算法進(jìn)行訓(xùn)練，選擇分類正確率最高的特征組合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并記錄每組測試的成功率，確定最佳的k值以優(yōu)化模型性能。

23、優(yōu)選地，所述步態(tài)控制策略包括：

24、當(dāng)機(jī)器人處于崎嶇地形中，減慢機(jī)器人的運(yùn)動步頻，選擇行走步態(tài)；

25、當(dāng)機(jī)器人處于平地地形中，加快機(jī)器人的運(yùn)動步頻，選擇飛行步態(tài)。

26、第二方面，本發(fā)明提供一種機(jī)器人感知的地形識別步態(tài)控制系統(tǒng)，包括：

27、數(shù)據(jù)獲取模塊，用于基于最優(yōu)足底力，獲取雙足機(jī)器人俯仰角數(shù)據(jù)和足底力數(shù)據(jù)；

28、地形識別模塊，用于將所述俯仰角數(shù)據(jù)和足底力數(shù)據(jù)輸入訓(xùn)練好的knn模型中，對當(dāng)前機(jī)器人行走的地形進(jìn)行識別，得到地形識別結(jié)果；

29、步態(tài)控制模塊，用于機(jī)器人控制器接收地形識別結(jié)果，基于所述結(jié)果按照預(yù)設(shè)的步態(tài)控制策略對機(jī)器人的步頻和步態(tài)進(jìn)行調(diào)整。

30、第三方面，本發(fā)明提供一種計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，其上存儲有計(jì)算機(jī)程序，該程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)第一方面所述的一種機(jī)器人感知的地形識別步態(tài)控制方法中的步驟。

31、第四方面，本發(fā)明提供一種計(jì)算機(jī)設(shè)備，包括存儲器、處理器及存儲在存儲器上并可在處理器上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行所述程序時(shí)實(shí)現(xiàn)第一方面所述的一種機(jī)器人感知的地形識別步態(tài)控制方法中的步驟。

32、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

33、（1）相對于僅依賴足底力信號進(jìn)行地形識別，本發(fā)明通過首先確定最優(yōu)足底力，并在這一約束條件下同時(shí)采集足底力和俯仰角信息，實(shí)現(xiàn)了對機(jī)器人行走環(huán)境的更為全面和深入的感知。最優(yōu)足底力的確定確保了機(jī)器人在行走過程中能夠保持穩(wěn)定且高效的步態(tài)，而俯仰角數(shù)據(jù)的加入則進(jìn)一步豐富了地形識別的維度。在有效控制傳感器數(shù)量的情況下，這種多源信息的融合不僅提高了地形識別的準(zhǔn)確性和魯棒性，使機(jī)器人能夠更精準(zhǔn)地識別出不同地形的特征，而且為機(jī)器人控制器提供了更為詳盡的地形反饋。在此基礎(chǔ)上，機(jī)器人能夠根據(jù)識別結(jié)果智能地調(diào)整步頻和步態(tài)，從而在各種復(fù)雜地形中保持最佳的行走性能和穩(wěn)定性。本發(fā)明所提供的綜合感知與智能調(diào)整的策略，在降低使用成本的基礎(chǔ)上，顯著提高了機(jī)器人在未知或變化環(huán)境中的自適應(yīng)能力和任務(wù)執(zhí)行能力。

34、（2）本發(fā)明通過對雙足機(jī)器人進(jìn)行受力分析并建模，求解最優(yōu)足底力，進(jìn)一步構(gòu)建了質(zhì)心動力學(xué)方程和約束條件，為機(jī)器人的步態(tài)控制提供了精確的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，有助于機(jī)器人在行走過程中保持穩(wěn)定的運(yùn)動狀態(tài)，提高行走的平穩(wěn)性和安全性。

35、（3）本發(fā)明根據(jù)地形識別結(jié)果，機(jī)器人控制器能夠按照預(yù)設(shè)的步態(tài)控制策略對機(jī)器人的步頻和步態(tài)進(jìn)行調(diào)整。在崎嶇地形中，機(jī)器人能夠減慢運(yùn)動步頻，選擇更為穩(wěn)健的行走步態(tài)；而在平地地形中，則能夠加快運(yùn)動步頻，選擇更為高效的飛行步態(tài)。這種靈活的步態(tài)調(diào)整策略，使得機(jī)器人在不同地形下都能夠保持最佳的行走效果，提高了機(jī)器人的行走效率和適應(yīng)性。

36、本發(fā)明附加方面的優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。