本發(fā)明涉及機器人運動規(guī)劃領域，具體涉及一種規(guī)劃四足機器人足端擺動軌跡的方法。

背景技術：

目前地面機器人的行走方式主要分為輪式、履帶式和足式.輪履式機器人的研究已經(jīng)相對成熟，但其在復雜崎嶇地形上的通過能力較差，足式機器人采用仿生原理，模擬自然界的足式動物，在狹小崎嶇地形具有良好的通過性，有效彌補了輪履式機器人的不足。在足式機器人中，四足機器人比雙足機器人簡單、比多足機器人行走效率高，因此具有較高的研究價值。足端擺動軌跡對四足機器人在崎嶇地形上的通過性有很大的影響。

合理的足端軌跡有助于減少四足機器人足端觸地時的沖擊，而且，足端軌跡對四足機器人的動力學特性有著重要影響。目前的軌跡設計方法有直上直下的矩形軌跡、正弦曲線軌跡和多項式推導等，其設計思路主要實現(xiàn)了足端向前運動的有效跨度，但在避障和越障能力方面有失考慮。例如由袁立鵬、張志宇和歐陽榮豎共同發(fā)表的“四足機器人基于功率最優(yōu)原則的足端軌跡規(guī)劃”，內容包括：“本文根據(jù)零沖擊原則，規(guī)劃了三條四足機器人的足端軌跡，對各條足端軌跡進行虛擬樣機仿真分析，根據(jù)功率最優(yōu)原則，針對不同的步態(tài)選擇相應最優(yōu)的足端軌跡，為類似問題的實現(xiàn)開辟了新思路和新途徑”；公開文本中采用多項式推導的原則對四足機器人足端運動進行計算，其中運用多個限制條件，無形中增加了計算量。

為此，尋找一種規(guī)劃四足機器人足端擺動軌跡的方法，提高四足機器人在復雜崎嶇地形上的通過能力性，成為本領域技術人員迫切需要解決的問題。

技術實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術中所存在的上述不足，本發(fā)明提供一種規(guī)劃四足機器人足端擺動軌跡的方法，所述方法包括：

步驟1：確定足端的擺動跨度和擺動相的持續(xù)時間；

步驟2：設計足端擺動過程中的曲線端點狀態(tài)參數(shù)；

步驟3：擬合足端擺動軌跡。

優(yōu)選的，所述步驟1分別確定足端在三維方向上的擺動跨度，以及整個擺動相的持續(xù)時間。

優(yōu)選的，所述步驟2的足端擺動過程包括：抬腿、邁腿和落腿階段。

優(yōu)選的，所述抬腿階段足端在x，y，z三維方向上的運動曲線包括：足端在x方向沿著機身反向擺動，在y方向沿著機身向外擺動，在z方向向上擺動。

優(yōu)選的，所述邁腿階段足端在x，y，z三維方向上的運動曲線包括：足端在x方向沿著機身正向運動且跨度較大，在y方向繼續(xù)沿著機身向外擺動，在z方向繼續(xù)向上直至最高點。

優(yōu)選的，所述落腿階段足端在x，y，z三維方向上的運動曲線包括：足端在x方向和y方向繼續(xù)保持原來的運動方向，在z方向上從最高點降到地面，使得足端緩慢向斜前方落地。

優(yōu)選的，采用三次樣條曲線擬合所述步驟3的足端擺動軌跡。

優(yōu)選的，所述足端擺動軌跡的擬合包括：在確定起點、后退點、最高點和終點的坐標值、對應時刻，以及起點和終點的速度值之后，采用三次樣條曲線，擬合得到具有避障和越障功能的足端擺動軌跡。

優(yōu)選的，在四足機器人運動過程中，每個擺動相開始之前，足端在三個方向的跨度、以及起點、后退點、最高點和終點的參數(shù)信息，可根據(jù)四足機器人的運動狀態(tài)和地形信息而實時調整。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果為：

(1)將足端擺動過程分為抬腿、邁腿和落腿三個階段，每個階段的運動特性有所不同；

(2)足端在抬腿階段具有向后向上的運動趨勢，有效實現(xiàn)避障功能；

(3)足端在邁腿方向具有向前向上的運動趨勢，可以很好的實現(xiàn)越障功能；

(4)足端擺動軌跡參數(shù)可以實時調整，能夠靈活適應地形，提高了四足機器人在復雜崎嶇地形上的通過能力。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的足端擺動軌跡示意圖；

圖2為本發(fā)明的足端在x方向擺動軌跡曲線圖；

圖3為本發(fā)明的足端在y方向擺動軌跡曲線圖；

圖4為本發(fā)明的足端在z方向擺動軌跡曲線圖；

圖5為本發(fā)明的足端擺動軌跡的三維圖。

具體實施方式

為了更好地理解本發(fā)明，下面結合說明書附圖和實例對本發(fā)明的內容做進一步的說明。

步驟1：確定足端的擺動跨度和擺動相的持續(xù)時間

確定了足端在x,y,z三維方向上的擺動跨度dx，dy，dz，以及整個擺動相的持續(xù)時間tsw。

步驟2：設計足端擺動過程中的曲線端點狀態(tài)參數(shù)

如圖1所示，將足端擺動過程分為抬腿、邁腿和落腿三個階段，并對三個階段的曲線端點狀態(tài)參數(shù)進行設計，具體包括：

步驟21，將足端擺動過程分為抬腿、邁腿和落腿三個階段。

步驟22：p1p2抬腿階段，足端在x方向沿著機身反向擺動，在y方向沿著機身向外擺動，在z方向向上擺動，這使得足端抬腿空間形成一個凸球體，能夠較大限度地躲避前方障礙。

步驟23：p2p3邁腿階段，足端在x方向沿著機身正向運動且跨度較大，在y方向繼續(xù)沿著機身向外擺動，在z方向繼續(xù)向上直至最高點，這使得足端能夠跨越的障礙物高度等于足端軌跡最高點。

步驟24：p3p4落腿階段，足端在x方向和y方向繼續(xù)保持原來的運動方向，在z方向上從最高點降到地面，使得足端緩慢向斜前方落地，避免了足地接觸的非柔性撞擊。

步驟25：根據(jù)步驟21，步驟22，步驟23，步驟24，足端運動軌跡的三個階段由四個典型位置點p1，p2，p3，p4來劃分，對這四個典型位置的對應時刻、坐標值、速度進行具體設計。以擺動開始時刻的足端位置為原點建立坐標系，各軸與世界坐標系同向，設計四個點的狀態(tài)如下：

p1為起點，其對應時刻為0，坐標值為(0，0，0)，速度為(vx1，vy1，vz1)；

p2為后退點，其對應時刻為rt2﹒tsw，坐標值為(-rx2·dx，ry2·dy，rz2·dz)；

p3為最高點，其對應時刻為rt3﹒tsw，坐標值為(rx3·dx，-ry3·dy，dz)；

p4為終點，其對應時刻為tsw，坐標值為(dx，dy，0)，速度為(vx4，vy4，vz4)。

步驟3：擬合足端擺動軌跡

如圖2，圖3，圖4和圖5所示，步驟3采用三次樣條曲線擬合足端擺動軌跡。

步驟31：在確定四個典型位置的坐標值、對應時刻，以及起點和終點的速度值之后，采用三次樣條曲線，擬合得到具有避障和越障功能的足端擺動軌跡。其中，圖2為擬合之后得到的x方向擺動軌跡曲線圖，圖3為y方向擺動軌跡曲線圖，圖4為z方向擺動軌跡曲線圖，圖5為足端擺動軌跡的三維圖，圖5與圖1所示的示意圖曲線輪廓基本一致，說明本發(fā)明所采用的三次樣條曲線擬合結果能夠滿足具有避障和越障功能的足端擺動軌跡曲線的設計需要。

步驟32：在四足機器人運動過程中，每個擺動相開始之前，足端在三個方向的跨度、以及四個典型位置的參數(shù)信息，都可以根據(jù)四足機器人的運動狀態(tài)和地形信息而實時調整，進一步提高避障越障能力，從而增強了四足機器人的地形適應能力。

本領域內的技術人員應明白，本申請的實施例可提供為方法、系統(tǒng)、或計算機程序產(chǎn)品。因此，本申請可采用完全硬件實施例、完全軟件實施例、或結合軟件和硬件方面的實施例的形式。而且，本申請可采用在一個或多個其中包含有計算機可用程序代碼的計算機可用存儲介質(包括但不限于磁盤存儲器、cd-rom、光學存儲器等)上實施的計算機程序產(chǎn)品的形式。

本申請是參照根據(jù)本申請實施例的方法、設備(系統(tǒng))、和計算機程序產(chǎn)品的流程圖和/或方框圖來描述的。應理解可由計算機程序指令實現(xiàn)流程圖和/或方框圖中的每一流程和/或方框、以及流程圖和/或方框圖中的流程和/或方框的結合。可提供這些計算機程序指令到通用計算機、專用計算機、嵌入式處理機或其他可編程數(shù)據(jù)處理設備的處理器以產(chǎn)生一個機器，使得通過計算機或其他可編程數(shù)據(jù)處理設備的處理器執(zhí)行的指令產(chǎn)生用于實現(xiàn)在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能的裝置。

這些計算機程序指令也可存儲在能引導計算機或其他可編程數(shù)據(jù)處理設備以特定方式工作的計算機可讀存儲器中，使得存儲在該計算機可讀存儲器中的指令產(chǎn)生包括指令裝置的制造品，該指令裝置實現(xiàn)在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能。

這些計算機程序指令也可裝載到計算機或其他可編程數(shù)據(jù)處理設備上，使得在計算機或其他可編程設備上執(zhí)行一系列操作步驟以產(chǎn)生計算機實現(xiàn)的處理，從而在計算機或其他可編程設備上執(zhí)行的指令提供用于實現(xiàn)在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能的步驟。

以上僅為本發(fā)明的實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均包含在申請待批的本發(fā)明的權利要求范圍之內。