[发明专利]一种用于双足步行机器人的步行运动规划方法

权利要求书

1.一种用于双足步行机器人的步行运动规划方法，其特征在于：流程为：①路径规划：以得到一条由起点到终点的无障碍路径为目标；②路径跟随：跟随①得到的路径求解得到的速度最快的足迹序列；③步态规划：根据足迹序列得到各个关节的驱动关节轨迹，④动力学约束优化；以全向移动小车为模型，以小车不倾覆为动力学约束条件，考虑了足迹变换中的动力学约束，在局部离散足迹间，使用三维线性倒立摆模型，在线生成髋部轨迹，并通过逆运动学，获得驱动关节轨迹；最终采用多刚体动力学模型，采用ZMP理论判定稳定性，验证关节轨迹的有效性，并优化全方位运动小车及三维线性倒立摆模型参数，最终实现：快速步行条件下，通过动力学约束的双足步行机器人步行运动规划；全向移动小车模型为：半径为r的球形质量块m集中在高度为h的无质量杆上，该质量块具有转动惯量J_c，其下方是无质量、有一定尺寸的全向移动小车；质量块受重力G，小车受地面反力N；模型在二维平面内做加速度和角加速度分段连续的平动和转动，运动过程中需保证小车不发生倾覆；其中为步幅，(x_N，y_N)地面反力的作用点在水平面中的坐标的最小值和最大值，由于地面对小车提供的摩擦作用力有限，需保证机器人与地面不发生滑动，将旋转力矩与重力大小的比值定义为μ，设定在第k+1步的时间段(t_k，t_k+1)内，定义χ和γ是(t_k，t_k+1)时间段内对应的步长，φ为对应的旋转角度，则得到仿人机器人步幅之间的约束关系；Δx，Δγ，是步幅的变化量：

路径跟随的方法为：采用上文所述的全向移动小车模型，机器人重心位置即小车的集中质量块位置；在摆动足落地时对运动状态采样，形成离散的重心位置序列，假定步行周期不变，则运动状态序列为等时间间隔采样序列{P₀，P₁，…，P_n-1，P_n}，小车的运动状态向量P_k为(x_k，y_k，θ_k)分量表示小车在全局环境坐标系下的位姿，即重心在水平面上的位置和位姿角,分量表示这一步的位姿相对上一步位姿的变化量，即步幅参数；P_k的状态转移方程如式(2-1)：

是期望的步幅参数，为系统输入变量；是由步幅前后动力学约束关系求得的本步的步幅参数；若χ_cmd，γ_cmd，χ_k-1，γ_k-1，满足约束方程，即不等式组(1-6)：将

代入式(1-6)，则式(2-1)可化为式(2-2)：

若不满足约束方程，则取与原输入变量最接近的变量，即欧式距离最小的变量作为新的输入变量；得到的状态转移方程与式(2-2)类似，只是用代替

2.根据权利要求1所述的用于双足步行机器人的步行运动规划方法，其特征在于：式(2-1)所描述的重心运动状态序列，为机器人髋部运动轨迹序列，其最终需转换为落地足运动轨迹序列，在状态变量中加入左右摆动足的布尔型状态变量L＝{true,false}，以分别表示下一步足迹是左脚落地或右脚落地，从而得到考虑步幅连接动力学约束的足迹转移状态方程，如式(2-3)：

假设机器人在2维平面环境下步行运动，其所跟随的采样路径q采用离散点序列方式进行三维路径描述，描述机器人完整位姿(x_k，y_k，θ_k)，即某个时刻机器人状态中的位置分量和姿态角,期望路径用Q表示。