[发明专利]四足机器人大坡度地形或高障碍物攀爬跨越的步态规划方法

权利要求书

1.一种四足机器人大坡度地形或高障碍物攀爬跨越的步态规划方法，其特征在于：四足机器人在面向大坡度地形和高障碍物地形时采用爬行步态，爬行步态四条腿的摆腿顺序为：左前腿-右前腿-右后腿-左后腿；

将四足机器人爬行步态的运动周期按照上述的摆腿顺序划分为八个状态相：LF摆动相、四足支撑相、RF摆动相、四足支撑相、RH摆动相、四足支撑相、LH摆动相和四足支撑相；在单腿摆动相，摆动腿沿着规划的足端轨迹进行摆动，机身静止不动；在四足支撑相，机器人的重心在沿着规划的路径进行前向运动的同时进行侧向移动；

设计状态机，在单腿摆动相，摆动腿落地触发下一状态相；在四足支撑相，以当前所规划的四足支撑相的时间触发下一状态相；状态相一旦发生变化，机器人通过摆动腿的落地规划和感知策略估计未知地形的参数，并结合当前自身运动状态对新状态相进行在线的运动规划；在当前状态相的整个过程中，机器人一直执行当前状态相初始时刻运动规划所生成的轨迹，直到当前状态相结束；机器人按照前述的状态机依次进入下一个状态相，直至完成一个完整的运动周期，然后再进入下一运动周期；具体过程如下：

(1)上一状态相结束，机器人进入新状态相；更新支撑域，根据当前支撑域，基于COG稳定性判据，进行身体重心的路径规划；

(2)根据步骤(1)所规划的路径，基于NESM稳定性判据，进行身体重心的轨迹规划；

(3)根据上述的方法，引入足底力反馈，通过将力反馈得到的质心位置与运动学算出的位置进行加权平均，得到最终的质心位置；

(4)规划静步态行走时机身和足端的摆动顺序及步态时序；

(5)拟合足端摆动轨迹；

在单腿摆动过程中，为避免腿部与障碍物发生碰撞，在进行足端轨迹规划时，采用三段式控制，三段时间互有重叠，设定参数α为调节重叠时间的比例，比例越大，轨迹曲线越光滑；

阶段一：z轴方向上采用三次曲线规划上升，且x轴保持不动，保证了足端直线向上地运动；

阶段二：x轴进行三次曲线规划前行，z轴保持不动；

阶段三：z轴进行二次曲线规划，直至与地面发生接触，x轴保持不动；

在四足支撑阶段，构造伪俯仰角，调整各个腿长，使得伪俯仰角为0，同时使得横滚角为0，伪俯仰角的计算公式如下：

ψ＝arctan(((l_lf+l_rf)/2-(l_lh+l_rh)/2)/S)，

根据上面取得的伪俯仰角的大小的反馈，来改变条腿的长度，并且考虑横滚角的大小，即得如下腿长更新公式：

l_lf＝l_lf+K_αψ+K_βφ，

l_rf＝l_rf+K_αψ-K_βφ，

l_lh＝l_lh-K_αψ+K_βφ，

l_rh＝l_rh+K_αψ-K_βφ，

其中，l_lf为左前腿在z轴方向的坐标，l_rf为右前腿在z轴方向的坐标，l_lh为左后腿在z轴方向的坐标，l_rh为右后腿在z轴方向的坐标，ψ为伪俯仰角大小，φ为IMU反馈得到的机身横滚角的大小，S为机身纵向跨距，K_α为伪俯仰角的反馈增益值，K_β为横滚角的反馈增益值；

所述步骤(1)进行身体重心的轨迹规划是求取机身重心在支撑平面上的投影点，当所述投影点位于支撑三角形内部，根据机身与足端的受力力矩平衡分析，计算投影点到支撑三角形边缘的最小稳定裕度，得到稳定区域。