[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

说明书

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，进行身体姿态调整，使得机器人在大坡度地形上也能稳定的运动；根据归一化能量稳定裕度计算方法计算能量稳定裕度最大处质心位置，再根据足底力传感器的反馈进行质心的调整；设定四足机器人的迈腿顺序为左前腿‑右前腿‑右后腿‑左后腿，以增加机器人的稳定性和越障能力。本发明采用先迈两条前腿再迈两条后腿的策略，增加机器人纵向跨距，极大地提高机器人的稳定性和运动过程中鲁棒性，在保证运动连续的前提下，四足机器人斜坡上的自适应调整，使得四足机器人能够稳定地通过复杂地形。

技术领域

本发明涉及一种用于四足机器人在大坡度地形或高障碍物上进行攀爬跨越的步态规划方法，属于腿足式机器人步态规划的控制技术领域。

背景技术

腿足式机器人是移动机器人领域的一个重要分支。目前最为常见的机器人移动方式为轮式或履带式，这类移动机器人能够较好地适应平坦的路面，且近年来其在越野性能上也取得了相当不错的成就。然而，轮式或履带式机器人在崎岖复杂路面的行进依旧有很大的困难和局限性。与之相比，自然界中的腿足式动物能够几乎可以到达地面上的任何位置，例如，羚羊可以在悬崖峭壁上行走，松鼠能够自如地在树枝上奔跑，猎豹具有较快的奔跑速度，马、骡等在驮运较重的货物时依然可以自如行走。腿足式动物的这些特质使得研究人员越来越重视腿足式机器人的研制，腿足式机器人在灵活性与地形适应性上比传统的轮式或履带式机器人有更大的潜力。

腿足式机器人按照腿的数量分类，主要包括单足机器人、双足机器人、四足机器人、六足机器人或更多足的机器人。其中四足机器人相比六足或更多足机器人，在结构上更加简单；与单足或双足机器人相比，四足机器人在稳定性与负重能力上更有优势。同时，从仿生角度讲，哺乳动物作为进化最高等的脊椎动物，绝大部分均采用四足行走形式。

中国专利文献CN107065908A公开的《一种规划四足机器人静步态机身运动轨迹的方法》，包括规划静步态行走时机身和足端的摆动顺序及步态时序，计算三条腿支撑地面时四足机器人的稳定区域和同侧腿连续迈步时对应的稳定区域，并且求取机身运动的目标位置，拟合机身运动轨迹曲线。上述方法在普通的斜面或者不规则地形下运行良好，但是在面对大坡度地形或者高障碍物时，仍显得运动能力不足，主要原因是在大坡度地形下机器人的稳定性大大降低，质心的移动需要特别地进行规划才能保持稳定，这一点可以通过引入足底力反馈来提高机器人在质心调整过程中的稳定性。

中国专利文献CN107065867A公开的《一种面向未知崎岖地形的四足机器人运动规划方法》中提到的爬行步态与前面提到的CN107065908A中所用爬行步态相同，采用的摆腿顺序都是：左前腿-右后腿-右前腿-左右腿。该方法在面对大坡度地形时没有充分利用四足机器人的运动空间，导致机器人总体稳定裕度较小，稳定性低，而这点可以通过定义其迈步顺序提高。

发明内容

本发明针对现有的四足机器人运动规划方法存在的不足，提出一种面向大坡度地形和高障碍物地形的四足机器人运动规划方法，确定四足机器人的腿部拓扑结构，在保证运动连续的前提下，四足机器人进行斜坡上的自适应调整，使得四足机器人能够稳定地通过复杂地形。

为了实现上述目的，本发明的步态规划方法，包括以下步骤：

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；