[发明专利]足式机器人足端轨迹规划方法、系统及控制方法、系统

说明书

本发明涉及一种足式机器人足端轨迹规划方法、系统及控制方法、系统，在对支撑阶段的足端轨迹进行规划时，采用带有抛物线过渡的线性函数对轨迹进行插值，得到支撑阶段的轨迹参数方程，并根据轨迹参数方程计算单只腿足结构的各关节在支撑阶段的第一关节角函数，在对摆动阶段的足端轨迹进行规划时，采用多项式插值的方法对关节角变化量进行插值，得到关节角变化量插值函数，根据第一关节角函数和关节角变化量插值函数计算单只腿足结构的各关节在摆动阶段的第二关节角函数，利用规划得到的足端轨迹对机器人进行控制，能够有效降低作为关节的运动原件的损耗，使腿足结构的运动更加平滑。

技术领域

本发明涉及机器人控制技术领域，特别是涉及一种足式机器人足端轨迹规划方法、系统及控制方法、系统。

背景技术

过去较长一段时间里，轮式机器人和履带式机器人以其运动的快速性、高效性和易控制性被广泛的运用在生活中。但是随着人类活动范围的扩大，人类的踪迹越来越多的出现在高低起伏的山地，沟壑纵横的高原，甚至未知的地外行星，普通的轮式机器人和履带式机器人无法很好的在这些地形上运动。

随着人工智能技术的发展，促使有着复杂控制结构的足式机器人越来越多的出现在人们的视野中。足式机器人的出现起源于对自然界动物的仿生学研究，以其对地形的高适应性和运动的灵巧性而备受关注和青睐。足式机器人几乎可以运动在各种复杂的地形上并完成运动作业，特别是被广泛应用在废墟探索，管道巡检，森林搜救，边防巡逻及星际探索等方面。

足式机器人是依靠与地面等支撑结构相接触的足端的反作用力来推动身体前进，通过各个腿足结构有规律的交替动作来完成整个运动过程。人们从仿生学角度结合所设计的机器人结构特点，研发出各种适用于不同足数的机器人的运动步态，这使足式机器人腿足结构的交替时序有了保障。目前足式机器人的研究多集中在步态规划上，针对足端轨迹的规划方法并不多。然而，足式机器人运动的另一个核心为机器人的足端轨迹规划，因为正是足端的反作用力为机器人提供运动的动力，足端轨迹规划将直接影响着机器人的运动方向和运动稳定性。足端轨迹规划的实质是通过对单腿足结构进行数学建模，在空间中求解出一条连续闭合的曲线，这条曲线就是足式机器人足端的轨迹。

目前的足端轨迹规划方法在空间轨迹规划上并未从实际腿足机构的运动去考虑，现有规划方法所规划出的轨迹有些在机器人落足时为直线转折，有些轨迹采用支撑轨迹为地面直线，摆动轨迹为两段直线加一段抛物线，其所形成的轨迹图的各曲线交界节点都未考虑到关节的旋转速度，这些现有方法规划出的轨迹会导致在将轨迹曲线通过逆运动学解算到关节空间后，关节变化的速度会有一个较大的突变，速度的突变意味着短时力矩的突变，这可能影响关节的运动元件(如舵机)的寿命。

发明内容

本发明的目的是提供一种足式机器人足端轨迹规划方法、系统及控制方法、系统，在考虑实际腿足结构运动的前提下对足端轨迹进行规划，有效降低作为关节的运动原件的损耗，使腿足结构的运动更加平滑。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

第一方面，本发明用于提供一种足式机器人足端轨迹规划方法，对单只腿足结构在单个周期内的足端轨迹进行规划，所述规划方法包括：

1)对支撑阶段的足端轨迹进行规划：

采用带有抛物线过渡的线性函数对轨迹进行插值，得到支撑阶段的轨迹参数方程；

根据所述轨迹参数方程计算所述单只腿足结构的各关节在支撑阶段的第一关节角函数；

2)对摆动阶段的足端轨迹进行规划：

采用多项式插值的方法对关节角变化量进行插值，得到关节角变化量插值函数；

根据所述第一关节角函数和所述关节角变化量插值函数计算所述单只腿足结构的各关节在摆动阶段的第二关节角函数；

所述第一关节角函数和所述第二关节角函数即为单个周期内的足端轨迹在关节空间的表示。