提高六足机器人行走稳定性的步态规划方法

摘要

本发明公开了一种提高六足机器人行走稳定性的步态规划方法，包括：行进：抬起不相邻两足，开始沿平行于机身中心和终点连线的每足末端的平移路径行进，行进时始终保证四足着地，不相邻两足抬起，且每足的各关节按周期旋转到对应预设角度，使每足末端在其平移路径上抬起、落下；变向：机器人头部摄像模块旋转到正对目标终点方向，再执行行进基本动作。本发明避免动作顿挫、生硬、机身倾斜，步态流畅稳定；同时旋转时仅旋转头部，机身不动，保持机器人正面始终直线向前，不出现角度扭曲，能够实现不必移动肢体即可快速改变正面朝向或向指定方向移动。

说明书

技术领域

本发明涉及六足机器人，具体涉及提高六足机器人行走稳定性的步态 规划方法。

背景技术

六足机器人又叫蜘蛛机器人，是多足机器人的一种，具有稳定性好、 承载能力高、地形适应性强等优势，是复杂作业环境下的最佳选择，具有 广阔的应用前景。

目前，六足机器人的常见步态以三角步态为主，即将六足分为交替相 隔的两组，每组三足，通过两组关节交替起落旋转来实现机器人的前进、 转向、后退等行动。三角步态虽然能实现移动、旋转等动作，不仅动作单 调生硬、动作的节奏感较强，无法流畅平滑移动；而且由于三角步态的前 进动作实际上是通过两个不同方向的交替旋转进行的，无法保持机器人机 身正面方向稳定一致，对于有摄像头功能的六足机器人来说，会造成视频 画面的剧烈晃动，严重影响视频质量和应用范围。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有六足机器人的三角步态不仅动作单 调生硬、动作的节奏感较强，无法流畅平滑移动，而且无法保持机器人机 身正面方向稳定一致的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种提高六 足机器人行走稳定性的步态规划方法，包括以下基本动作：

行进：抬起不相邻两足，开始沿平行于机身中心和终点连线的每足末端 的平移路径行进，行进时始终保证四足着地，不相邻两足抬起，且每足的各 关节按周期旋转到对应预设角度，使每足末端在其平移路径上抬起、落下；

变向：机器人头部摄像模块旋转到正对目标终点方向，再执行行进基本 动作。

在上述方案中，行进时始终保证四足着地，不相邻两足抬起包括交替抬 起不相邻的两足和不相邻的两足交替抬起两种步态，其中，

交替抬起不相邻的两足为：行进开始后，抬起的两足一起落地，着地、 不相邻的两足一起抬起；

不相邻的两足交替抬起为：行进开始后，抬起的一足落地，同时着地的 四足中一足抬起，且该抬起足与原抬起足不相邻。

在上述方案中，每足末端的平移路径计算方式为：利用变换算法建立每 足的足坐标系与机身坐标系的对应关系，在标准站立姿态下，通过机身中心 平移路径，计算出每足末端的平移路径；其中，

机身中心平移路径的计算方法为：在机身坐标系中，将机身中心映射到 经过目标终点垂直于地面的直线上，通过目标终点坐标得到机身映射中心坐 标，机身中心与机身映射中心连线为机身中心平移路径。

在上述方案中，在机身坐标系中，目标终点坐标的获取是摄像模块搜索 得到在环境坐标系下的目标终点坐标，再通过变换算法将目标终点在环境坐 标系坐标投射到机身坐标系中，获取在机身坐标系中目标终点坐标。

在上述方案中，通过变换算法建立每足的足坐标系与机身坐标系的对应 关系具体包括以下步骤：

第一步、通过对机身坐标系坐标(x,y)进行旋转，得到足坐标系坐标 (x’,y’)为：

$\left(\begin{array}{c}{x}^{\prime }\\ y^{\prime }\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\cos \theta & -\sin \theta \\ +\sin \theta & cos\theta \end{array}\right)\left(\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right).$

其中，θ为机身中心和摄像模块方向连线与机身中心和足根部在机身连 接点连线的夹角；

第二步、对坐标(x’,y’)在足坐标系的y轴上平移r，r为机身半径， 在x轴上不变，则得到机身坐标系坐标(x,y,z)在足坐标系的坐标 (x’’,y’’,z’’)；其中，平移后x’’＝x’，y’’＝y’+r，由于z 轴未发生变换，所以z’’＝z。

在上述方案中，机器人包括髋关节、膝关节和踝关节三个关节，标准站 立姿态时三个关节的角度如下：

髋关节：与机身圆周接触点的切线方向垂直；

膝关节：与机身水平方向平行；

踝关节：使两段肢体成90度，足末端与地面垂直。

在上述方案中，所述髋关节能沿着机身圆周运动，使机身转动。

在上述方案中，各关节旋转的预设角度的计算方法为：在每个足坐标 系中，将机器人各个关节角度与足末端点坐标进行映射，通过坐标映射计 算出各个足末端在其平移路径竖直平面上的运动轨迹，并获得足末端在该 运动轨迹不同坐标点上对应的各关节旋转角度，配置关节旋转预设角度；

足末端在运动轨迹不同坐标点上对应的各关节旋转角度采取D-H矩阵进 行计算，具体公式为：

足末端的变换矩阵T为：[T]＝[Z₁][Z₂]...[Z_n]；

相邻两连杆间的变换矩阵Z_i为：

$\left[Z_i\right]=\left(\begin{array}{cccc}{\mathrm{cos\theta }}_i& -{\mathrm{sin\theta }}_i& 0& 0\\ {\mathrm{sin\theta }}_i& {\mathrm{cos\theta }}_i& 0& 0\\ 0& 0& 1& d_i\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right),$

其中，θ_i表示运动时各关节绕自身坐标系z轴的旋转角；d_i表示运动 时在z轴上各关节之间的偏移；i取值为1至3。

在上述方案中，每足按相同周期、不同相位差进行循环动作，各足平 稳交替平移；

每足的运动周期大致分为三部分：抬起、下落、后蹬；其中，后蹬部 分时间占到周期的2/3。

在上述方案中，每足的运动周期的三部分动作的实现是通过将每个运 动周期足末端的运动轨迹均匀设置多个关键坐标点，再根据关键坐标点数 量将整个运动周期分为均匀的小周期，然后在一个小周期内将足末端从一 个关键坐标点移到下一个关键坐标点。

本发明依赖变换算法保证各足末端位置在移动中始终保持直线，以使 得机身位置也保持直线向前，且保证在任何情况下保证不相邻四足着地， 避免动作顿挫、生硬、机身倾斜，步态流畅稳定；同时旋转时仅旋转头部， 机身不动，保持机器人正面始终直线向前，不出现角度扭曲，能够实现不 必移动肢体即可快速改变正面朝向或向指定方向移动。

附图说明

图1为本发明提供的一种提高六足机器人行走稳定性的步态规划方法 每足的平移路径示意图；

图2、图3为本发明提供的一种提高六足机器人行走稳定性的步态规划 方法的六足末端状态示意图；

图4为本发明中机器人各相邻连杆的空间关系示意图。

具体实施方式

本发明是基于机身为圆周对称结构、六足均匀分布于机身圆周的六足机 器人，且设在机身之上的机器人头部可360度旋转，并在头部正脸带有摄像 模块。为了方便说明，本发明定义了三个坐标系，具体如下：

机身坐标系，以机器人机身中心为原点，经过原点、平行于机身平面、 垂直于头部正脸表面中分线的直线为Y轴，平行机身平面、垂直于Y轴直线 为X轴，垂直于机身平面的直线为Z轴；

足坐标系，以每足根部与机身连接处为坐标原点，经坐标原点的机身切 线为X轴，坐标原点与机身中心连接延长线为Y轴、经坐标原点垂直于机身 平面的直线Z轴，简称足坐标系，共6个；

环境坐标系，以机器人足末端所踏的地平面作为X-Y平面，原点可以设 置在X-Y平面任意位置上，经过原点并垂直于地平面方向为Z轴。

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明做出详细的说明。

本发明提供的一种提高六足机器人行走稳定性的步态规划方法，主要包 括以下基本动作：

行进：抬起不相邻两足，如图1所示，开始沿平行于机身中心和终点连 线的每足末端的平移路径行进，行进时始终保证四足着地，不相邻两足抬起 且每足的各关节按周期旋转到对应预设角度，使每足末端在其平移路径上抬 起、落下，以便消除顿挫感，动作流畅平滑，按照此步态方案，六足末端状 态仅存在图2、图3所示两种情况，其中空心圆表示抬起足的末端，黑色填 充圆表示着地足的末端；

变向：机器人头部摄像模块旋转到正对目标终点方向，再执行行进基本 动作，不需要机身进行旋转，从而保正机器人机身正面方向稳定一致，对于 有摄像头功能的机器人来说，避免视频画面的剧烈晃动，在本发明中，机器 人头部可进行360度旋转。

在本发明中，行进时始终保证四足着地，不相邻两足抬起包括交替抬起 不相邻的两足和不相邻的两足交替抬起两种步态，其中，交替抬起不相邻的 两足为：行进开始后，抬起的两足一起落地，着地、不相邻的两足一起抬起； 不相邻的两足交替抬起为：行进开始后，抬起的一足落地，同时着地的四足 中一足抬起，且该抬起足与原抬起足不相邻。

在本发明中，每足末端的平移路径计算方式为：利用变换算法建立每足 的足坐标系与机身坐标系的对应关系，通过机身中心平移路径，计算出每足 末端的平移路径(当机器人由一个坐标移动到另一个坐标点时，从俯视角度 来看，机器人六足末端平移路径为直线路径，每足末端在该直线上，抬起、 落下)，这里以在标准站立姿态下各足末端的位置为参照，计算每足末端的 平移路径，在标准站立姿态下，足末端和机身中心的相对位置是固定的，所 以在机身位于任意位置时，都能算出各足末端的坐标，也就能通过机身中心 平移路径计算出各足末端的平移路径。

机身中心平移路径的计算方法为：在机身坐标系中，将机身中心映射到 经过目标终点垂直于地面的直线上，通过目标终点坐标得到机身映射中心坐 标，机身中心与机身映射中心连线即为机身中心平移路径。

在机身坐标系中，目标终点坐标的获取是摄像模块搜索得到在环境坐标 系下的目标终点坐标，再通过变换算法将目标终点在环境坐标系坐标投射到 机身坐标系中，获取在机身坐标系中目标终点坐标。

通过变换算法建立每足的足坐标系与机身坐标系的对应关系具体方式 分为两步：

旋转：设机身中心和摄像模块方向连线与机身中心和足根部在机身连接 点连线的夹角为θ，则机身坐标系坐标(x,y)在足坐标系中的坐标(x’,y’) 为：

$\left(\begin{array}{c}{x}^{\prime }\\ y^{\prime }\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\cos \theta & -\sin \theta \\ +\sin \theta & cos\theta \end{array}\right)\left(\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right).$

平移：旋转之后，令x”＝x’，y”＝y’+r，其中，r为机身半径， 即机身中心到足根部的距离；由于z轴未发生变换，所以z’’＝z，这样就 将机身坐标系坐标(x,y,z)变换成了足坐标系(x”,y”,z”)，这 样在足坐标系中通过机身中心点移动时各个坐标，就能推算出移动过程中各 足末端的位置的对应坐标，每个足末端所有位置的对应坐标的连线即为每足 末端的平移路径，如图1所示。

在本发明中，机器人包括髋关节、膝关节和踝关节三个关节，标准站 立姿态时三个关节的角度如下：

髋关节：与机身圆周接触点的切线方向垂直；

膝关节：与机身水平方向平行；

踝关节：使两段肢体成90度，足末端与地面垂直。

在本发明中，髋关节能沿着机身圆周运动，使机身转动，当机器人机身 上的固定机械手不能触碰到目标或其他需要旋转机身的情况时，控制髋关节 运动，将机身转到相应方向。

在本发明中，各关节旋转的预设角度的计算方法为：在每个足坐标系 中，将机器人各个关节角度与足末端点坐标进行映射，通过坐标映射计算 出各个足末端在其平移路径竖直平面上的运动轨迹，并获得足末端在该运 动轨迹不同坐标点上对应的各关节旋转角度，配置关节旋转预设角度。

在本发明中，各个足末端在其平移路径竖直平面上的运动轨迹的生成工 作最初可依靠经验进行设置，经验设置是我们通过手动调节步伐中每一个动 作的关节坐标，反复尝试，得出的系列可以平稳前进的动作，然后再以它为 基础进行改进和优化，而后通过遗传算法或其他机器学习及优化算法生成最 优解，并将运动轨迹方程最优解导入机器人存储。各足末端动作的相位差及 周期可由CPG振荡器发生，相位差及周期范围理论是无限制的，周期时间下 限(即最快速度)由电机的理论转速决定，在本发明采取的步态中，每个步 伐周期中有12个参考坐标点，各点之间的移动间隔时间是250ms，也就是3 秒完成一个周期循环，此周期起始和终结时的机身姿态完全相同，只是位置 进行了平移。

在本发明中，足末端在运动轨迹不同坐标点上(足末端位置)对应的各 关节旋转角度采取D-H矩阵进行计算，D-H矩阵是一种利用4x4齐次矩阵描 述机器人各相邻连杆空间关系(如图2所示)，进而推导出机器人各连杆末 端对于足坐标系位置的算法，机器人的每一足都可以看作一套连杆系统，在 图2中，分别针对各关节建立坐标系，各个关节中心轴为每个坐标系的Z轴， 髋关节的坐标系为足坐标系，θ_i表示运动时各关节绕自身坐标系z轴的旋 转角；α_i为运动时两个相邻关节的z轴之间的扭角；d_i表示运动时在z轴上 两条相邻的公垂线之间的距离(或称各关节之间的偏移)；a_i表示各公垂线 的长度(连杆Link_i的长度)由于本机器人每足有三个关节，所以i取值范 围为1至3，采取D-H矩阵进行计算的具体公式为：

相邻两连杆间的变换矩阵Z_i为：

$\left[Z_i\right]=\left(\begin{array}{cccc}{\mathrm{cos\theta }}_i& -{\mathrm{sin\theta }}_i& 0& 0\\ {\mathrm{sin\theta }}_i& {\mathrm{cos\theta }}_i& 0& 0\\ 0& 0& 1& d_i\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right),$

足末端的变换矩阵T为：[T]＝[Z₁][Z₂]...[Z_n]。

在本发明中，每足按相同周期、不同相位差进行循环动作，使得各足平 稳交替前进，每足的运动周期大致分为三部分：抬起、下落、后蹬，其中， 后蹬部分时间要占到周期的2/3，保证机器人始终有三足在地面上，形成平 稳的步态。每足的运动周期的三部分动作的实现是通过将每个运动周期足末 端的运动轨迹均匀设置多个关键坐标点，再根据关键坐标点数量将整个运动 周期分为均匀的小周期，然后在一个小周期内将足末端从一个关键坐标点移 到下一个关键坐标点，从而实现各足的交替移动，关键坐标点位置首先通过 经验设计，之后通过算法优化。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本 发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要 求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。