一种双步态六足机器人及双步态六足机器人爬行方法

摘要

本发明涉及一种双步态六足机器人及双步态六足机器人爬行方法，其中双步态六足机器人包括机器人本体和行进控制模块，机器人本体包括躯干、两个前腿、两个中腿、两个后腿和滑动部，两个中腿通过滑动部连接于躯干并可以通过滑动部在前腿和后腿之间滑动，行进控制模块电连接机器人本体，行进控制模块包括步态分析模块、结构调整模块、参数计算模块和行进驱动模块。相比于现有技术，本发明通过行进控制模块判定所需的步态，然后通过滑动部使得中腿能够改变位置，使中腿能够和前腿或后腿共同运动，实现六足机器人以四足步态的行走，使得本双步态六足机器人能够兼具三角步态和四足步态的优点，能够应付更加多样的环境。

说明书

技术领域

本发明涉及仿生机器人技术领域，尤其涉及一种双步态六足机器人及双步态六足机器人爬行方法。

背景技术

“仿生机器人”是指模仿生物、从事生物特点工作的机器人，发展仿生机器人能够弥补特种作业下的劳动力的严重不足。六足机器人是目前常见的一种仿生机器人，其运动时只需要离散的点接触地面，对环境的破坏程度也较小，对崎岖地形的适应性强。

目前，大部分六足机器人采用了仿昆虫的结构，因此模仿“六足纲”昆虫步行的三角步态，便是六足步行机器人实现步行的典型步态。六足步态能够保持低重心，不用协调纵向运动，容易稳定，能够实现定点转向，所以这种行走方案能得到广泛运用。

但是，三角步态在冲刺时，其速度不如模仿四足哺乳动物的四足步态，同时，三角步态也不能实现四足步态中的小跑、溜蹄等一些动作模式，使得六足机器人无法应对一些需要快速冲刺等特殊场景。因此，人们亟需一种既能够以三角步态行进，也能够以四足步态行进的六足机器人。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种双步态六足机器人及双步态六足机器人爬行方法，用以解决如何使六足机器人既能够以三角步态行进，也能够以四足步态行进的问题。

为达到上述技术目的，本发明采取了以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种双步态六足机器人，包括机器人本体和行进控制模块，所述机器人本体包括躯干、两个前腿、两个中腿、两个后腿和滑动部，两个所述前腿分别可活动地连接于所述躯干的两侧，两个所述后腿分别可活动地连接于所述躯干的两侧，两个所述滑动部分别可活动地连接于所述躯干的两侧，所述滑动部用于在同侧的所述前腿和所述后腿之间滑动，两个所述中腿分别可活动地连接于两个所述滑动部；

所述行进控制模块电连接所述机器人本体，所述行进控制模块包括步态分析模块、结构调整模块、参数计算模块和行进驱动模块，其中：

所述步态分析模块用于获取行进路况信息，并根据所述行进路况信息，得到目标步态，所述目标步态包括定点转向步态、三角步态和多种四足步态中的至少一种；

所述结构调整模块用于根据所述目标步态，向所述滑动部发送移动信号以调整所述中腿相对于所述躯干的位置；

所述参数计算模块用于根据所述行进路况信息、所述目标步态，得到行进控制参数；

所述行进驱动模块用于根据所述行进控制参数，向所述机器人本体发送信号以驱动所述机器人本体行走。

进一步的，所述躯干包括两个滑轨，两个所述滑轨分别连接于所述躯干的两侧，所述滑轨沿所述前腿向所述后腿的方向延伸，所述滑动部滑动连接于所述滑轨。

进一步的，所述滑轨的一端延伸至所述前腿和所述后腿的中间位置，所述滑轨的另一端延伸至所述后腿和所述躯干的连接处。

第二方面，本发明还提供一种双步态六足机器人爬行方法，应用于如上述任一项所述的双步态六足机器人，所述方法包括：

获取行进路况信息，并根据所述行进路况信息，得到目标步态，所述目标步态包括定点转向步态、三角步态和多种四足步态中的至少一种；

根据所述目标步态，向所述滑动部发送移动信号以调整所述中腿相对于所述躯干的位置；

根据所述行进路况信息、所述目标步态，得到行进控制参数；

根据所述行进控制参数，向所述机器人本体发送信号以驱动所述机器人本体行走。

进一步的，所述根据所述目标步态，向所述滑动部发送移动信号以调整所述中腿相对于所述躯干的位置，包括：

若所述目标步态为定点转向步态或三角步态，则向所述滑动部发送移动信号以使所述滑动部带动所述中腿移动至所述前腿和所述后腿的中间位置；

若所述目标步态为四足步态，则向所述滑动部发送移动信号以使所述滑动部带动所述中腿移动至所述后腿和所述躯干的连接处，所述前腿单独构成一条四足运动腿，位于所述躯干同侧的所述中腿和所述后腿共同构成一条四足运动腿。

进一步的，所述行进控制参数包括关节旋转角度；所述根据所述行进路况信息、所述目标步态，得到行进控制参数，包括：

若所述目标步态为四足步态，则：

根据所述行进路况信息和所述四足步态的种类，得到每条四足运动腿的足端运动模型；

根据所述足端运动模型，得到每条四足运动腿的足端目标位置；

根据所述足端目标位置，得到每条四足运动腿的所述关节旋转角度。

进一步的，所述根据所述行进路况信息和所述四足步态的种类，得到每条四足运动腿的足端运动模型，包括：

根据所述行进路况信息，得到步态周期、步频和离地高度；

根据所述四足步态的种类，得到目标占空比和每条四足运动腿的相位差；

建立方向速度约束条件；

根据所述方向速度约束条件，所述步态周期、所述步频、所述离地高度、所述目标占空比及每条四足运动腿的相位差，得到每条四足运动腿的足端运动模型。

进一步的，所述根据所述方向速度约束条件，所述步态周期、所述步频、所述离地高度、所述目标占空比及每条四足运动腿的相位差，得到每条四足运动腿的足端运动模型，包括：

根据所述机器人本体的强度特征，基于所述步态周期、所述步频、所述离地高度、所述目标占空比及每条四足运动腿的相位差，建立每个四足运动腿的足端优化轨迹函数，所述足端优化轨迹函数的自变量为时间，因变量为四足运动腿的加速度；

根据所述足端优化轨迹函数、所述方向速度约束条件，得到每条四足运动腿的足端运动模型。

进一步的，所述四足步态包括爬行步态、小跑步态和溜蹄步态，所述所述爬行步态对应的所述目标占空比为大于或等于0.75，且小于1，所述小跑步态对应的所述目标占空比为大于或等于0.5，且小于0.75，所述溜蹄步态对应的所述目标占空比为大于或等于0.5，且小于0.75。

进一步的，所述爬行步态对应的每条四足运动腿的相位差分别为0、0.75、0.25和0.5，所述小跑步态对应的每条四足运动腿的相位差分别为0、0.5、0和0.5，所述溜蹄步态对应的每条四足运动腿的相位差分别为0、0、0.5和0.5。

本发明提供一种双步态六足机器人及双步态六足机器人爬行方法，其中双步态六足机器人包括机器人本体和行进控制模块，所述机器人本体包括躯干、两个前腿、两个中腿、两个后腿和滑动部，两个所述前腿和两个所述后腿分别可活动地连接于所述躯干，两个中腿通过滑动部连接于躯干，并可以通过滑动部在前腿和后腿之间滑动，所述行进控制模块电连接所述机器人本体，所述行进控制模块包括步态分析模块、结构调整模块、参数计算模块和行进驱动模块，行进控制模块用于先获取行进路况信息，并根据所述行进路况信息，得到目标步态，所述目标步态包括定点转向步态、三角步态和多种四足步态，然后根据所述目标步态，向所述滑动部发送移动信号以调整所述中腿相对于所述躯干的位置，再根据所述行进路况信息、所述目标步态，得到行进控制参数，最后根据所述行进控制参数，向所述机器人本体发送信号以驱动所述机器人本体行走。相比于现有技术，本发明通过行进控制模块判定所需的步态，然后通过滑动部使得中腿能够改变位置，使中腿能够和前腿或后腿共同运动，实现六足机器人以四足步态的行走，使得本双步态六足机器人能够兼具三角步态和四足步态的优点，能够应付更加多样的环境。

附图说明

图1为本发明提供的双步态六足机器人一实施例的系统架构图；

图2为本发明提供的双步态六足机器人一实施例中机器人本体的结构示意图；

图3为本发明提供的双步态六足机器人爬行方法一实施例的方法流程图；

图4为本发明提供的双步态六足机器人一实施例的三角步态示意图；

图5为本发明提供的双步态六足机器人一实施例的定点转向步态示意图；

图6为图3中步骤S303一实施例的方法流程图；

图7为图6中步骤S601一实施例的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

本发明通过滑动部使得六足机器人中的中间的腿可以改变位置，构成类四足机器人的结构，进而使得六足机器人能够实现四足机器人的步态。

本发明提供了一种双步态六足机器人及双步态六足机器人爬行方法，以下分别进行说明。

结合图1～2所示，本发明的一个具体实施例，公开了一种双步态六足机器人，包括机器人本体100和行进控制模块200，所述机器人本体100包括躯干110、两个前腿120、两个中腿130、两个后腿140和滑动部150，两个所述前腿120分别可活动地连接于所述躯干110的两侧，两个所述后腿140分别可活动地连接于所述躯干110的两侧，两个所述滑动部150分别可活动地连接于所述躯干110的两侧，所述滑动部150用于在同侧的所述前腿120和所述后腿140之间滑动，两个所述中腿130分别可活动地连接于两个所述滑动部150。

所述行进控制模块200电连接所述机器人本体100，所述行进控制模块200包括步态分析模块210、结构调整模块220、参数计算模块230和行进驱动模块240，其中：

所述步态分析模块210用于获取行进路况信息，并根据所述行进路况信息，得到目标步态，所述目标步态包括定点转向步态、三角步态和多种四足步态中的至少一种；

所述结构调整模块220用于根据所述目标步态，向所述滑动部150发送移动信号以调整所述中腿130相对于所述躯干110的位置；

所述参数计算模块230用于根据所述行进路况信息、所述目标步态，得到行进控制参数；

所述行进驱动模块240用于根据所述行进控制参数，向所述机器人本体100发送信号以驱动所述机器人本体100行走。

相比于现有技术，本发明通过行进控制模块200判定所需的步态，然后通过滑动部150使得中腿130能够改变位置，使中腿130能够和前腿120或后腿140共同运动，实现六足机器人以四足步态的行走，使得本双步态六足机器人能够兼具三角步态和四足步态的优点，能够应付更加多样的环境。

在一个优选的实施例中，所述躯干110包括两个滑轨111，两个所述滑轨111分别连接于所述躯干110的两侧，所述滑轨111沿所述前腿120向所述后腿140的方向延伸，所述滑动部150滑动连接于所述滑轨111。

上述滑动部150可以沿着滑轨111移动，滑轨111可以为外凸的轨道或内凹的凹槽等任意现有的能够限制物块滑行的结构，同样地，滑动部150也可以为滑块、滚轮等任意现有的能够沿对应的滑轨111滑动的结构。可以理解的是，躯干110上也可以不具备滑轨111等结构，滑动部150也可以为任意的能够在躯干110上实现位移的结构，例如滑动部150通过可伸缩的连杆连接于躯干110，通过两岸的伸缩便可以实现滑动部150相对于躯干110的滑动。

在一个优选的实施例中，所述滑轨111的一端延伸至所述前腿120和所述后腿140的中间位置，所述滑轨111的另一端延伸至所述后腿140和所述躯干110的连接处。当滑动部150位于滑轨111的一端时，中腿130位于前腿120和后腿140的正中间位置，此时机器人本体100可以实现三角步态的行走。当滑动部150位于滑轨111的另一端时，此时中腿130和后腿140位置现金，二者可以视为同一条腿同步运动，此时机器人本体100便可以视为仅拥有四条腿，可以实现四足步态的行走。

可以理解的是，实际中滑轨111的一端也可以延伸至前腿120和所述躯干110的连接处，滑轨111的另一端也可以延伸至前腿120和所述后腿140的中间位置，使得中腿130和前腿120组成同一条运动腿。本实施例中中腿130和后腿140组合更加符合实际中的生物结构，同时能够提升机器人本体100的负载能力。

结合图3所示，为了更好地说明上述双步态六足机器人，本发明还提供一种双步态六足机器人爬行方法，应用于上述任一实施例所述的双步态六足机器人，所述方法包括：

S301、获取行进路况信息，并根据所述行进路况信息，得到目标步态，所述目标步态包括定点转向步态、三角步态和多种四足步态中的至少一种；

S302、根据所述目标步态，向所述滑动部发送移动信号以调整所述中腿相对于所述躯干的位置；

S303、根据所述行进路况信息、所述目标步态，得到行进控制参数；

S304、根据所述行进控制参数，向所述机器人本体发送信号以驱动所述机器人本体行走。

可以理解的是，步骤S301中，如何根据行进路况信息判断目标步态可以根据机器人本体的具体规格，双步态六足机器人的具体应用场景灵活制定，且均为本领域技术人员能够设计出来的现有技术，因此本文中不做过多赘述。

在一个优选的实施例中，上述步骤S302、所述根据所述目标步态，向所述滑动部发送移动信号以调整所述中腿相对于所述躯干的位置，具体包括：

若所述目标步态为定点转向步态或三角步态，则向所述滑动部发送移动信号以使所述滑动部带动所述中腿移动至所述前腿和所述后腿的中间位置；

若所述目标步态为四足步态，则向所述滑动部发送移动信号以使所述滑动部带动所述中腿移动至所述后腿和所述躯干的连接处，所述前腿单独构成一条四足运动腿，位于所述躯干同侧的所述中腿和所述后腿共同构成一条四足运动腿。

上述步骤的原理及所能达到的技术效果与前文实施例中的相应内容相同，因此此处不做过多说明。

本实施例中双步态六足机器人在三角步态以及定点转向步态下的运行示意图分别如图4及图5所示，如何实现三角步态和定点转向步态为现有技术，因此本文中不做过多说明。

结合图6所示，在一个优选的实施例中，所述行进控制参数包括关节旋转角度；上述步骤S303、根据所述行进路况信息、所述目标步态，得到行进控制参数，具体包括：

若所述目标步态为四足步态，则：

S601、根据所述行进路况信息和所述四足步态的种类，得到每条四足运动腿的足端运动模型；

S602、根据所述足端运动模型，得到每条四足运动腿的足端目标位置；

S603、根据所述足端目标位置，得到每条四足运动腿的所述关节旋转角度。

具体地，结合图7所示，在一个优选的实施例中，上述步骤S601、根据所述行进路况信息和所述四足步态的种类，得到每条四足运动腿的足端运动模型，具体包括：

S701、根据所述行进路况信息，得到步态周期、步频和离地高度；

S702、根据所述四足步态的种类，得到目标占空比和每条四足运动腿的相位差；

S703、建立方向速度约束条件；

S704、根据所述方向速度约束条件，所述步态周期、所述步频、所述离地高度、所述目标占空比及每条四足运动腿的相位差，得到每条四足运动腿的足端运动模型。

在一个优选的实施例中，所述四足步态包括爬行步态、小跑步态和溜蹄步态，所述所述爬行步态对应的所述目标占空比为大于或等于0.75，且小于1，所述小跑步态对应的所述目标占空比为大于或等于0.5，且小于0.75，所述溜蹄步态对应的所述目标占空比为大于或等于0.5，且小于0.75。

在一个优选的实施例中，所述爬行步态对应的每条四足运动腿的相位差分别为0、0.75、0.25和0.5，所述小跑步态对应的每条四足运动腿的相位差分别为0、0.5、0和0.5，所述溜蹄步态对应的每条四足运动腿的相位差分别为0、0、0.5和0.5。

可以理解的是，上述占空比和相位差均可以根据实际情况灵活调整。

进一步的，在一个优选的实施例中，上述步骤S704、根据所述方向速度约束条件，所述步态周期、所述步频、所述离地高度、所述目标占空比及每条四足运动腿的相位差，得到每条四足运动腿的足端运动模型，具体包括：

根据所述机器人本体的强度特征，基于所述步态周期、所述步频、所述离地高度、所述目标占空比及每条四足运动腿的相位差，建立每个四足运动腿的足端优化轨迹函数，所述足端优化轨迹函数的自变量为时间，因变量为四足运动腿的加速度；

根据所述足端优化轨迹函数、所述方向速度约束条件，得到每条四足运动腿的足端运动模型。

本发明还提供一更加详细的实施例，用以更加清楚地说明上述步骤S701～S704：

首先，本实施例先阐述如何确定各个四足步态下的目标占空比及相位差。

爬行步态是四足动物在慢速行走的状态下，任意时刻都有三条腿处于支撑相，一条腿处于摆动相，每次都是一条腿抬起，然后按照左前，右后，右前，左后的次序轮换的向前摆动。定义每条腿(即所述四组运动腿)与地面接触的时间和一个完整步态周期时间的比值为占空比β，一个完整的步态周期为T，定义T

φ1＝0，φ2＝φ+0.5，φ3＝φ，φ4＝0.5；

其中，φ为基准相位，本实施例中取爬行步态的临界状态β＝0.75且φ＝0.25，任意时刻仅有三条腿作为支撑相，这样机器人本体行进的速度快，且不会出现停顿感。

小跑步态即对焦小跑，由于该步态调速范围大，运动稳定性高且具有较高的能量效率，使得小跑步态成为最常见的四足步态，其特点是两拍步态，任何时刻仅有对角的两条腿完成摆动和支撑运动。由于小跑步态也是规则步态，其各腿的相位差分别为：

φ1＝0，φ2＝0.5，φ3＝0，φ4＝0.5；

假设取β>0.5时会出现四足全部为支撑相的情况，此时可以对四足的平衡姿态进行调整，但是这样会使运动出现停顿，速度无法达到期望值，所以本实施例中选取占空比β＝0.5，这样机器人本体的对脚可以直接由摆动相转变为支撑相，依次交替摆动实现平衡和速度的最优化。

溜蹄步态的特点是相同侧的两条腿同时运动，左侧前后腿为摆动相的同时右侧腿为支撑相，这种步态常见于动物在安全的环境下放松的运动的场景中，该步态下的相位差为：

φ1＝0，φ2＝0，φ3＝0.5，φ4＝0.5；

本实施例中取β＝0.5，此时溜蹄步态不会出现四足全部触地和腾空的现象，任意时刻只有一侧为支撑相或摆动相，这种步态平衡性比较差速度也受到了限制，所以一般在慢速移动下采用。

然后，本实施例介绍如何确定足端运动模型及行进控制参数。

足端轨迹规划是四足腿部控制达到目标点的前提，根据目标的位置来确定足端轨迹的函数方程(即所述足端运动模型)中的变量，然后进一步通过方程求出足端坐标(即所述足端目标位置)，将得到的以时间为函数变化的坐标通过运动学的逆解得出四足关节转动所需要的角度(即所述关节旋转角度)，通过循环程序实现周期性的运动，从而精确地实现腿部的运动学控制。

为了实现理想的步态模型，足端轨迹规划必须满足行进时平稳，关节部位没有交大的冲击且摆动相抬腿和落地时实现零冲击且足端轨迹圆滑。

定义水平方向为X，竖直方向为Z，S为步频，H为离地高度，Tm为摆动相时间，T是步态完整时间(即所述步态周期)，然后定义方向速度约束条件：

在X方向和Z方向的方向速度约束条件为：

(1)水平X方向

位置约束：X(0)＝0，X(2T)＝S，X(T)＝0；

速度约束：

加速度约束：

(2)竖直Z方向

位置约束：Z(0)＝0，Z(4T)＝H，Z(t)＝0，2T≤t≤T；

速度约束：

加速度约束：

(3)在方向速度约束条件下的复合摆线摆动相轨迹函数(即一种所述足端运动模型)如下：

进一步的，由于该轨迹的方程在t＝0和t＝T

再对其求积分得到速度函数，根据速度的约束条件得到的方程再对速度函数积分得到位移函数，根据位移的约束条件将其用分段函数表达(即最终得到另一种优选的所述足端运动模型)：

上述λ为调整系数，其取值关系到Z轴方向上的速度变化，λ值越大速度变化就更频繁，可通过matlab仿真得出，取λ＝4时轨迹是最平滑的，此时机器人本体运动时受到的冲击力最小。

进一步的，在一个优选的实施例中，所述步骤S304、根据所述行进控制参数，向所述机器人本体发送信号以驱动所述机器人本体行走。即向前腿、中腿和后腿中的关节处的舵机发送关节旋转角度，即可完成机器人本体的行走，其具体过程为现有技术，本文中不做过多说明。

本发明提供一种双步态六足机器人及双步态六足机器人爬行方法，其中双步态六足机器人包括机器人本体和行进控制模块，所述机器人本体包括躯干、两个前腿、两个中腿、两个后腿和滑动部，两个所述前腿和两个所述后腿分别可活动地连接于所述躯干，两个中腿通过滑动部连接于躯干，并可以通过滑动部在前腿和后腿之间滑动，所述行进控制模块电连接所述机器人本体，所述行进控制模块包括步态分析模块、结构调整模块、参数计算模块和行进驱动模块，行进控制模块用于先获取行进路况信息，并根据所述行进路况信息，得到目标步态，所述目标步态包括定点转向步态、三角步态和多种四足步态，然后根据所述目标步态，向所述滑动部发送移动信号以调整所述中腿相对于所述躯干的位置，再根据所述行进路况信息、所述目标步态，得到行进控制参数，最后根据所述行进控制参数，向所述机器人本体发送信号以驱动所述机器人本体行走。相比于现有技术，本发明通过行进控制模块判定所需的步态，然后通过滑动部使得中腿能够改变位置，使中腿能够和前腿或后腿共同运动，实现六足机器人以四足步态的行走，使得本双步态六足机器人能够兼具三角步态和四足步态的优点，能够应付更加多样的环境。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。