專利名稱：提高仿生機械恐龍爬行穩定性的步態規劃方法
技術領域：
本發明涉及四足機器人，具體涉及提高仿生機械恐龍爬行穩定性的步態規劃方法。
背景技術：
機器人技術是近幾十年來迅速發展起來的一門高新技術，它綜合了機械、微電子與計算機、自動控制、傳感器與信息處理以及人工智能等多學科的最新研究成果，是機電一體化技術的典型載體。大型四足仿生機械恐龍是四足步行機器人的一種重要應用，廣泛應用于娛樂、影視等領域。
眾所周知，行走的穩定性是四足步行機器人的關鍵技術，控制四足步行機器人行走穩定性的基礎是步態規劃。為此，眾多的研究機構都對四足步行機器人的步態規劃展開了研究，然而，這些研究課題的研究對象都是小型四足步行機器人，在進行步態規劃時，主要考慮的是腿部各關節變化對整體穩定性的影響。因此，這些步態規劃應用到大型四足仿生機械恐龍時具有一定的局限性。主要原因在于(I)大型四足仿生機械恐龍尺寸大、質量重，且質量分布較為離散；(2)大型四足仿生機械恐龍的腿部和首、尾質量相對較大，而現有針對小型四足機器人的步態規劃中并沒有考慮首、尾質量的影響。有鑒于此，對于大型四足仿生機械恐龍而言，必須結合其腿部和首尾的運動對重心的影響對爬行步態進行重新規劃設計，以提高大型四足仿生機械恐龍的行走穩定性。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是解決如何提高大型四足仿生機械恐龍的行走穩定性的問題。為了解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案是提供一種提高仿生機械恐龍爬行穩定性的步態規劃方法，一個爬行周期的步態規劃如下(I)下蹲，四腿彎曲形成所述特定的腿部初始姿態；(2)身體右傾，并向右擺尾，使整體重心右移至左后腿、右前腿、右后腿立足點所構成的三角形區域內；(3)邁左前腿，使整體重心前移并維持在左前腿、右前腿、右后腿立足點所構成的三角形區域內；(4)邁左后腿，使整體重心前移至左前腿、左后腿、右前腿、右后腿立足點所構成的四邊形區域內；(5)身體左傾，并向左擺尾，使整體重心左移至左前腿、左后腿、右前腿立足點所構成的三角形區域內；(6)邁右后腿，使整體重心前移至左前腿、左后腿、右后腿立足點所構成的三角形區域內；
(7)邁右前腿，使整體重心前移至左前腿、左后腿、右前腿、右后腿立足點所構成的四邊形區域內；(8)身體右傾，使整體重心恢復至左前腿、左后腿、右前腿、右后腿立足點所構成的四邊形區域的幾何中心位置。在上述方法中，前進爬行步態的腿部初始姿態為仿生機械恐龍的四條腿同時下蹲，膝關節均前屈相同的角度，且θτ = -38°，0S = 55° ;θ τ :大腿與豎直方向的夾角；Θ s :小腿與大腿延長線之間的夾角。在上述方法中，在前進爬行步態中，任一條腿的足底運動軌跡滿足以下條件
X = -LTsin ( Θ T)-Lssin( θ τ+ Θ s)；y = -LtCos ( Θ t) _Lscos ( θ t+ Θ s)；式中Lt :大腿長度；Ls :小腿長度；θ τ :大腿與豎直方向的夾角；Θ s :小腿與大腿延長線之間的夾角。在上述方法中，任一條腿的邁腿過程中，大腿關節的轉動角度θ τ滿足以下條件t=0. 00 O. 15 秒時，Θ T = -I. 39t2-0.17 ；t=0. 15 I. 17 秒時，θ τ = -O. 42t_0. 14 ；t=l. 17 I. 32 秒時，θ τ = I. 39t2_3. 67t+l. 75 ；t=l. 32 I. 47 秒時，θ τ = —O. 66 ；t=l. 47 I. 98 秒時，θ τ = -O. 66 ;t=l. 98 2. 13 秒時，Θ T = I. 39t2_5. 53t+4. 83 ；t=2. 13 3· 15 秒時，θ τ = O. 42t_l. 52 ；t=3. 15 3. 30 秒時，θ τ = -I. 39t2+9. 21t_15. 37 ；小腿關節的轉動角度Θ s滿足以下條件t=0. 00 O. 15 秒時，Θ s = I. 74t2 ；t=0. 15 I. 17 秒時，Θ s = O. 52t + O. 31 ；t=l. 17 I. 32 秒時，Θ s = — I. 74t2 + 4. 59t — 2. 06 ;t=l. 32 I. 47 秒時，Θ s = — I. 74t2 + 4. 59t — 2. 06 ;t=l. 47 I. 98 秒時，Θ s = 0. 52t + I. 69 ；t=l. 98 2· 13 秒時，Θ s = O. 52t + I. 69 ；t=2. 13 3. 15 秒時，Θ s = 0. 52t + I. 69 ；t=3. 15 3· 30 秒時，Θ s = I. 74t2 — 11. 51t + 18. 99 ；θ τ、Θ s的單位為弧度。在上述方法中，在一個前進爬行步態周期內髖關節的轉動角度ΘΗ滿足以下條件t=0. 97 I. 67 秒時，θ H = — O. 17t2 + O. 34t — O. 16 ;
t=l. 67 2· 38 秒時，θ Η = O. 17t2 — O. 83t + O. 81 ；t=8. 98 9· 98 秒時，θ Η = O. 17t2 — 3. 13t + 13. 89 ；t=9. 98 10. 98 秒時，θ H = — O. 17t2 + 3. 93t — 20. 86 ；t=17. 58 18. 58 秒時，θ H = — 0. 52t + I. 69 ;t=18. 58 19. 58 秒時，θ H = -0. 52t + I. 69 ；θ η的單位為弧度。本發明，充分考慮了大型四足仿生機械恐龍尺寸大、質量重且分布較為離散，加之腿部和首、尾質量相對較大的因素，選擇特定的腿部初始姿態，并在爬行的過程中通過側傾以及左右搖頭、左右擺尾調整整體重心，使整體重心的垂直投影落在由立足點所構成的多邊形區域內，為提高了大型四足仿生機械恐龍的行走穩定性提供了基礎。
圖I為四足機器人的第一種典型初始姿態示意圖；圖2為四足機器人的第二種典型初始姿態示意圖；圖3 圖10為本發明中一個爬行周期的步態規劃示意圖(圖中同時示出了整體重心的變化過程);圖11為邁步動作的時序圖；圖12為腿部足底運動分析示意圖；圖13為足底跡細化示意圖。
具體實施例方式本發明提供的提高仿生機械恐龍爬行穩定性的步態規劃方法，充分考慮了大型四足仿生機械恐龍尺寸大、質量重且分布較為離散，加之腿部和首、尾質量相對較大的因素，為提高了大型四足仿生機械恐龍的行走穩定性提供了基礎。下面結合附圖和一個具體實施例對本發明作出詳細的說明。所述的具體實施例中，大型四足仿生機械恐龍的長度為3. 5米左右、高度為2米左右、寬度為I. 5米左右，總重量約為400kg，具有17個關節的自由度，分別是頭部嘴巴M、水平頸部BZ、垂直頸部BS、左前大腿QZD、左前小腿QZX、左前髖部QZK、左后大腿HZD、左后小腿HZX、左后髖部HZK、右前大腿QYD、右前小腿QYX、右前髖部QYK、右后大腿HYD、右后小腿HYX、右后髖部HYK、水平尾部WZ和垂直尾部WS。對于仿生機械恐龍的前進爬行步態規劃如下( I)選擇特定的腿部初始姿態。為了實現行走功能，四足大型仿生機械恐龍的腿部初始姿態必須是彎曲狀，或是側斜狀態，如圖I、圖2所示的兩種典型初始姿態，這樣才能在不影響身體的俯仰和側向擺動的前提下，通過調整腿部關節角度，使足底由一個位置移動到另一位置，進而完成行走功能。本發明中，鑒于四足大型仿生機械恐龍的尾部質量較輕，至使總體重心偏向前部，因此，圖2所示的初始姿態必使重心進一步前移，不利于其穩定，從而選擇的初始步態如圖I所示，在圖I所示的這種特定初始姿態下，仿生機械恐龍四條腿首先下蹲，膝關節均前屈相同的角度，θτ = _38°，0S = 55°，θτ為大腿與豎直方向夾角，03為小腿與大腿延長線之間的夾角。本發明中，前進步態規劃分為主動作規劃和輔助動作規劃兩個部分，主動作規劃的目的是實現向前行走，4條腿按照一定的順序抬起和落下，例如從左到右分別是邁左前腿(LFLeg)—邁左后腿(LRLeg)—邁右后腿(RRLeg)—邁右前腿(RFLeg)，形成一個爬行周期。在爬行過程中，身體相對地面始終作向前的運動，重心始終朝著前進的方向移動，4條腿輪流抬跨，相對身體也作向前運動，不斷改變腿部落地的位置。輔助動作規劃的目的是為了保證行走的穩定性，在行走的過程中，通過側傾或搖頭、擺尾等輔助動作調整四足大型仿生機械恐龍的重心，使其垂直投影落在由立足點所構成的多邊形區域內。遵從上述原則，在邁左側的腿時，身體向右傾斜，同時尾部也向右側擺動；反之，邁右側的腿時，身體向左傾斜，尾部也向左側擺動。
因此，本發明提出的一個前進爬行周期的步態規劃如下(I)下蹲，四腿彎曲形成初始姿態，如圖3所示；(2)身體右傾，并向右擺尾，重心右移至左后腿、右前腿、右后腿立足點所構成的三角形區域內，如圖4所示；(3)邁左前腿，重心前移并維持在左前腿、右前腿、右后腿立足點所構成的三角形區域內，如圖5所示；(4)邁左后腿，重心前移至左前腿、左后腿、右前腿、右后腿立足點所構成的四邊形區域內，如圖6所示；(5)身體左傾，并向左擺尾，重心左移至左前腿、左后腿、右前腿、立足點所構成的三角形區域內，如圖7所示；(6)邁右后腿，重心前移至左前腿、左后腿、右后腿立足點所構成的三角形區域內，如圖8所示；(7)邁右前腿，重心前移至左前腿、左后腿、右前腿、右后腿立足點所構成的四邊形區域內，如圖9所示；(8)身體右傾，重心恢復至左前腿、左后腿、右前腿、右后腿立足點所構成的四邊形區域的幾何中心位置，如圖10所示。圖3-10中同時示出了重心的變化過程，圖11示出了邁步動作的時序圖。另外，四足大型仿生機械恐龍行走的過程中，如果抬腿過高，會消耗過多的能量，太低又會與地面凸凹處產生干涉和碰撞，因此，需要合理地規劃足底的運行軌跡。較好的足端點軌跡應具有良好的起落特性、速度和加速度特性。人們多采用初等函數來描述機器人的末端軌跡，如一次函數、正弦函數等等。本發明則通過分時段控制不同運動速度及位移實現跨步運作。如圖12所示，邁腿前后足底的運動軌跡由AB、BC和⑶三段曲線構成，AB端為抬腿運動段。大腿關節和小腿關節同時運動，BC段為邁步階段，主要運動效果是產生前進方向上的位移，⑶段為落腿階段，使腿部回落到地面。為防止足底與地面的干涉，足底端點運動方程須滿足以下條件X =-LTsin ( Θ T)-LSsin ( θ τ+Θ s)；公式(I)y = -LTcos ( Θ T)-LsCos ( θ τ+Θ s)。公式(2)
式中X :任意單腿足底端點在一個步態周期內水平方向位移；y :任意單腿足底端點在一個步態周期內豎直方向位移；
Lt :大腿長度；Ls :小腿長度；θ τ :大腿與豎直方向夾角；Θ s :小腿與大腿延長線之間的夾角。考慮到四足大型仿生機械恐龍邁腿運作的協調性，本實施例中，設置邁步高度為IOcm,即y=10cm,公式(I)和(2)中選擇θ τ = -38° ; Θ s = 55°作為抬腿運動參數,貝丨J大腿關節的轉動角度θ τ滿足以下條件t=0. 00 O. 15 秒時，Θ T = -I. 39t2-0.17 ；t=0. 15 I. 17 秒時，θ τ = -O. 42t_0. 14 ；t=l. 17 I. 32 秒時，θ τ = I. 39t2_3. 67t+l. 75 ；t=l. 32 I. 47 秒時，θ τ = —O. 66 ；t=l. 47 I. 98 秒時，θ τ = -O. 66 ;t=l. 98 2. 13 秒時，Θ T = I. 39t2_5. 53t+4. 83 ；t=2. 13 3· 15 秒時，θ τ = O. 42t_l. 52 ；t=3. 15 3· 30 秒時，θ τ = -I. 39t2+9. 21t_15. 37 ；小腿關節的轉動角度Θ s滿足以下條件t=0. 00 O. 15 秒時，Θ s = I. 74t2 ；t=0. 15 I. 17 秒時，Θ s = O. 52t + O. 31 ；t=l. 17 I. 32 秒時，Θ s = — I. 74t2 + 4. 59t — 2. 06 ;t=l. 32 I. 47 秒時，Θ s = — I. 74t2 + 4. 59t - 2. 06 ；t=l. 47 I. 98 秒時，Θ s = 0. 52t + I. 69 ；t=l. 98 2· 13 秒時，Θ s = O. 52t + I. 69 ；t=2. 13 3. 15 秒時，Θ s = 0. 52t + I. 69 ；t=3. 15 3· 30 秒時，Θ s = I. 74t2 — 11. 51t + 18. 99 ；9卩03的單位為弧度。根據以上條件，可得到精確的足底軌跡運動曲線，如圖13所示足底的運動曲線由C1、C2、…C8共8段組成。另外，在一個前進爬行步態周期內髖關節的轉動角度ΘΗ滿足以下條件t=0. 97 I. 67 秒時，θ H = -O. 17t2 + O. 34t_0. 16 ；t=l. 67 2. 38 秒時，θ H = O. 17t2 — 0. 83t + 0. 81 ；t=8. 98 9. 98 秒時，θ H = 0. 17t2 — 3. 13t + 13. 89 ；t=9. 98 10. 98 秒時，θ H = — 0. 17t2 + 3. 93t — 20. 86 ；t=17. 58 18. 58 秒時，θ H = — 0. 52t + I. 69 ;t=18. 58 19. 58 秒時，θ H = — 0. 52t + I. 69 ;θ η的單位為弧度。本發明不局限于上述最佳實施方式，任何人應該得知在本發明的啟示下作出的結構變化，凡是與本發明具有相同或相近的技術方案，均落入本發明的保護范 圍之內。
權利要求
1.提高仿生機械恐龍爬行穩定性的步態規劃方法，其特征在于，一個前進爬行步態周期的步態規劃如下 (1)下蹲，四腿彎曲形成所述特定的腿部初始姿態； (2)身體右傾，并向右擺尾，使整體重心右移至左后腿、右前腿、右后腿立足點所構成的三角形區域內； (3)邁左前腿，使整體重心前移并維持在左前腿、右前腿、右后腿立足點所構成的三角形區域內； (4)邁左后腿，使整體重心前移至左前腿、左后腿、右前腿、右后腿立足點所構成的四邊形區域內； (5 )身體左傾，并向左擺尾，使整體重心左移至左前腿、左后腿、右前腿立足點所構成的三角形區域內； (6)邁右后腿，使整體重心前移至左前腿、左后腿、右后腿立足點所構成的三角形區域內； (7)邁右前腿，使整體重心前移至左前腿、左后腿、右后腿、右前腿立足點所構成的四邊形區域內； (8)身體右傾，使整體重心恢復至左前腿、左后腿、右前腿、右后腿立足點所構成的四邊形區域的幾何中心位置。
2.如權利要求I所述的提高仿生機械恐龍爬行穩定性的步態規劃方法，其特征在于 前進爬行步態的腿部初始姿態為仿生機械恐龍的四條腿同時下蹲，膝關節均前屈相問的角度，且θτ = -38 , Θ s = 55 ；θ τ :大腿與豎直方向的夾角； Θ s :小腿與大腿延長線之間的夾角。
3.如權利要求I所述的提高仿生機械恐龍爬行穩定性的步態規劃方法，其特征在于在前進爬行步態中，任一條腿的足底運動軌跡滿足以下條件 X = -LTsin ( Θ T) -Lssin ( θ τ+ Θ s)； y = —LtCOS ( θ t) —LsCOS ( Θ t+ Θ s)； 式中 Lt :大腿長度； Ls :小腿長度； θ τ :大腿與豎直方向的夾角； Θ S :小腿與大腿延長線之間的夾角。
4.如權利要求I所述的提高仿生機械恐龍爬行穩定性的步態規劃方法，其特征在于，任一條腿的邁腿過程中， 大腿關節的轉動角度θτ滿足以下條件 t=0. 00 O. 15 秒時，Θ T = -I. 39t2-0·17 ； t=0. 15 I. 17 秒時，θ τ = -O. 42t-0. 14 ； t=l. 17 I. 32 秒時，θ τ = I. 39t2-3. 67t+l. 75 ； t=l. 32 I. 47 秒時，θ τ = —O. 66 ； t=l. 47 I. 98 秒時，θ τ = -O. 66 ;t=l. 98 2· 13 秒時，θ τ = I. 39t2-5. 53t+4. 83 ；t=2. 13 3. 15 秒時，θ τ = O. 42t-l. 52 ；t=3. 15 3. 30 秒時，θ τ = -I. 39t2+9. 21t_15. 37 ； 小腿關節的轉動角度9S滿足以下條件 t=0. 00 O. 15 秒時，Θ s = I. 74t2 ； t=0. 15 I. 17 秒時，Θ s = O. 52t + O. 31 ； t=l. 17 I. 32 秒時，Θ s = — I. 74t2 + 4. 59t - 2. 06 ； t=l. 32 I. 47 秒時，Θ s = — I. 74t2 + 4. 59t - 2. 06 ； t=l. 47 I. 98 秒時，Θ s = 0. 52t + I. 69 ； t=l. 98 2· 13 秒時，Θ s = O. 52t + I. 69 ； t=2. 13 3. 15 秒時，Θ s = 0. 52t + I. 69 ； t=3. 15 3· 30 秒時，Θ s = I. 74t2 — 11. 51t + 18. 99 ； θχ> 9S的單位為弧度。
5.如權利要求I所述的提高仿生機械恐龍爬行穩定性的步態規劃方法，其特征在于， 在一個前進爬行步態周期內髖關節的轉動角度θ H滿足以下條件 t=0. 97 I. 67 秒時，θ H = — O. 17t2 + O. 34t - O. 16 ； t=l. 67 2· 38 秒時，θ Η = O. 17t2 — 0. 83t + 0. 81 ； t=8. 98 9. 98 秒時，θ H = 0. 17t2 — 3. 13t + 13. 89 ； t=9. 98 10. 98 秒時，θ η = — 0. 17t2 + 3. 93t — 20. 86 ； t=17. 58 18. 58 秒時，θ H = — O. 52t + I. 69 ; t=18. 58 19. 58 秒時，θ H = — 0. 52t + I. 69 ; ΘΗ的單位為弧度。
全文摘要
本發明公開了一種提高仿生機械恐龍爬行穩定性的步態規劃方法，一個前進爬行步態周期的步態規劃如下下蹲；身體右傾并向右擺尾；邁左前腿；邁左后腿；身體左傾并向左擺尾；邁右后腿；邁右前腿；身體右傾；其中，整體重心位于相應的立足點所構成的四邊形區域內。本發明，充分考慮了大型四足仿生機械恐龍尺寸大、質量重且分布較為離散，加之腿部和首、尾質量相對較大的因素，重新規劃了爬行步態，為提高了大型四足仿生機械恐龍的行走穩定性提供了基礎。
文檔編號G05D3/12GK102830717SQ201210301779
公開日2012年12月19日 申請日期2012年8月22日 優先權日2012年8月22日
發明者韓曉建, 周春, 孫宇, 方書明 申請人:中科宇博(北京)文化有限公司