專利名稱：提高仿生機械恐龍爬行穩(wěn)定性的步態(tài)規(guī)劃方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及四足機器人，具體涉及提高仿生機械恐龍爬行穩(wěn)定性的步態(tài)規(guī)劃方法。
背景技術(shù)：
機器人技術(shù)是近幾十年來迅速發(fā)展起來的一門高新技術(shù)，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(xué)科的最新研究成果，是機電一體化技術(shù)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(yīng)用，廣泛應(yīng)用于娛樂、影視等領(lǐng)域。
眾所周知，行走的穩(wěn)定性是四足步行機器人的關(guān)鍵技術(shù)，控制四足步行機器人行走穩(wěn)定性的基礎(chǔ)是步態(tài)規(guī)劃。為此，眾多的研究機構(gòu)都對四足步行機器人的步態(tài)規(guī)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(jìn)行步態(tài)規(guī)劃時，主要考慮的是腿部各關(guān)節(jié)變化對整體穩(wěn)定性的影響。因此，這些步態(tài)規(guī)劃應(yīng)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(zhì)量重，且質(zhì)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(zhì)量相對較大，而現(xiàn)有針對小型四足機器人的步態(tài)規(guī)劃中并沒有考慮首、尾質(zhì)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(jié)合其腿部和首尾的運動對重心的影響對爬行步態(tài)進(jìn)行重新規(guī)劃設(shè)計，以提高大型四足仿生機械恐龍的行走穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是解決如何提高大型四足仿生機械恐龍的行走穩(wěn)定性的問題。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是提供一種提高仿生機械恐龍爬行穩(wěn)定性的步態(tài)規(guī)劃方法，一個爬行周期的步態(tài)規(guī)劃如下(I)下蹲，四腿彎曲形成所述特定的腿部初始姿態(tài)；(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(gòu)成的三角形區(qū)域內(nèi)；(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(gòu)成的三角形區(qū)域內(nèi)；(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(gòu)成的四邊形區(qū)域內(nèi)；(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(gòu)成的三角形區(qū)域內(nèi)；(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(gòu)成的三角形區(qū)域內(nèi)；
(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(gòu)成的四邊形區(qū)域內(nèi)；(8)身體右傾，使整體重心恢復(fù)至左前腿、左后腿、右前腿、右后腿立足點所構(gòu)成的四邊形區(qū)域的幾何中心位置。在上述方法中，前進(jìn)爬行步態(tài)的腿部初始姿態(tài)為仿生機械恐龍的四條腿同時下蹲，膝關(guān)節(jié)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(jìn)爬行步態(tài)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(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)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(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)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(jìn)爬行步態(tài)周期內(nèi)髖關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)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(fā)明，充分考慮了大型四足仿生機械恐龍尺寸大、質(zhì)量重且分布較為離散，加之腿部和首、尾質(zhì)量相對較大的因素，選擇特定的腿部初始姿態(tài)，并在爬行的過程中通過側(cè)傾以及左右搖頭、左右擺尾調(diào)整整體重心，使整體重心的垂直投影落在由立足點所構(gòu)成的多邊形區(qū)域內(nèi)，為提高了大型四足仿生機械恐龍的行走穩(wěn)定性提供了基礎(chǔ)。


圖I為四足機器人的第一種典型初始姿態(tài)示意圖；圖2為四足機器人的第二種典型初始姿態(tài)示意圖；圖3 圖10為本發(fā)明中一個爬行周期的步態(tài)規(guī)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(xì)化示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明提供的提高仿生機械恐龍爬行穩(wěn)定性的步態(tài)規(guī)劃方法，充分考慮了大型四足仿生機械恐龍尺寸大、質(zhì)量重且分布較為離散，加之腿部和首、尾質(zhì)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(wěn)定性提供了基礎(chǔ)。下面結(jié)合附圖和一個具體實施例對本發(fā)明作出詳細(xì)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(guān)節(jié)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(jìn)爬行步態(tài)規(guī)劃如下( I)選擇特定的腿部初始姿態(tài)。為了實現(xiàn)行走功能，四足大型仿生機械恐龍的腿部初始姿態(tài)必須是彎曲狀，或是側(cè)斜狀態(tài)，如圖I、圖2所示的兩種典型初始姿態(tài)，這樣才能在不影響身體的俯仰和側(cè)向擺動的前提下，通過調(diào)整腿部關(guān)節(jié)角度，使足底由一個位置移動到另一位置，進(jìn)而完成行走功能。本發(fā)明中，鑒于四足大型仿生機械恐龍的尾部質(zhì)量較輕，至使總體重心偏向前部，因此，圖2所示的初始姿態(tài)必使重心進(jìn)一步前移，不利于其穩(wěn)定，從而選擇的初始步態(tài)如圖I所示，在圖I所示的這種特定初始姿態(tài)下，仿生機械恐龍四條腿首先下蹲，膝關(guān)節(jié)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(fā)明中，前進(jìn)步態(tài)規(guī)劃分為主動作規(guī)劃和輔助動作規(guī)劃兩個部分，主動作規(guī)劃的目的是實現(xiàn)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(jìn)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(guī)劃的目的是為了保證行走的穩(wěn)定性，在行走的過程中，通過側(cè)傾或搖頭、擺尾等輔助動作調(diào)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(gòu)成的多邊形區(qū)域內(nèi)。遵從上述原則，在邁左側(cè)的腿時，身體向右傾斜，同時尾部也向右側(cè)擺動；反之，邁右側(cè)的腿時，身體向左傾斜，尾部也向左側(cè)擺動。
因此，本發(fā)明提出的一個前進(jìn)爬行周期的步態(tài)規(guī)劃如下(I)下蹲，四腿彎曲形成初始姿態(tài)，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(gòu)成的三角形區(qū)域內(nèi)，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(gòu)成的三角形區(qū)域內(nèi)，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(gòu)成的四邊形區(qū)域內(nèi)，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(gòu)成的三角形區(qū)域內(nèi)，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(gòu)成的三角形區(qū)域內(nèi)，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(gòu)成的四邊形區(qū)域內(nèi)，如圖9所示；(8)身體右傾，重心恢復(fù)至左前腿、左后腿、右前腿、右后腿立足點所構(gòu)成的四邊形區(qū)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(chǎn)生干涉和碰撞，因此，需要合理地規(guī)劃足底的運行軌跡。較好的足端點軌跡應(yīng)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(shù)來描述機器人的末端軌跡，如一次函數(shù)、正弦函數(shù)等等。本發(fā)明則通過分時段控制不同運動速度及位移實現(xiàn)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(gòu)成，AB端為抬腿運動段。大腿關(guān)節(jié)和小腿關(guān)節(jié)同時運動，BC段為邁步階段，主要運動效果是產(chǎn)生前進(jìn)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(tài)周期內(nèi)水平方向位移；y :任意單腿足底端點在一個步態(tài)周期內(nèi)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?？紤]到四足大型仿生機械恐龍邁腿運作的協(xié)調(diào)性，本實施例中，設(shè)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(shù),貝丨J大腿關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)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(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)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(jù)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(jìn)爬行步態(tài)周期內(nèi)髖關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)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(fā)明不局限于上述最佳實施方式，任何人應(yīng)該得知在本發(fā)明的啟示下作出的結(jié)構(gòu)變化，凡是與本發(fā)明具有相同或相近的技術(shù)方案，均落入本發(fā)明的保護范 圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.提高仿生機械恐龍爬行穩(wěn)定性的步態(tài)規(guī)劃方法，其特征在于，一個前進(jìn)爬行步態(tài)周期的步態(tài)規(guī)劃如下 (1)下蹲，四腿彎曲形成所述特定的腿部初始姿態(tài)； (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(gòu)成的三角形區(qū)域內(nèi)； (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(gòu)成的三角形區(qū)域內(nèi)； (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(gòu)成的四邊形區(qū)域內(nèi)； (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(gòu)成的三角形區(qū)域內(nèi)； (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(gòu)成的三角形區(qū)域內(nèi)； (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(gòu)成的四邊形區(qū)域內(nèi)； (8)身體右傾，使整體重心恢復(fù)至左前腿、左后腿、右前腿、右后腿立足點所構(gòu)成的四邊形區(qū)域的幾何中心位置。
2.如權(quán)利要求I所述的提高仿生機械恐龍爬行穩(wěn)定性的步態(tài)規(guī)劃方法，其特征在于 前進(jìn)爬行步態(tài)的腿部初始姿態(tài)為仿生機械恐龍的四條腿同時下蹲，膝關(guān)節(jié)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(quán)利要求I所述的提高仿生機械恐龍爬行穩(wěn)定性的步態(tài)規(guī)劃方法，其特征在于在前進(jìn)爬行步態(tài)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(quán)利要求I所述的提高仿生機械恐龍爬行穩(wěn)定性的步態(tài)規(guī)劃方法，其特征在于，任一條腿的邁腿過程中， 大腿關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)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(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)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(quán)利要求I所述的提高仿生機械恐龍爬行穩(wěn)定性的步態(tài)規(guī)劃方法，其特征在于， 在一個前進(jìn)爬行步態(tài)周期內(nèi)髖關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)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(fā)明公開了一種提高仿生機械恐龍爬行穩(wěn)定性的步態(tài)規(guī)劃方法，一個前進(jìn)爬行步態(tài)周期的步態(tài)規(guī)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(yīng)的立足點所構(gòu)成的四邊形區(qū)域內(nèi)。本發(fā)明，充分考慮了大型四足仿生機械恐龍尺寸大、質(zhì)量重且分布較為離散，加之腿部和首、尾質(zhì)量相對較大的因素，重新規(guī)劃了爬行步態(tài)，為提高了大型四足仿生機械恐龍的行走穩(wěn)定性提供了基礎(chǔ)。
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(yōu)先權(quán)日2012年8月22日
發(fā)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