本發(fā)明涉及四足機(jī)器人路徑規(guī)劃領(lǐng)域，尤其涉及一種基于視覺(jué)與路徑規(guī)劃的四足機(jī)器人擺動(dòng)腿避障方法。

背景技術(shù)：

1、機(jī)器人路徑規(guī)劃是機(jī)器人研究領(lǐng)域的一個(gè)重要的基本問(wèn)題，機(jī)器人路徑規(guī)劃旨在為機(jī)器人找到一條從起點(diǎn)到終點(diǎn)的路徑，并能夠安全避開(kāi)運(yùn)動(dòng)空間中的所有障礙物。根據(jù)機(jī)器人對(duì)其工作環(huán)境內(nèi)信息的理解程度，機(jī)器人路徑規(guī)劃大致分兩種類(lèi)型，即基于局部環(huán)境信息理解的路徑規(guī)劃(又稱(chēng)局部路徑規(guī)劃)和基于全局環(huán)境信息理解的路徑規(guī)劃(又稱(chēng)全局路徑規(guī)劃)，前者是機(jī)器人通過(guò)實(shí)時(shí)融合自身各種傳感器獲取的信息，提取理解的有效局部環(huán)境特征，在線(xiàn)實(shí)時(shí)規(guī)劃局部路徑，具有很高的靈活性和實(shí)時(shí)性，其缺點(diǎn)是依靠局部環(huán)境特征規(guī)劃的路徑可能是局部最優(yōu)，甚至是目標(biāo)不可達(dá)路徑；而后者需要移動(dòng)機(jī)器人根據(jù)理解所在環(huán)境的全局信息特征，建立所在環(huán)境映像的抽象的全局地圖模型，在構(gòu)建的全局地圖模型上使用搜索尋優(yōu)算法獲取全局最優(yōu)路徑或較優(yōu)路徑，并能引導(dǎo)機(jī)器人在實(shí)際環(huán)境向目標(biāo)安全移動(dòng)，其主要涉及兩部分內(nèi)容：環(huán)境地圖理解及構(gòu)建和路徑搜索引導(dǎo)策略。當(dāng)預(yù)先具備完整精確的環(huán)境信息時(shí)，全局規(guī)劃算法可以一次性規(guī)劃出一條自起點(diǎn)到終點(diǎn)的完整的路徑規(guī)劃，但是若在機(jī)器人行徑過(guò)程中遇到突發(fā)的威脅，全局路徑規(guī)劃算法的路徑就無(wú)法滿(mǎn)足避開(kāi)威脅的要求，必須結(jié)合局部路徑規(guī)劃算法生成實(shí)時(shí)規(guī)避路徑。

2、目前主流的移動(dòng)機(jī)器人可以分為輪式、履帶式與足式三種。其中，足式機(jī)器人在復(fù)雜崎嶇的地形上通過(guò)性能是最好的，遠(yuǎn)強(qiáng)于輪式與履帶式機(jī)器人。在足式機(jī)器人中，從能效值(cot，cost?of?transport)來(lái)看，四足機(jī)器人的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他多足機(jī)器人，因此，四足機(jī)器人具有極高的研究?jī)r(jià)值和商業(yè)價(jià)值。近些年來(lái)，由于機(jī)器視覺(jué)以及相機(jī)硬件技術(shù)的發(fā)展，搭載了rgb-d相機(jī)的四足機(jī)器人可以獲得精度較高的高度圖信息，但是目前大部分的四足機(jī)器人產(chǎn)品僅將這些視覺(jué)信息用來(lái)規(guī)劃落腳點(diǎn)的高度和位置，而對(duì)于擺動(dòng)腿軌跡依舊使用的是固定軌跡或者簡(jiǎn)單的樣條插值。

3、由于足式機(jī)器人的控制需要較高的控制頻率(大于500hz)，為了盡量縮短控制周期而使用固定軌跡。當(dāng)四足機(jī)器人擺動(dòng)腿軌跡采用固定軌跡，如貝塞爾曲線(xiàn)，或者簡(jiǎn)單的使用固定的路徑點(diǎn)進(jìn)行三次樣條插值時(shí)，當(dāng)機(jī)器人通過(guò)相機(jī)發(fā)現(xiàn)擺動(dòng)腿前出現(xiàn)障礙物時(shí)，只能通過(guò)抬高擺動(dòng)腿的高度或者改變落腳點(diǎn)的方式進(jìn)行避障。但是，經(jīng)常通過(guò)抬高擺動(dòng)腿的高度避障，將會(huì)造成很多不必要的能量消耗，通過(guò)改變落腳點(diǎn)的方式避障，將可能會(huì)使支撐腳構(gòu)成的支撐平面的面積減小，降低整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時(shí)，使用固定擺腿軌跡無(wú)法做到擺動(dòng)腿的動(dòng)態(tài)避障。在大多數(shù)情況下，足式機(jī)器人通過(guò)全局路徑規(guī)劃以及局部路徑規(guī)劃進(jìn)行整體避障，而目前這些足式機(jī)器人忽略了擺動(dòng)腿軌跡規(guī)劃。

4、因此，亟需一種四足機(jī)器人擺動(dòng)腿避障方法，其能有效地避障時(shí)的能耗，提高機(jī)器人避障時(shí)的穩(wěn)定性，且能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)避障。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種基于視覺(jué)與路徑規(guī)劃的四足機(jī)器人擺動(dòng)腿避障方法，其特征在于，包含以下步驟：(1)通過(guò)rgb-d相機(jī)實(shí)時(shí)獲取地面高度地圖，并記錄其中出現(xiàn)的障礙物信息；(2)擺動(dòng)相開(kāi)始，根據(jù)獲取的地面高度地圖，進(jìn)行全局路徑規(guī)劃，獲得擺動(dòng)腿的全局路徑軌跡；(3)判斷是否進(jìn)入預(yù)測(cè)周期，若進(jìn)入預(yù)測(cè)周期，則執(zhí)行步驟(4)；若沒(méi)有進(jìn)入預(yù)測(cè)周期，則執(zhí)行步驟(5)；(4)預(yù)測(cè)是否發(fā)生碰撞，若預(yù)測(cè)發(fā)生碰撞，則執(zhí)行步驟(6)；若預(yù)測(cè)不發(fā)生碰撞，則執(zhí)行步驟(5)；(5)獲取全局路徑規(guī)劃的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，沿全局路徑軌跡運(yùn)動(dòng)，并執(zhí)行步驟(7)；(6)采用人工勢(shì)場(chǎng)法避障，獲取采用人工勢(shì)場(chǎng)法計(jì)算的運(yùn)動(dòng)路徑軌跡及運(yùn)動(dòng)參數(shù)，沿此路徑運(yùn)動(dòng)，并執(zhí)行步驟(8)；(7)判斷擺動(dòng)相是否結(jié)束，若擺動(dòng)相尚未結(jié)束，返回步驟(3)；若擺動(dòng)相結(jié)束，執(zhí)行步驟(9)；(8)判斷擺動(dòng)相是否結(jié)束或者到達(dá)落腳點(diǎn)，若擺動(dòng)相尚未結(jié)束且尚未達(dá)到落腳點(diǎn)，則返回步驟(6)；若擺動(dòng)相已經(jīng)結(jié)束或者到達(dá)落腳點(diǎn)，則執(zhí)行步驟(9)；(9)擺動(dòng)相結(jié)束。

2、采用本發(fā)明中提供的基于視覺(jué)與路徑規(guī)劃的四足機(jī)器人擺動(dòng)腿避障方法，具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)本發(fā)明基于rgb-d相機(jī)的視覺(jué)信息，使用全局路徑規(guī)劃軌跡生成方法并結(jié)合動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃的方法，提供一種能在四足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，動(dòng)態(tài)調(diào)整擺動(dòng)腿軌跡的方法，大大增強(qiáng)了四足機(jī)器人在復(fù)雜地形下的通行能力；(2)在本發(fā)明中提供的四足機(jī)器人擺動(dòng)腿避障方法，是對(duì)擺動(dòng)腿進(jìn)行路徑規(guī)劃。在擺動(dòng)相每次抬腳前，都會(huì)進(jìn)行一次路徑規(guī)劃，避免某一擺動(dòng)腿被障礙物卡住的情況；(3)在本發(fā)明提供的四足機(jī)器人擺動(dòng)腿避障方法，能躲避在空間內(nèi)突然出現(xiàn)的移動(dòng)障礙物，本發(fā)明中，在擺動(dòng)相的預(yù)測(cè)周期內(nèi)，會(huì)結(jié)合最新獲取的地面高度地圖，檢測(cè)是否有動(dòng)態(tài)移動(dòng)障礙物出現(xiàn)，預(yù)測(cè)擺動(dòng)腿是否會(huì)與障礙物發(fā)生碰撞，并且如果預(yù)測(cè)會(huì)發(fā)生碰撞時(shí)，使用人工勢(shì)場(chǎng)法躲避動(dòng)態(tài)障礙物。

3、優(yōu)選地，在步驟(2)中進(jìn)行全局路徑規(guī)劃時(shí)，以當(dāng)前擺動(dòng)腿的位置為起點(diǎn)，通過(guò)啟發(fā)式算法得到的啟發(fā)式落腳點(diǎn)為終點(diǎn)，獲得擺動(dòng)腿的全局路徑軌跡。

4、優(yōu)選地，在進(jìn)行全局路徑規(guī)劃時(shí)，根據(jù)獲得的全局路徑路徑點(diǎn)和預(yù)設(shè)的抬腳高度，進(jìn)行樣條插值，獲得擺動(dòng)腿的全局路徑軌跡。

5、優(yōu)選地，在步驟(2)中進(jìn)行全局路徑規(guī)劃時(shí)，采用以下方法其中之一：拓?fù)浞?、可視圖法、柵格法、a*算法和rrt路徑規(guī)劃算法。

6、優(yōu)選地，在對(duì)預(yù)測(cè)周期進(jìn)行選取時(shí)，根據(jù)地面高度地圖的更新頻率和控制算法的控制周期進(jìn)行選取。

7、優(yōu)選地，在步驟(4)中預(yù)測(cè)是否發(fā)生碰撞時(shí)，通過(guò)擺動(dòng)腿的足端位置反求擺動(dòng)腿的關(guān)節(jié)值并檢查擺動(dòng)腿的每一條腿關(guān)節(jié)是否會(huì)與障礙物發(fā)生碰撞。

8、優(yōu)選地，所述全局路徑規(guī)劃的運(yùn)動(dòng)參數(shù)包括位置、速度和加速度。

9、優(yōu)選地，所述采用人工勢(shì)場(chǎng)法計(jì)算的運(yùn)動(dòng)參數(shù)包括位置、速度和加速度。

技術(shù)特征：

1.一種基于視覺(jué)與路徑規(guī)劃的四足機(jī)器人擺動(dòng)腿避障方法，其特征在于，包含以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的四足機(jī)器人擺動(dòng)腿避障方法，其特征在于，所述采用人工勢(shì)場(chǎng)法計(jì)算的運(yùn)動(dòng)參數(shù)包括位置、速度和加速度。

3.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的四足機(jī)器人擺動(dòng)腿避障方法，其特征在于，所述方法還包括：

4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的四足機(jī)器人擺動(dòng)腿避障方法，其特征在于，所述人工勢(shì)場(chǎng)法的總勢(shì)場(chǎng)由引力場(chǎng)與斥力場(chǎng)組成：

5.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的四足機(jī)器人擺動(dòng)腿避障方法，其特征在于，在進(jìn)行全局路徑規(guī)劃時(shí)，以當(dāng)前擺動(dòng)腿的位置為起點(diǎn)，通過(guò)啟發(fā)式算法得到的啟發(fā)式落腳點(diǎn)為終點(diǎn)，獲得擺動(dòng)腿的全局路徑軌跡。

6.根據(jù)權(quán)利要求5中所述的四足機(jī)器人擺動(dòng)腿避障方法，其特征在于，在進(jìn)行全局路徑規(guī)劃時(shí)，根據(jù)獲得的全局路徑路徑點(diǎn)和預(yù)設(shè)的抬腳高度，進(jìn)行樣條插值，獲得擺動(dòng)腿的全局路徑軌跡。

7.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的四足機(jī)器人擺動(dòng)腿避障方法，其特征在于，所述方法還包括：

8.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的四足機(jī)器人擺動(dòng)腿避障方法，其特征在于，所述方法還包括：

9.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的四足機(jī)器人擺動(dòng)腿避障方法，其特征在于，在進(jìn)行全局路徑規(guī)劃時(shí)，采用以下方法其中之一：拓?fù)浞?、可視圖法、柵格法、a*算法和rrt路徑規(guī)劃算法。

10.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的四足機(jī)器人擺動(dòng)腿避障方法，其特征在于，在預(yù)測(cè)是否發(fā)生碰撞時(shí)，通過(guò)擺動(dòng)腿的足端位置反求擺動(dòng)腿的關(guān)節(jié)值并檢查擺動(dòng)腿的每一條腿關(guān)節(jié)是否會(huì)與障礙物發(fā)生碰撞。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供一種基于視覺(jué)與路徑規(guī)劃的四足機(jī)器人擺動(dòng)腿避障方法，其基于視覺(jué)信息對(duì)擺動(dòng)腿進(jìn)行路徑規(guī)劃，并且在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，設(shè)置預(yù)測(cè)周期實(shí)時(shí)對(duì)擺動(dòng)腿進(jìn)行預(yù)測(cè)，避免碰上障礙物。本發(fā)明提供的四足機(jī)器人擺動(dòng)腿避障方法，提供中能在四足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，動(dòng)態(tài)調(diào)整擺動(dòng)腿軌跡的方法，大大增強(qiáng)了四足機(jī)器人在復(fù)雜地形下的通行能力；且該避障方法，是對(duì)擺動(dòng)腿進(jìn)行路徑規(guī)劃，在擺動(dòng)相每次抬腳前，都會(huì)進(jìn)行一次路徑規(guī)劃，避免某一擺動(dòng)腿被障礙物卡住的情況；除此之外，該避障方法能躲避在空間內(nèi)突然出現(xiàn)的移動(dòng)障礙物。

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技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/21