本發(fā)明涉及機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃，尤其涉及一種用于階梯地形的雙足機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃方法及裝置。
背景技術(shù)：
1、由于雙足機(jī)器人自由度多，在移動(dòng)過(guò)程中與物理環(huán)境之間存在頻繁的力學(xué)交互，導(dǎo)致其步行過(guò)程中的數(shù)學(xué)模型具有高度的非線性和強(qiáng)耦合性，控制困難。借鑒人體步行的特征，將雙足機(jī)器人抽象為簡(jiǎn)化的物理模型，對(duì)雙足機(jī)器人的步行模式進(jìn)行數(shù)學(xué)化的描述，可有效簡(jiǎn)化雙足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型，便于運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，降低控制難度。
2、線性倒立擺模型（linear?inverted?pendulum?model,?lipm）將雙足機(jī)器人全身質(zhì)量匯集到一個(gè)質(zhì)心點(diǎn)，質(zhì)心通過(guò)可主動(dòng)伸縮的無(wú)質(zhì)量擺桿與地面交互。其特點(diǎn)是質(zhì)心高度保持不變，因此步態(tài)過(guò)程中質(zhì)心動(dòng)力學(xué)方程變?yōu)榫€性化。雙足機(jī)器人步態(tài)穩(wěn)定性可通過(guò)零力矩點(diǎn)（zero?moment?point，zmp）進(jìn)行衡量，當(dāng)其位于機(jī)器人支撐域中，可以認(rèn)為機(jī)器人步態(tài)處于穩(wěn)定狀態(tài)?；诰€性倒立擺模型的質(zhì)心動(dòng)力學(xué)方程，引入線性模型預(yù)測(cè)控制（model?predict?control，mpc），采用實(shí)時(shí)滾動(dòng)優(yōu)化求解將機(jī)器人零力矩點(diǎn)約束在支撐域中，可實(shí)現(xiàn)雙足機(jī)器人步態(tài)的在線規(guī)劃。
3、傳統(tǒng)的基于線性倒立擺模型預(yù)測(cè)控制方法，都是在平面地形上實(shí)現(xiàn)雙足機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃，無(wú)法進(jìn)一步運(yùn)用到三維世界的階梯地形中。然而實(shí)際環(huán)境有很多高低起伏的階梯環(huán)境，因此傳統(tǒng)的基于線性倒立擺模型預(yù)測(cè)控制方法限制了雙足機(jī)器人在實(shí)際環(huán)境中的應(yīng)用。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明提供一種用于階梯地形的雙足機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃方法及裝置，用以解決傳統(tǒng)的基于線性倒立擺模型預(yù)測(cè)控制方法限制了雙足機(jī)器人在實(shí)際環(huán)境中的應(yīng)用的缺陷。
2、第一方面，本發(fā)明提供一種用于階梯地形的雙足機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃方法，包括：基于線性倒立擺模型，分別建立雙足機(jī)器人的上階梯和下階梯的步行模式；基于步行模式，將階梯地形下的線性倒立擺模型映射為平面地形下的分段化虛擬高度線性倒立擺模型；基于分段化虛擬高度線性倒立擺模型，利用模型預(yù)測(cè)控制實(shí)現(xiàn)階梯地形下雙足機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃。
3、第二方面，本發(fā)明還提供一種用于階梯地形的雙足機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃裝置，包括：
4、第一處理模塊，用于基于線性倒立擺模型，分別建立雙足機(jī)器人的上階梯和下階梯的步行模式；
5、第二處理模塊，用于基于步行模式，將階梯地形下的線性倒立擺模型映射為平面地形下的分段化虛擬高度線性倒立擺模型；
6、第三處理模塊，用于基于分段化虛擬高度線性倒立擺模型，利用模型預(yù)測(cè)控制實(shí)現(xiàn)階梯地形下雙足機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃。
7、第三方面，本發(fā)明提供一種電子設(shè)備，包括存儲(chǔ)器、處理器及存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器上并可在處理器上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行所述程序時(shí)實(shí)現(xiàn)如上述任一種所述用于階梯地形的雙足機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃方法的步驟。
8、第四方面，本發(fā)明還提供一種非暫態(tài)計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，該計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)如上述任一種所述用于階梯地形的雙足機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃方法的步驟。
9、第五方面，本發(fā)明還提供一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，包括計(jì)算機(jī)程序，其特征在于，所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)上述任一項(xiàng)所述用于階梯地形的雙足機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃方法的步驟。
10、本發(fā)明提供的用于階梯地形的雙足機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃方法及裝置，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果：
11、（1）本發(fā)明使用具有虛擬質(zhì)心高度的線性倒立擺模型，依據(jù)階梯環(huán)境的地形高程信息和落足點(diǎn)信息建立的步態(tài)模式，可以適應(yīng)變高度變長(zhǎng)度的不規(guī)則階梯地形，使步態(tài)具備較好的地形適應(yīng)性。
12、（2）本發(fā)明提出的虛擬質(zhì)心高度的線性倒立擺模型主要實(shí)現(xiàn)雙足機(jī)器人前向直線行走的步態(tài)規(guī)劃；結(jié)合全向落足點(diǎn)規(guī)劃和坐標(biāo)變換矩陣，本發(fā)明提出的方法具有實(shí)現(xiàn)三維階梯地形全向行走的潛力。
13、（3）本發(fā)明在提出的步態(tài)模式下，采用模型預(yù)測(cè)控制通過(guò)一個(gè)優(yōu)化問(wèn)題規(guī)劃出雙足機(jī)器人在前向和豎直方向的步態(tài)軌跡，避免了兩個(gè)方向分別進(jìn)行優(yōu)化求解而帶來(lái)的運(yùn)動(dòng)學(xué)約束，且可以縮短求解時(shí)間，有利于步態(tài)規(guī)劃的實(shí)時(shí)性。
14、（4）本發(fā)明提出的階梯地形步態(tài)規(guī)劃方法，根據(jù)機(jī)器人的實(shí)際狀態(tài)，通過(guò)二次優(yōu)化求解將機(jī)器人零力矩點(diǎn)約束到支撐域內(nèi)，保證了雙足機(jī)器人步行狀態(tài)的穩(wěn)定性，并且具備一定的抗外力干擾性能。
1.一種用于階梯地形的雙足機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃方法，其特征在于，包括：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于階梯地形的雙足機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃方法，其特征在于，基于線性倒立擺模型，分別建立雙足機(jī)器人的上階梯和下階梯的步行模式，包括：
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于階梯地形的雙足機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃方法，其特征在于，還包括：
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于階梯地形的雙足機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃方法，其特征在于，基于步行模式，將階梯地形下的線性倒立擺模型映射為平面地形下的分段化虛擬高度線性倒立擺模型，包括：
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于階梯地形的雙足機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃方法，其特征在于，基于分段化虛擬高度線性倒立擺模型，利用模型預(yù)測(cè)控制實(shí)現(xiàn)階梯地形下雙足機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃，包括：
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于階梯地形的雙足機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃方法，其特征在于，貝塞爾曲線為：
7.一種用于階梯地形的雙足機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃裝置，其特征在于，包括：
8.一種電子設(shè)備，包括存儲(chǔ)器、處理器及存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)器上并可在所述處理器上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)程序，其特征在于，所述處理器執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)程序時(shí)實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求1至6任一項(xiàng)所述用于階梯地形的雙足機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃方法的步驟。
9.一種非暫態(tài)計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，其特征在于，所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求1至6任一項(xiàng)所述用于階梯地形的雙足機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃方法的步驟。
10.一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，包括計(jì)算機(jī)程序，其特征在于，所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求1至6任一項(xiàng)所述用于階梯地形的雙足機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃方法的步驟。