技术领域
[0001] 本
申请属于机器人轨迹规划技术领域，具体涉及一种用于台阶地形行走的机器人足端轨迹规划方法。
背景技术
[0002] 台阶地形是四足机器人在行走中所面临的地形之一。四足机器人在台阶地形中行走时，
碰撞检测能够为行走策略提供良好的参考，方便四足机器人根据遇到的障碍物的类型对足端轨迹进行适当的调整，以保证机器人稳定行走。
[0003] 台阶地形中的地面多由
水平面和竖直面组成，而机器人的摆动足的足端轨迹通常为半个椭圆，腿足机器人在这样的地形中行走的时候，摆动足在足端摆动的运动过程中很容易遇到台阶的水平面或竖直面。
现有技术中，通常用足底
力的大小来检测足端是否碰撞到障碍物，这种检测方式难以区分障碍物的类型，更难以针对不同的障碍物类型作出适当的处理。当腿足机器人遇到台阶的水平面或竖直面时，如果不对机器人的足端轨迹做出相应调整，机器人继续沿原足端轨迹运行，很容易导致机器人的失稳。
发明内容
[0004] 为至少在一定程度上克服相关技术中存在的问题，本申请提供了一种用于台阶地形行走的机器人足端轨迹规划方法。
[0005] 根据本申请
实施例的第一方面，本申请提供了一种用于台阶地形行走的机器人足端轨迹规划方法，其包括以下步骤：
[0006] 按照时间将机器人摆动足的运动划分为0～t1，t1～t2，t2～t3三个时间段；
[0007] 在0～t1时间段内，控制摆动足竖直向上抬起一个步高，其中，步高大于台阶的高度；
[0008] 在t1～t2时间段内，控制摆动足从一个步高的高度继续沿水平面运动至给定的水平
位置；
[0009] 在t2～t3时间段内，控制摆动足从给定水平位置继续竖直向下运动，直到摆动足完成触地，摆动足结束摆动。
[0010] 上述用于台阶地形行走的机器人足端轨迹规划方法中，在0～t1时间段内、t1～t2时间段内以及t2～t3时间段内，机器人摆动足的运动过程中，
[0011] 需要进行足端碰撞检测。
[0012] 进一步地，所述足端碰撞检测的过程为：
[0013] 检测机器人摆动足的足底
力反馈，得到足底力反馈值；
[0014] 对足底力反馈值进行滤波处理，得到足底力反馈滤波值；其中，足底力反馈滤波值包括X向量、Y向量和Z向量；
[0015] 将足底力反馈滤波值的合力与预设的足底力
阈值进行比较，如果足底力反馈滤波值的合力大于预设的足底力阈值，则判定机器人摆动足遇到障碍物；
[0016] 根据足底力反馈滤波值的X向分量的绝对值和足底力反馈滤波值的Z向分量的绝对值，判断摆动足遇到的障碍物为水平面还是竖直面；
[0017] 如果摆动足遇到的障碍物为水平面，则控制摆动足停止运动，使摆动足完成触地，摆动足结束摆动；
[0018] 如果摆动足遇到的障碍物为竖直面，则控制摆动足继续竖直向下运动，重新检测机器人摆动足的足底力反馈，直到检测到足端
接触到水平面，使摆动足完成触地，摆动足结束摆动。
[0019] 进一步地，所述步骤根据足底力反馈滤波值的X向分量的绝对值和足底力反馈滤波值的Z向分量的绝对值判断摆动足遇到的障碍物为水平面还是竖直面的过程为：
[0020] 如果足底力反馈滤波值的Z向分量的绝对值大于足底力反馈滤波值的X向分量的绝对值的λ倍，则判定摆动足遇到的障碍物为水平面；其中，λ＞1
[0021] 如果足底力反馈滤波值的X向分量的绝对值大于足底力反馈滤波值的Z向分量的绝对值的ξ倍，则判定摆动足遇到的障碍物为竖直面；其中，ξ＞1。
[0022] 更进一步地，所述λ和ξ根据机器人腿部的刚性、步频、足端速度、足端材料以及机器人所处的地形条件确定。
[0023] 根据本申请实施例的第二方面，本申请还提供了一种计算机存储介质，其包含计算机执行指令，所述计算机执行指令经由
数据处理设备调用时，执行上述任一项所述的用于台阶地形行走的机器人足端轨迹规划方法。
[0024] 根据本申请的上述具体实施方式可知，至少具有以下有益效果：本申请用于台阶地形行走的机器人足端轨迹规划方法通过将机器人的运动轨迹规划为底端开口的矩形，能够减少机器人的摆动足在运动过程中与台阶的竖直面发生碰撞的概率，并在发生碰撞后根据足底力反馈值的滤波向量能够准确判断出碰到的是竖直面还是水平面，进而根据不同情况对足端轨迹做出相应调整，以确保机器人能够在台阶地形中平稳行走。
[0025] 应了解的是，上述一般描述及以下具体实施方式仅为示例性及阐释性的，其并不能限制本申请所欲主张的范围。
附图说明
[0026] 下面的所附附图是本申请的
说明书的一部分，其示出了本申请的实施例，所附附图与说明书的描述一起用来说明本申请的原理。
[0027] 图1为本申请具体实施方式提供的一种用于台阶地形行走的机器人足端轨迹规划方法的
流程图之一。
[0028] 图2为采用本申请具体实施方式提供的用于台阶地形行走的机器人足端轨迹规划方法的流程图之二。
具体实施方式
[0029] 为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将以附图及详细叙述清楚说明本申请所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本申请内容的实施例后，当可由本申请内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本申请内容的精神与范围。
[0030] 本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，但并不作为对本申请的限定。另外，在附图及实施方式中所使用相同或类似标号的元件/构件是用来代表相同或类似部分。
[0031] 关于本文中所使用的“第一”、“第二”、…等，并非特别指称次序或顺位的意思，也非用以限定本申请，其仅为了区别以相同技术用语描述的元件或操作。
[0032] 关于本文中所使用的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本创作。
[0033] 关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
[0034] 关于本文中所使用的“及/或”，包括所述事物的任一或全部组合。
[0035] 关于本文中的“多个”包括“两个”及“两个以上”；关于本文中的“多组”包括“两组”及“两组以上”。
[0036] 关于本文中所使用的用语“大致”、“约”等，用以修饰任何可以细微变化的数量或误差，但这些微变化或误差并不会改变其本质。一般而言，此类用语所修饰的细微变化或误差的范围在部分实施例中可为20％，在部分实施例中可为10％，在部分实施例中可为5％或是其他数值。本领域技术人员应当了解，前述提及的数值可依实际需求而调整，并不以此为限。
[0037] 某些用以描述本申请的用词将于下或在此说明书的别处讨论，以提供本领域技术人员在有关本申请的描述上额外的引导。
[0038] 机器人在台阶地形中行走时，针对足端遇到水平面和竖直面的情况，足端轨迹的调整策略并不相同，因此需要先对足端遇到的障碍物的情况进行判断。
[0039] 机器人与障碍物碰撞时，假设二者的接触面之间没有
摩擦力，则通过足底力
传感器检测足底碰到障碍物时力反馈的方向，可以判断足底碰到的是水平面还是竖直面。然而，在实际情况中，由于在二者的接触面之间同时存在垂直于接触面的
支撑力和平行于接触面的摩擦力，因此很难通过碰撞时足底力的方向来直接判断机器人碰到的是竖直面还是水平面。
[0040] 在运动过程中，相对于遇到水平面，摆动足端遇到竖直面时，机器人更容易失稳。因此，为了使机器人运动更加稳定，需要减少摆动足在运动中遇到竖直面的情况。
[0041] 如图1所示，本申请提供了一种用于台阶地形行走的机器人足端轨迹规划方法，其包括以下步骤：
[0042] S1、按照时间将摆动足的运动划分为0～t1，t1～t2，t2～t3三个时间段，其中，摆动足在运动过程中的步长设置为Sx，步宽为Sy，步高为Sz。
[0043] S2、在0～t1时间段内，摆动足的摆动处于初始阶段，控制摆动足竖直向上抬起一个步高Sz，其中，步高Sz大于台阶的高度h。
[0044] S3、在t1～t2时间段内，摆动足的摆动处于中间阶段，控制摆动足从高度Sz继续沿水平面运动至给定水平位置(Sx，Sy)。
[0045] S4、在t2～t3时间段内，摆动足的摆动处于最后阶段，控制摆动足从给定水平位置(Sx，Sy)继续竖直向下运动，直到摆动足完成触地，摆动足结束摆动。
[0046] 机器人通过使用矩形轨迹实现足端摆动运动，能够分离摆动足的竖直和水平运动。理想情况下，机器人按照上述步骤行走，其摆动足在运动过程中不会与台阶的竖直面发生碰撞；在实际运动中，能够大幅减少摆动足与台阶的竖直面发生碰撞的几率。
[0047] 上述步骤S2～S4中，在机器人摆动足的运动过程中，需要进行足端碰撞检测，以对机器人的足底是否碰到障碍物以及障碍物是水平面还是竖直面进行判断，其判断过程为：
[0048] S41、检测机器人摆动足的足底力反馈，得到足底力反馈值。
[0049] S42、对足底力反馈值进行滤波处理，得到世界
坐标系下足底力反馈值的滤波向量，即足底力反馈滤波值。其中，足底力反馈滤波值包括X向分量、Y向分量和Z向分量，即Ff＝(Fx，Fy，Fz)。
[0050] S43、将足底力反馈滤波值的合力与预设的足底力阈值进行比较，如果足底力反馈滤波值的合力大于预设的足底力阈值，则判定机器人摆动足遇到障碍物。
[0051] S44、根据足底力反馈滤波值的X向分量的绝对值|Fx|和足底力反馈滤波值的Z向分量的绝对值|Fz|，判断摆动足遇到的障碍物为水平面还是竖直面，其具体过程为：
[0052] 如果足底力反馈滤波值的Z向分量的绝对值|Fz|大于足底力反馈滤波值的X向分量的绝对值|Fx|的λ倍，即|FZ|≥λ|FX|，λ＞1，则判定摆动足遇到的障碍物为水平面。
[0053] 如果足底力反馈滤波值的X向分量的绝对值|Fx|大于足底力反馈滤波值的Z向分量的绝对值|Fz|的ξ倍，即|FX|≥ξ|FZ|，ξ＞1，则判定摆动足遇到的障碍物为竖直面。
[0054] 其中，倍数λ和ξ根据机器人腿部的刚性、步频、足端速度、足端材料以及机器人所处的地形条件确定。
[0055] S45、如果摆动足遇到的障碍物为水平面，则控制摆动足停止运动，使摆动足完成触地，摆动足结束摆动。
[0056] 如果摆动足遇到的障碍物为竖直面，则控制摆动足继续竖直向下运动，重复步骤S41～S42，直到检测到足端接触到水平面，使摆动足完成触地，摆动足结束摆动。
[0057] 在一个具体的实施例中，足底力阈值为20N，倍数λ的取值为5，倍数ξ的取值为3。如图2所示，采用本申请用于台阶地形行走的机器人足端轨迹规划方法对机器人足端轨迹进行规划的过程为：
[0058] 将摆动足的运动分为0～t1，t1～t2，t2～t3三个时间段，其中，摆动足在运动过程中的步长设置为Sx，步宽为Sy，步高为Sz。
[0059] 在0～t1时间段内，摆动足的摆动处于初始阶段，控制摆动足竖直向上抬起一个步高Sz，其中，步高Sz大于台阶的高度h。
[0060] 在t1～t2时间段内，摆动足的摆动处于中间阶段，控制摆动足从高度Sz继续沿水平面运动至给定水平位置(Sx，Sy)。
[0061] 在t2～t3时间段内，摆动足的摆动处于最后阶段，控制摆动足从给定水平位置(Sx，Sy)继续竖直向下运动。
[0062] 检测机器人摆动足的足底力反馈，得到足底力反馈值。
[0063] 对足底力反馈值进行滤波处理，得到世界坐标系下足底力反馈值的滤波向量，即足底力反馈滤波值Ff。其中，足底力反馈滤波值Ff包括X向分量、Y向分量和Z向分量，即Ff＝(Fx，Fy，Fz)。
[0064] 判断足底力反馈滤波值的合力||Ff||是否大于20N，如果是，则继续判断足底力反馈滤波值的X向分量的绝对值|Fx|大于足底力反馈滤波值的Z向分量的绝对值|Fz|的3倍；否则，控制摆动足按照规划的轨迹继续运动。
[0065] 如果足底力反馈滤波值的X向分量的绝对值|Fx|大于足底力反馈滤波值的Z向分量的绝对值|Fz|的3倍，则控制摆动足停止水平运动，继续竖直向下运动；否则，进一步判断足底力反馈滤波值的Z向分量的绝对值|Fz|是否大于足底力反馈滤波值的X向分量的绝对值|Fx|的5倍，如果是，则控制摆动足停止运动，进而摆动足结束摆动；否则，摆动足按照规划的轨迹继续运动。
[0066] 在摆动足停止水平运动，继续竖直向下运动的过程中，判断足底力反馈滤波值的Z向分量的绝对值|Fz|是否大于足底力反馈滤波值的X向分量的绝对值|Fx|的5倍，如果是，则控制摆动足停止运动，进而摆动足结束摆动；否则，控制摆动足停止水平运动，继续竖直向下运动。
[0067] 本申请用于台阶地形行走的机器人足端轨迹规划方法能够减少机器人的摆动足在运动过程中与台阶的竖直面发生碰撞的概率，并在发生碰撞后能够准确判断出碰到的是竖直面还是水平面，并根据不同情况对足端轨迹做出相应调整，从而确保机器人能够在台阶地形中平稳行走。
[0068] 本申请还提供了一种包含计算机执行指令的存储介质，所述计算机执行指令经由数据处理设备调用时，执行如上所述的用于台阶地形行走的机器人足端轨迹规划方法。
[0069] 上述的本申请实施例可在各种
硬件、
软件编码或两者组合中进行实施。例如，本发明的实施例也可为在数据
信号处理器(Digitam Signam Processor，DSP)中执行上述方法的程序代码。本发明也可涉及计算机处理器、
数字信号处理器、
微处理器或现场可编程
门阵列(Fiemd Programmabme GateArray，FPGA)执行的多种功能。可根据本发明配置上述处理器执行特定任务，其通过执行定义了本发明揭示的特定方法的机器可读
软件代码或
固件代码来完成。可将软件代码或固件代码发展为不同的程序语言与不同的格式或形式。也可为不同的目标平台编译软件代码。然而，根据本发明执行任务的软件代码与其他类型配置代码的不同代码样式、类型与语言不脱离本发明的精神与范围。
[0070] 以上所述仅为本申请示意性的具体实施方式，在不脱离本申请的构思和原则的前提下，任何本领域的技术人员所做出的等同变化与
修改，均应属于本申请保护的范围。
