本發(fā)明涉及機器人步態(tài)規(guī)劃，尤其涉及一種用于階梯地形的雙足機器人步態(tài)規(guī)劃方法及裝置。
背景技術(shù)：
1、由于雙足機器人自由度多，在移動過程中與物理環(huán)境之間存在頻繁的力學交互，導致其步行過程中的數(shù)學模型具有高度的非線性和強耦合性，控制困難。借鑒人體步行的特征，將雙足機器人抽象為簡化的物理模型，對雙足機器人的步行模式進行數(shù)學化的描述，可有效簡化雙足機器人的運動學和動力學模型，便于運動規(guī)劃，降低控制難度。
2、線性倒立擺模型（linear?inverted?pendulum?model,?lipm）將雙足機器人全身質(zhì)量匯集到一個質(zhì)心點，質(zhì)心通過可主動伸縮的無質(zhì)量擺桿與地面交互。其特點是質(zhì)心高度保持不變，因此步態(tài)過程中質(zhì)心動力學方程變?yōu)榫€性化。雙足機器人步態(tài)穩(wěn)定性可通過零力矩點（zero?moment?point，zmp）進行衡量，當其位于機器人支撐域中，可以認為機器人步態(tài)處于穩(wěn)定狀態(tài)?；诰€性倒立擺模型的質(zhì)心動力學方程，引入線性模型預測控制（model?predict?control，mpc），采用實時滾動優(yōu)化求解將機器人零力矩點約束在支撐域中，可實現(xiàn)雙足機器人步態(tài)的在線規(guī)劃。
3、傳統(tǒng)的基于線性倒立擺模型預測控制方法，都是在平面地形上實現(xiàn)雙足機器人的步態(tài)規(guī)劃，無法進一步運用到三維世界的階梯地形中。然而實際環(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測控制方法限制了雙足機器人在實際環(huán)境中的應用。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、本發(fā)明提供一種用于階梯地形的雙足機器人步態(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測控制方法限制了雙足機器人在實際環(huán)境中的應用的缺陷。
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，利用模型預測控制實現(xiàn)階梯地形下雙足機器人的步態(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，利用模型預測控制實現(xiàn)階梯地形下雙足機器人的步態(tài)規(guī)劃。
7、第三方面，本發(fā)明提供一種電子設(shè)備，包括存儲器、處理器及存儲在存儲器上并可在處理器上運行的計算機程序，所述處理器執(zhí)行所述程序時實現(xiàn)如上述任一種所述用于階梯地形的雙足機器人步態(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)計算機可讀存儲介質(zhì)，其上存儲有計算機程序，該計算機程序被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)如上述任一種所述用于階梯地形的雙足機器人步態(tài)規(guī)劃方法的步驟。
9、第五方面，本發(fā)明還提供一種計算機程序產(chǎn)品，包括計算機程序，其特征在于，所述計算機程序被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)上述任一項所述用于階梯地形的雙足機器人步態(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信息建立的步態(tài)模式，可以適應變高度變長度的不規(guī)則階梯地形，使步態(tài)具備較好的地形適應性。
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現(xiàn)雙足機器人前向直線行走的步態(tài)規(guī)劃；結(jié)合全向落足點規(guī)劃和坐標變換矩陣，本發(fā)明提出的方法具有實現(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，采用模型預測控制通過一個優(yōu)化問題規(guī)劃出雙足機器人在前向和豎直方向的步態(tài)軌跡，避免了兩個方向分別進行優(yōu)化求解而帶來的運動學約束，且可以縮短求解時間，有利于步態(tài)規(guī)劃的實時性。
14、（4）本發(fā)明提出的階梯地形步態(tài)規(guī)劃方法，根據(jù)機器人的實際狀態(tài)，通過二次優(yōu)化求解將機器人零力矩點約束到支撐域內(nèi)，保證了雙足機器人步行狀態(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，利用模型預測控制實現(xiàn)階梯地形下雙足機器人的步態(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，包括存儲器、處理器及存儲在所述存儲器上并可在所述處理器上運行的計算機程序，其特征在于，所述處理器執(zhí)行所述計算機程序時實現(xiàn)如權(quán)利要求1至6任一項所述用于階梯地形的雙足機器人步態(tài)規(guī)劃方法的步驟。
9.一種非暫態(tài)計算機可讀存儲介質(zhì)，其上存儲有計算機程序，其特征在于，所述計算機程序被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)如權(quán)利要求1至6任一項所述用于階梯地形的雙足機器人步態(tài)規(guī)劃方法的步驟。
10.一種計算機程序產(chǎn)品，包括計算機程序，其特征在于，所述計算機程序被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)如權(quán)利要求1至6任一項所述用于階梯地形的雙足機器人步態(tài)規(guī)劃方法的步驟。