本发明公开了一种双足机器人的仿人步态规划方法、系统及装置，该方法包括控制指令规划、名义腿轨迹规划和腿部关机轨迹规划；所述的控制指令规划为将手柄的控制指令转化为机器人的前向和侧向的迈步步长以及转向的转动角度和步行时间；所述的名义腿轨迹规划为根据控制接口层的输出设计出名义腿的周期性运动轨迹；所述的腿部关节轨迹规划将名义腿的周期性运动轨迹解算为机器人腿部各个关节的运动角度。相比于传统的双足机器人中枢模式发生器的设计方法，该方法通过名义腿的设计来规划双足机器人行走时的步行姿态，能够更直观地、更高效地设计出具有仿人特征的步态，从而提高机器人的步行灵活性和环境适应能力。
1.一种双足机器人的仿人步态规划方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1控制指令规划：采集双足机器人前向迈步步长、侧向迈步步长、转向角度和步行周期；
S2名义腿轨迹规划：利用步骤S1采集的前向迈步步长、侧向迈步步长、转向角度和步行周期，基于角度合成对名义腿伸缩值、名义腿横滚角、名义腿俯仰角、名义腿偏航角、名义腿足部俯仰角和名义腿足部横滚角进行设计；
步骤S2中所述名义腿伸缩值、名义腿横滚角、名义腿俯仰角、名义腿偏航角、名义腿足部俯仰角和名义腿足部横滚角为其站立时和运动时分别对应的参数的矢量和；
S3腿部关节轨迹规划：将S2名义腿规划得到的名义腿伸缩值、名义腿横滚角、名义腿俯仰角、名义腿偏航角、名义腿足部俯仰角、名义腿足部横滚角转化为腿部的关节值；
所述步骤S3具体为：定义转换系数为与名义腿伸缩值相关的反三角函数值；髋关节的横滚角度即为名义腿横滚角；髋关节的俯仰角度即为名义腿俯仰角与转换系数的矢量差；
髋关节的偏航角度即为名义腿偏航角；膝盖的俯仰角度即为转换系数的两倍；踝关节的横滚角度即为名义腿足部俯仰角、名义腿俯仰角与转换系数的矢量差；踝关节的横滚角度即为名义腿足部横滚角与名义腿横滚角的矢量差。
2.根据权利要求1所述双足机器人的仿人步态规划方法，其特征在于，所述双足机器人站立时名义腿的伸缩值、站立时名义腿的横滚角度、站立时名义腿的俯仰角度、站立时名义腿的偏航角度、站立时名义腿脚部的俯仰角度和站立时名义腿脚部的横滚角度为固定值；
其中，所述站立时名义腿的横滚角度表征左腿时为负值，表征右腿时为正值。
3.根据权利要求1所述双足机器人的仿人步态规划方法，其特征在于，根据四次贝塞尔曲线插值原理，设置从起始点到目标点的插值曲线，设计贝塞尔多项式系数，规划运动时名义腿的伸缩值、运动时名义腿的横滚角度、运动时名义腿的俯仰角度、运动时名义腿的偏航角度、运动时名义腿脚部的俯仰角度和运动时名义腿脚部的横滚角度的轨迹。
4.根据权利要求3所述双足机器人的仿人步态规划方法，其特征在于，基于贝塞尔曲线为使轨迹的初始速度和末速度为0，设计得到贝塞尔多项式系数。
5.根据权利要求3所述双足机器人的仿人步态规划方法，其特征在于，所述双足机器人左腿的轨迹规划和右腿的轨迹规划波形完全相同，但是相位上间隔半个步行周期T/2。
6.一种双足机器人的仿人步态规划系统，其特征在于，包括控制指令规划模块、名义腿轨迹规划模块和腿部关节轨迹规划模块；
所述控制指令规划模块用于采集双足机器人前向迈步步长、侧向迈步步长、转向角度和步行周期；
所述名义腿轨迹规划模块用于利用控制指令规划模块得到的参数基于角度合成的方式完成名义腿的关节轨迹规划；具体为：利用采集的前向迈步步长、侧向迈步步长、转向角度和步行周期，基于角度合成对名义腿伸缩值、名义腿横滚角、名义腿俯仰角、名义腿偏航角、名义腿足部俯仰角和名义腿足部横滚角进行设计；
所述名义腿伸缩值、名义腿横滚角、名义腿俯仰角、名义腿偏航角、名义腿足部俯仰角和名义腿足部横滚角为其站立时和运动时分别对应的参数的矢量和；
所述腿部关节轨迹规划模块用于将名义腿轨迹规划模块得到的参数转化为腿部的关节值；具体为：将名义腿规划得到的名义腿伸缩值、名义腿横滚角、名义腿俯仰角、名义腿偏航角、名义腿足部俯仰角、名义腿足部横滚角转化为腿部的关节值；定义转换系数为与名义腿伸缩值相关的反三角函数值；髋关节的横滚角度即为名义腿横滚角；髋关节的俯仰角度即为名义腿俯仰角与转换系数的矢量差；髋关节的偏航角度即为名义腿偏航角；膝盖的俯仰角度即为转换系数的两倍；踝关节的横滚角度即为名义腿足部俯仰角、名义腿俯仰角与转换系数的矢量差；踝关节的横滚角度即为名义腿足部横滚角与名义腿横滚角的矢量差。
7.一种双足机器人的仿人步态规划装置，其特征在于，包括一个或多个处理器，用于实现权利要求1‑5中任一项所述的双足机器人的仿人步态规划方法。
8.一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，其特征在于，该程序被处理器执行时，用于实现权利要求1‑5中任一项所述的双足机器人的仿人步态规划方法。
一种双足机器人的仿人步态规划方法、系统及装置
技术领域
[0001] 本发明属于机器人技术领域，尤其涉及一种双足机器人的仿人步态规划方法。
背景技术
[0002] 双足机器人具有与人类类似的外观，因当机器人融入到人们的工作和生活中后更容易被接受，双足机器人能够代替人类完成各种作业，具有广泛的应用前景。相比于轮式机器人，双足机器人具有更好的地形适应能力和更广阔的应用范围。中国正在逐步迈入老龄化社会，劳动力资源的短缺和劳动力成本的持续上升已经成为我国经济发展所面临的重大挑战，针对此问题，双足机器人的应用被认为是一种很好的解决方式。
[0003] 近年来，双足机器人的研究取得了很大的进展，尤其是在2021年8月波士顿动力发布的双足机器人跑酷的视频，双足机器人完成了跳箱子、走斜板、过独木桥、支撑跨栏和后空翻等一系列动作，展现出了强大的运动性能。目前，我国也已经成功研发出了很多能够双足行走的机器人，哈尔滨工业大学的HIT与GoRoBoT、国防科技大学的KDW、北京理工大学的BHR、清华大学的THBIP等。尽管这些机器人都可以实现稳定的步行行走，但是其步行的能效都很低，步态的规划和设计非常复杂，而人类的步行方式通过了千百年的自然进化，具有极高的步行效能和步行姿势的美观性，并且腿部各个关节的轨迹呈现出一种周期性的振荡状态。
[0004] 综上，亟需对双足机器人步行的能效、步态的规划和设计进行改进。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种双足机器人的仿人步态规划方法、系统及装置。
[0006] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现：
[0007] 本发明实施例的第一方面提供了一种双足机器人的仿人步态规划方法，包括以下步骤：
[0008] S1控制指令规划：采集双足机器人前向迈步步长、侧向迈步步长、转向角度和步行周期；
[0009] S2名义腿轨迹规划：利用步骤S1采集的前向迈步步长、侧向迈步步长、转向角度和步行周期，基于角度合成对名义腿伸缩值、名义腿横滚角、名义腿俯仰角、名义腿偏航角、名义腿足部俯仰角和名义腿足部横滚角进行设计；
[0010] S3腿部关节轨迹规划：将S2名义腿规划得到的名义腿伸缩值、名义腿横滚角、名义腿俯仰角、名义腿偏航角、名义腿足部俯仰角、名义腿足部横滚角转化为腿部的关节值。
[0011] 进一步地，步骤S2中所述名义腿伸缩值、名义腿横滚角、名义腿俯仰角、名义腿偏航角、名义腿足部俯仰角和名义腿足部横滚角为其站立时和运动时分别对应的参数的矢量和。
[0012] 进一步地，所述双足机器人站立时名义腿的伸缩值、站立时名义腿的横滚角度、站立时名义腿的俯仰角度、站立时名义腿的偏航角度、站立时名义腿脚部的俯仰角度和站立时名义腿脚部的横滚角度为固定值；其中，所述站立时名义腿的横滚角度表征左腿时为负值，表征右腿时为正值。
[0013] 进一步地，根据四次贝塞尔曲线插值原理，设置从起始点到目标点的插值曲线，设计运动参数，规划运动时名义腿的伸缩值、运动时名义腿的横滚角度、运动时名义腿的俯仰角度、运动时名义腿的偏航角度、运动时名义腿脚部的俯仰角度和运动时名义腿脚部的横滚角度的轨迹。
[0014] 进一步地，基于贝塞尔曲线为使轨迹的初始速度和末速度为0，设计得到运动参数。
[0015] 进一步地，所述双足机器人左腿的轨迹规划和右腿的轨迹规划波形完全相同，但是相位上间隔半个步行周期
[0016] 进一步地，所述步骤S3具体为：定义转换系数为与名义腿伸缩值相关的反三角函数值；髋关节的横滚角度即为名义腿横滚角；髋关节的俯仰角度即为名义腿俯仰角与转换系数的矢量差；髋关节的偏航角度即为名义腿偏航角；膝盖的俯仰角度即为转换系数的两倍；踝关节的横滚角度即为名义腿足部俯仰角、名义腿俯仰角与与转换系数的矢量差；踝关节的横滚角度即为名义腿足部横滚角与名义腿横滚角的矢量差。
[0017] 本发明实施例的第二方面提供了一种双足机器人的仿人步态规划系统，包括控制指令规划模块、名义腿轨迹规划模块和腿部关节轨迹规划模块；
[0018] 所述控制指令规划模块用于采集双足机器人前向迈步步长、侧向迈步步长、转向角度和步行周期；
[0019] 所述名义腿轨迹规划模块用于利用控制指令规划模块得到的参数基于角度合成的方式完成名义腿的关节轨迹规划；
[0020] 所述腿部关节轨迹规划模块用于将名义腿轨迹规划模块得到的参数转化为腿部的关节值。
[0021] 本发明实施例的第三方面提供了一种双足机器人的仿人步态规划装置，包括一个或多个处理器，用于实现上述的双足机器人的仿人步态规划方法。
[0022] 本发明实施例的第四方面提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时，用于实现上述的双足机器人的仿人步态规划的方法。
[0023] 本发明的有益效果在于：本发明将人类步行运动的特征融入到双足机器人的步态规划，通过设计名义腿的方式将人类的步行特征融入到中枢模式发生器(Central Pattern Generator，CPG)的步态设计中，提供了一种简单可行的实施方法，基于本发明所提供的仿人步态规划方法，能够更便捷地设计出一种仿人步态，提高双足机器人的步行能效。
附图说明
[0024] 图1是仿人步态设计的流程图；
[0025] 图2是12自由度3D双足机器人的模型示意图；
[0026] 图3是从俯视角度名义腿角度定义的示意图；
[0027] 图4是从侧视角度名义腿角度定义的示意图。
具体实施方式
[0028] 这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
[0029] 在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
[0030] 以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。
[0031] 本发明提出了一种双足机器人的仿人步态规划系统，包括控制指令规划模块、名义腿轨迹规划模块和腿部关节轨迹规划模块。
[0032] 所述控制指令规划模块，用于采集双足机器人前向迈步步长、侧向迈步步长、转向角度和步行周期；
[0033] 所述名义腿轨迹规划模块，利用控制指令规划模块得到的参数基于角度合成的方式完成名义腿的关节轨迹规划；
[0034] 所述腿部关节轨迹规划模块，用于将名义腿轨迹规划模块得到的参数转化为腿部的关节值。
[0035] 如图1所示，本发明提出了一种双足机器人的仿人步态规划方法，考虑通过三层规划，控制指令规划、名义腿轨迹规划和腿部关节轨迹规划，将手柄的控制指令最终转化为双足机器人各个关节的周期轨迹。不同于常规的CPG步态，在该实施实例中加入了名义腿的概念，将机器人的腿抽象为一根可变长的木棒，木棒长度为脚踝和髋关节大腿的距离，由此名义腿可以更容易体现出人类腿部的运动特征。如图2所示，本实施例考虑具有12个自由度的双足机器人， 为髋关节的横滚角度， 为髋关节的俯仰角度， 为髋关节的偏航角度， 为膝盖的俯仰角度， 为踝关节的横滚角度， 为踝关节的横滚角度。如图3和图4所示，将名义腿抽象为一根可变长的木棒，其伸缩值为ξ， 为名义腿横滚角、 为名义腿俯仰角、 为名义腿偏航角、 为名义腿足部俯仰角， 为名义腿足部横滚角。本发明方法具体包括如下步骤：
[0036] S1，控制指令规划：将控制指令映射为双足机器人前向的迈步步长step_x、侧向的迈步步长step_y、转向的角度rotate_z和步行周期T。
[0037] S2，名义腿轨迹规划：具体包括以下子步骤：
[0038] S201，将步骤S1中生成的输出信号(前向的迈步步长step_x、侧向的迈步步长step_y、转向的角度rotate_z和步行周期T)作为名义腿轨迹规划模块的输入。
[0039] S202，对名义腿伸缩值ξ、名义腿横滚角 名义腿俯仰角 名义腿偏航角名义腿足部俯仰角 和名义腿足部横滚角 进行设计，因为双足机器人周期稳定行走需要基于一个双足支撑的站立姿态，则可以用角度合成的方式得出名义腿的关节轨迹规划，计算公式如下：
[0040] ξ＝ξstand+ξlift
[0041]
[0042]
[0043]
[0044]
[0045]
[0046] 其中，ξstand为站立时名义腿的伸缩值， 为站立时名义腿的横滚角度，为站立时名义腿的俯仰角度， 为站立时名义腿的偏航角度， 为站立时名义腿脚部的俯仰角度， 为站立时名义腿脚部的横滚角度，ξlift为运动时名义腿的伸缩值，为运动时名义腿的横滚角度， 为运动时名义腿的俯仰角度， 为运动时名义腿的偏航角度， 为运动时名义腿脚部的俯仰角度， 为运动时名义腿脚部的横滚角度。
[0047] 其中，双足机器人站立时的变量站立时名义腿的伸缩值ξstand、站立时名义腿的横滚角度 站立时名义腿的俯仰角度 站立时名义腿的偏航角度 站立时名义腿脚部的俯仰角度 站立时名义腿脚部的横滚角度 设为固定值(表征左腿时，站立时名义腿的横滚角度 为负值；表征右腿时，站立时名义腿的横滚角度为正值)，根据四次贝塞尔曲线插值原理，设置从起始点到目标点的插值曲线，设计运动参数，双足机器人运动时变量运动时名义腿的伸缩值ξlift、运动时名义腿的横滚角度运动时名义腿的俯仰角度 运动时名义腿的偏航角度 运动时名义腿
脚部的俯仰角度 运动时名义腿脚部的横滚角度 的轨迹规划公式如下：
[0048]
[0049]
[0050]
[0051]
[0052]
[0053]
[0054] 其中，
[0055] (k＝0～3)为贝塞尔多项式系数， T表示双足机器人一个步行周期，t表示当前时间，c1～24为常数。为了让轨迹的初始速度和末速度为0，设计贝塞尔多项式系数，以为例，其它同理，通过下式计算得到：
[0056]
[0057] 其中，在 时，qξ,α,0为名义腿横滚角的初始位置， 为名义腿横滚角的初始速度，qξ,α,1为名义腿横滚角的末状态位置， 为名义腿横滚角预设的末状态速度。在时，qξ,β,0为名义腿横滚角的初始位置， 为名义腿横滚角的初始速度，qξ,β,1为名义腿横滚角的末状态位置， 为名义腿横滚角预设的末状态速度。
[0058] 为了实现双足机器人双腿的交替行走，在对名义腿进行轨迹规划时，左腿的轨迹规划和右腿的轨迹规划波形完全相同但是相位上间隔为半个步行周期
[0059] S3，腿部关节轨迹规划：假设双足机器人大腿和小腿的腿长相同，利用步骤S2名义腿规划出来的名义腿伸缩值ξ、名义腿横滚角 名义腿俯仰角 名义腿偏航角名义腿足部俯仰角 名义腿足部横滚角 的值，将这些值转化为腿部的关节值，转化关系计算公式如下：
[0060] χ＝arccos(1‑ξ)
[0061]
[0062]
[0063]
[0064]
[0065]
[0066]
[0067] 其中，χ为名义腿伸缩值为ξ时膝关节俯仰角度值的一半， 为髋关节的横滚角度， 为髋关节的俯仰角度， 为髋关节的偏航角度， 为膝盖的俯仰角度， 为踝关节的横滚角度， 为踝关节的横滚角度。
[0068] 最后，通过如上三层接口的轨迹设计，获得了双足机器人在仿人行走时各个关节的周期轨迹。
[0069] 与前述双足机器人的仿人步态规划方法的实施例相对应，本发明还提供了双足机器人的仿人步态规划装置的实施例。
[0070] 参见图5，本发明实施例提供的一种双足机器人的仿人步态规划装置，包括一个或多个处理器，用于实现上述实施例中的双足机器人的仿人步态规划方法。
[0071] 本发明双足机器人的仿人步态规划装置的实施例可以应用在任意具备数据处理能力的设备上，该任意具备数据处理能力的设备可以为诸如计算机等设备或装置。装置实施例可以通过软件实现，也可以通过硬件或者软硬件结合的方式实现。以软件实现为例，作为一个逻辑意义上的装置，是通过其所在任意具备数据处理能力的设备的处理器将非易失性存储器中对应的计算机程序指令读取到内存中运行形成的。从硬件层面而言，如图5所示，为本发明双足机器人的仿人步态规划装置所在任意具备数据处理能力的设备的一种硬件结构图，除了图5所示的处理器、内存、网络接口、以及非易失性存储器之外，实施例中装置所在的任意具备数据处理能力的设备通常根据该任意具备数据处理能力的设备的实际功能，还可以包括其他硬件，对此不再赘述。
[0072] 上述装置中各个单元的功能和作用的实现过程具体详见上述方法中对应步骤的实现过程，在此不再赘述。
[0073] 对于装置实施例而言，由于其基本对应于方法实施例，所以相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本发明方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
[0074] 本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时，实现上述实施例中的双足机器人的仿人步态规划方法。
[0075] 所述计算机可读存储介质可以是前述任一实施例所述的任意具备数据处理能力的设备的内部存储单元，例如硬盘或内存。所述计算机可读存储介质也可以是任意具备数据处理能力的设备，例如所述设备上配备的插接式硬盘、智能存储卡(Smart Media Card，SMC)、SD卡、闪存卡(Flash Card)等。进一步的，所述计算机可读存储介质还可以既包括任意具备数据处理能力的设备的内部存储单元也包括外部存储设备。所述计算机可读存储介质用于存储所述计算机程序以及所述任意具备数据处理能力的设备所需的其他程序和数据，还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
[0076] 以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。
