一种腰部驱动的四足机器人行走方法及步态规划方法

技术领域

本发明涉及一种仿生四足机器人，也可用于多足机器人。

背景技术

目前四足机器人大多数采用刚性腰部结构，这种腰部结构通常不能进行驱动，机器人的直行、转向、姿态与重心调整等功能完全依靠对各个腿部的灵活控制来实现。当前四足机器人运动控制的实质是腿部运动的控制。通常一条腿需要至少三个电机驱动，在足端轨迹规划的基础上由三个电机协调运转来实现单腿运动，进而通过步态规划依次完成四个腿的运动，使整个机体实现直行、转向等各种运动以及重心控制。总体上是对机体质心在世界坐标系的运动轨迹与平衡位置等进行规划，进而规划各个足端位置并计算每个腿部各驱动元件的状态与转角。这使得四足机器人的结构复杂、控制难度很高，成本高昂。

部分四足机器人使用绕中心轴旋转的腰部，即在腰部设置一个转动关节，以此关节的转动带动躯体从而实现转向。这种腰部结构与转向方法需要与机器人的整体结构或腿部结构相互配合，它无法单独工作实现转向或行走。

也有部分机器人使用柔性腰部。目前国内外所采用的柔性腰部大多以弹性体替代，虽然弹性体腰部的使用可以减少机构冲击和提高系统的稳定性，但却无法主动控制机构的转向以及完成一些高难度的动作；弹性材料的使用还限制了机器人的自由度以及增大能耗等。

其他一些结构简单的四足机器人则通常只能直行，不能实现可控的转向，也不能实现重心的主动调节，运动不灵活。

根据对动物的运动学研究，腰部的运动与变形能够增大腿部的运动空间、带动四足的转向、调整身体姿态，大大增加运动的灵活性。因此足式机器人的具有驱动功能的腰部结构，将对运动性能产生重大影响。

发明内容

本发明为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种腰部驱动的四足机器人行走方法，使四足机器人在单腿仅有1个自由度的条件下(如仅完成抬腿功能)，实现机器人的直行、斜向行走、转弯及重心调整等功能，从而能以简单高效的方式实现四足机器人的灵活运动，降低机器人结构的复杂度和控制的难度。

本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：

本发明一种腰部驱动的四足机器人单腿行走方法，所述四足机器人的结构包括：前肩梁、后肩梁、4个腿部结构和腰部结构；将4个腿部结构分别记为：左前腿A、右前腿B、右后腿C、左后腿D；在所述前肩梁与后肩梁的两端分别对称设置安装点，在所述前肩梁的安装点上分别设置有左前腿A、右前腿B，在所述后肩梁的安装点上分别设置有右后腿C、左后腿D，且每个腿部结构中至少具有1个自由度，并由腿部电机驱动；前肩梁与后肩梁的两端安装点之间的距离均为W；在所述前肩梁与后肩梁之间设置有腰部结构，并由2个腰部电机驱动所述腰部结构的2个自由度，其特点在于，所述四足机器人单腿行走方法是按以下步骤进行：

步骤1、任意一个腿部结构在腿部电机驱的驱动下进行抬腿动作，并与地面处于悬空状态，记为悬空单腿；其余3个腿部结构保持支撑状态，记为支撑腿；

步骤2所述腰部结构在腰部电机驱动的下转动，并带动悬空单腿所在的前肩梁或后肩梁围绕另一端的支撑腿底部进行水平旋转一定角度；

步骤3所述悬空单腿在腿部电机的驱动下进行下降动作，并与地面重新接触后保持支撑状态，从而完成单腿行走。

本发明所述的四足机器人单腿行走方法的特点也在于，设置腰部结构是由第一支架、腰部连杆Ⅰ、第一电机、腰部连杆Ⅱ、第二支架、腰部连杆Ⅲ、第二电机、腰部连杆Ⅳ依次首尾铰接而成的对称六边形结构；

所述第一支架固定连接在所述前肩梁上；所述第二支架固定连接在所述后肩梁上；

所述腰部连杆Ⅰ的另一端与腰部连杆Ⅱ分别固定连接在第一电机的机体与转轴上，形成受第一电机驱动的转动副；

所述腰部连杆Ⅳ的另一端与腰部连杆Ⅲ分别固定连接在第二电机的机体与转轴上，形成受第二电机驱动的转动副。

所述第一电机驱动所述腰部连杆Ⅰ和腰部连杆Ⅱ运动，并带动所述前肩梁与后肩梁形成相对运动；所述第二电机驱动所述腰部连杆Ⅲ和腰部连杆Ⅳ的运动，并带动所述前肩梁与后肩梁形成相对运动。

本发明一种四足机器人步态规划方法的特点在于，基于权利要求1所述的四足机器人单腿行走方法，由剩下3个支撑腿按照步骤1-步骤3的过程分别完成单腿行走，从而完成一个完整的步态规划。

本发明所述的四足机器人的步态规划方法的特点也在于，设置所述四足机器人的运动模式包括：直行、斜行、转弯；并在不同运动模式下，分别设置4个腿部结构的行走顺序以及前肩梁与后肩梁的水平旋转角度。

在所述直行的运动模式下，按照对角线上腿部结构优先的顺序完成4个腿部结构的单腿行走；且任意单腿行走时的前肩梁或后肩梁的水平旋转角度相同；左前腿A、右前腿B行走时，前肩梁的旋转方向相反；右后腿C、左后腿D行走时，后肩梁的旋转方向相反。

在所述斜行的运动模式下，按照不同肩梁的同一侧腿部结构优先的顺序完成4个腿部结构的单腿行走；且任意单腿行走时的前肩梁或后肩梁的水平旋转角度相同；左前腿A、右前腿B行走时，前肩梁的旋转方向相反；右后腿C、左后腿D行走时，后肩梁的旋转方向相反。

在所述转弯的运动模式下，设置旋转中心为M点，并绕着M点的转弯角度设为θ；

根据M点与前肩梁或后肩梁的中心点之间的位置关系，确定4个腿部结构的行走顺序；

根据M点与前肩梁或后肩梁的位置关系，确定4个腿部结构行走时相应的肩梁各自的旋转角度。

所述转弯的运动模式下，四足机器人是按如下步骤获得4个腿部结构的行走顺序和肩梁各自的旋转角度，从而执行转弯的完整步态：

S1行走顺序规划：

步骤S1.1当左前腿A、右前腿B均着地时，以两着地点的连线的中点作为原点O

在所述坐标系X

若M点处于坐标系X

步骤S1.2，当右后腿C、左后腿D均着地时，按照步骤S1.1的过程建立坐标系X

在所述坐标系X

若M点处于坐标系X

S2行走转角计算；

S2.1令沿前进方向的旋转角度为θ，若为顺时针旋转则定义为右转弯，若为逆时针旋转则定义为左转弯；

S2.2利用式(1)和式(2)分别计算得到一个完整步态后的M点与原点O

S2.3若右前腿B先于左前腿A执行单腿行走，则利用式(3)得到左前腿A、右前腿B所在的前肩梁对应的旋转角度α和β：

式(3)中，ρ为共梁足端间距，并由式(4)得到，ψ为共梁足端斜角，并由式(5)得到；

式(4)和式(5)中，E为四足机器人的单腿跨距；

若左前腿A先于右前腿B执行单腿行走，则利用式(6)得到右前腿B、左前腿A所在的前肩梁对应的旋转角度β和α：

S2.4利用式(7)和式(8)分别计算得到一个完整步态后的M点与原点O

S2.5若左后腿D先于右后腿C执行单腿行走，则利用式(9)得到左后腿D、右后腿C所在的后肩梁对应的旋转角度φ和γ：

若右后腿C先于左后腿D执行单腿行走，则利用式(10)得到右后腿C、左后腿D所在的后肩梁对应的旋转角度γ和φ：

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1本发明的行走方法，采用了具有驱动能力与变形功能的腰部结构，给出了单腿行走方法以及总体的步态规划方法，包括关键角度的计算方法。这使得四足机器人的运动与平衡完全不再依赖多自由度的复杂腿部结构，得以简化结构与控制方法。总体上，本发明所述行走方法，可以使四足机器人以很少的自由度，实现直行、斜行、转弯的灵活运动，并能够进行重心的位置调节以增强稳定性；降低了整体结构的复杂程度，降低了控制难度，降低了制造成本。

2本发明所述行走方法，整体只需要6个驱动电机：4个单腿结构每个仅需一个电机，腰部需要2个电机；相对于传统的整体需要12个电机的情况，将大大降低了机械结构的复杂程度，也因为使用了更少的电机，成本将得到显著降低。事实上通过简单的结构优化，令同一梁上的2个腿部共用一个电机，则可进一步简化为只需4个电机，成本优势更加明显。

3本发明所述行走方法使腿部结构变得更加简单，腿部的运动不再需要若干电机协调运转，也几乎不需要任何计算，故控制难度会大为降低。本发明腰部结构的运动与腿部运动不存在耦合，即腰部运动的参数可以独立解算，且计算方法简单。故整体控制难度低，控制方法的计算量小。

4本发明所述的腰部结构能够通过变形进行重心的位置调节，以增强稳定性。四足机器人在单腿行走时，只有3腿支撑着地，当机器人的重心位置朝地面的投影不能落在3个支撑腿所围成的三角形之内时，机器人便不能静态稳定，容易倾倒。本发明所述的腰部结构，根据三角学的简单推理可知，第一电机12与第二电机16可以在满足前肩梁与后肩梁运动条件的同时，具有两个可选择的停止位置，也由此形成了不同腰部形状。由于电机的重量及腰部连杆的重量，这种不同的停止位置与腰部形状，会改变(即调整)机器人的重心位置。可以在控制算法中主动地选择更加有利的停止位置和腰部形状，以保持姿态平衡。本发明给出了各运动模式下优化后的腰部运动方法，简单推理可知，其重心总是不超出临界稳定的边界(支撑腿所围成的三角形)，处于静态稳定。

附图说明

图1为本发明四足机器人参数示意图；

图2为本发明腰部结构图；

图3为本发明腰部运动1示意图；

图4为本发明腰部运动2示意图；

图5为本发明直行运动示意图；

图6为本发明直行运动时腰部运动与变形示意图；

图7为本发明斜向行走时腰部运动与变形示意图；

图8为本发明转弯运动参数示意图；

图9为本发明转弯运动时腰部运动与变形示意图；

图10为本发明实施例结构图；

图中标号：10第一支架；11腰部连杆Ⅰ；12第一电机；13腰部连杆Ⅱ；14第二支架；15腰部连杆Ⅲ；16第二电机；17腰部连杆Ⅳ；20A腿腿部连杆Ⅰ；21A腿膝关节电机；22A腿腿部连杆Ⅱ；23A腿足端；30B腿腿部连杆Ⅰ；31B腿膝关节电机；32B腿腿部连杆Ⅱ；33B腿足端；40C腿腿部连杆Ⅰ；41C腿膝关节电机；42C腿腿部连杆Ⅱ；43C腿足端；50D腿腿部连杆Ⅰ；51D腿膝关节电机；52D腿腿部连杆Ⅱ；53D腿足端。

具体实施方式

一四足机器人的单腿行走方法

四足机器人参数如图1所示。结构包括前肩梁、后肩梁、腰部结构、以及4个腿部结构。4个腿部结构对称设置在前肩梁与后肩梁的两端，记为：左前腿、右前腿、右后腿、左后腿，分别标记为A、B、C、D；前肩梁与后肩梁的距离记为L，梁上腿部结构的距离记为W。

机器人的腿部可以不含有跨步功能，仅有抬腿功能(使足端脱离与地面接触)，即足端在抬起与落下前后相对于机体的位置不变，也即单腿相对跨距为0.腿部也可以带有跨步功能(如切比雪夫机构、克兰机构等类型的单腿结构)，此时定义机器人的单腿相对跨距(单腿从离开地面到再次接触地面，其足端相对于机器人机体移动的距离)为E。其共梁的两个足端着地时总是存在固定的距离，定义为共梁足端间距ρ；两足端着地点连线总是与所在梁呈固定夹角，定义为共梁足端斜角Ψ。当机器人不存在单腿相对跨距时，ρ＝W，Ψ＝0。

本实施例中，给出一种单腿行走方法，是按以下步骤进行：

步骤1、任意一个腿部结构在腿部电机驱的驱动下进行抬腿动作，并与地面处于悬空状态，记为悬空单腿；其余3个腿部结构保持支撑状态，记为支撑腿；

步骤2腰部结构在腰部电机驱动的下转动，并带动悬空单腿所在的前肩梁或后肩梁围绕另一端的支撑腿底部进行水平旋转一定角度；

步骤3悬空单腿在腿部电机的驱动下进行下降动作，并与地面重新接触后保持支撑状态，从而完成单腿行走。

以A腿行走为例，其具体过程为：首先A腿抬起(腿部电机驱动)脱离与地面接触，然后在腰部结构推动下，前肩梁与A、B腿共同绕B腿足端(或踝关节)做平面旋转运动，转动至合适角度后，A腿着地，单腿行走结束。在此过程中的旋转，是腰部结构驱动前肩梁形成的，由于前肩梁与A、B腿均为固定连接，所以是前肩梁与AB腿整体旋转(这个整体旋转不会也不应该影响后肩梁及CD腿)，旋转角度是指前肩梁在旋转前后的夹角。当腿部自身存在跨步动作时(如切比雪夫机构、克兰机构等类型的单腿结构)，则A、B腿部自身的跨步动作将与整体的旋转动作形成复合动作。

类似地，B腿行走是B抬起后，前肩梁并AB两腿一起绕A腿足端做平面旋转运动。C腿、D腿和后肩梁以同样方式旋转。以下单腿行走均作“某腿顺/逆时针旋转某角度”简单表述。

ABCD四个腿部按照一定次序均行走一次，为一个完整的步态。

二、腰部结构

本实施例中，提供一种应用于四足机器人的腰部结构，如图2所示，包括第一支架10、、腰部连杆Ⅰ11、第一电机12、腰部连杆Ⅱ13、第二支架14、腰部连杆Ⅲ15、第二电机16、腰部连杆Ⅳ17。上述8个部件首尾相接，围成一个对称的六边形结构。第一支架10固定连接在前肩梁上；第一支架10的两端分别通过铰链连接腰部连杆Ⅰ11与腰部连杆Ⅳ17；腰部连杆Ⅰ11的另一端与腰部连杆Ⅱ13分别固定连接在第一电机12的机体与转轴上，形成受第一电机12驱动的转动副；腰部连杆Ⅳ17的另一端与腰部连杆Ⅲ15分别固定连接在第二电机16的机体与转轴上，形成受第二电机16驱动的转动副；腰部连杆Ⅱ13与腰部连杆Ⅲ15各自的另一端分别通过铰链连接在第二支架14上；第二支架14固定连接在后肩梁上。

将第一支架10固定在前肩梁上、第二支架14固定在后肩梁上，腰部结构的运动能够实现单腿行走方法，且能够调节重心以保持平衡。

当执行A腿的单腿行走时，首先在腿部电机驱动下A腿抬起，脱离地面。此时BCD三腿处于着地支撑。由于CD两腿均着地，受地面摩擦力作用，第二支架14(与后肩梁固定连接)将保持固定、不能转动，第一支架10只有B腿着地，在受到推力时容易形成转动。然后，第二电机16运转，带动腰部连杆Ⅳ17与腰部连杆Ⅲ15，进而推动第一支架10，使其形成绕B腿足端的旋转。最后A腿着地。如此，腰部运动实现了A腿的单腿行走方法。在此过程中，根据具体腿部结构的不同，第一电机12可以保持固定不动，也可以与第二电机16一起协调运转。按照类似方法，可以进行其余三腿的单腿行走方法。

在上述A腿的单腿行走过程中，第二驱动电机16具有两个可选择的停止位置，并形成了2种不同腰部形状，如图3、图4所示。考虑到电机与连杆自身的重量，图3中整体结构的重心将处于三角形BCD之内，使机器人处于稳定而不会倾倒的状态。故图3的腰部运动属于优选方法，具有更好的稳定性。简单推理可知，每一个腿的单腿行走过程，均有类似情况。

在上述四足机器人的腰部驱动的行走方法中，每个单腿仅需一个电机，大大简化了腿部的结构；腿部运动也不再需要进行足端轨迹规划，这大大降低了控制难度。在四足机器人的行走过程中，腰部结构与各腿部结构相对独立运作，腿部结构用于完成抬腿离地，腰部结构则在此基础上完成行走，两者的运动不存在紧密的耦合关系，可以相对独立地控制。整体控制难度得到降低。由于整体只需要6个驱动电机，减少了电机的数量，成本将得到显著降低。事实上通过简单的结构优化，令同一梁上的2个腿部共用一个电机，则可进一步简化为只需4个电机，成本优势更加明显。

若单腿跨距不为零，腰部结构的运动将增大四足机器人的步长。简单分析可知，相对于没有腰部驱动能力的四足机器人，具有腰部驱动功能后，机器人的步距将是单腿跨距与腰部结构运动的合成，相比原来情况，步长得到增大。

三、腰部驱动四足机器人的步态规划方法

上述四足机器人的腰部驱动的行走方法，不需要对腿部进行足端轨迹规划，故步态规划是指根据机器人的直行、斜行、转弯、后退等运动模式，分别设计各腿行走的顺序，并计算各腿行走时前肩梁或后肩梁做水平旋转的角度即设计腰部运动。当腿部结构不具有跨步功能时，单腿行走距离仅由腰部运动决定；当腿部结构具有跨步功能时，单腿行走距离由自身跨步运动和腰部运动复合形成。

1.直行

以初始状态(在前肩梁与后肩梁共同的平面内，四个腿部结构安装点的连线构成矩形，如图2所示)作为起始，A腿顺时针旋转θ/2角度，C腿逆时针旋转θ/2角度，此时前肩梁与后肩梁不再平行，而是呈θ夹角。此后按照B腿逆时针转θ角、D腿顺时针转θ角、A腿顺时针转θ角、C腿逆时针转θ角的顺序循环行走，即可实现以平行于Y轴的方向直行前进，如图5所示。各腿行走顺序并不唯一固定，但同一梁上的两腿总是旋转方向相反、旋转角度相同，且四个腿按照对角优先顺序行走。直行运动模式下腰部运动与变形示意图如图6所示。分析图6的腰部形状，其重心总是落在支撑腿的三角形之内，机器人整体处于稳定状态。

2.斜向行走

以初始状态作为起始，按照A腿顺时针转θ角、D腿顺时针转θ角、B腿逆时针转θ角、C腿逆时针转θ角的顺序循环行走，即可实现沿与X轴正向夹角θ/2方向行走，且在一个完整步态后其姿态不变。若以上各腿旋转角度与方向不变，而次序更换为BCAD，则可实现沿与X轴负向夹角θ/2方向行走。斜向行走时，各腿行走顺序并不唯一固定，但同一梁上的两腿总是旋转方向相反、旋转角度相同，且四个腿按照同侧优先顺序行走。斜向行走时腰部运动与变形如图7所示。

3.转弯

机器人实现绕定点的转向运动，等价于刚体绕定点的旋转运动。本发明的转向方法其规则为：机器人在做平面运动时，前肩梁上两腿迈步动作形成的运动，等效于前肩梁与两腿整体绕平面内某点(含无穷远点)的转动，后肩梁亦然；机器人绕定点转弯需满足的条件是：两个等效转动中心都与该定点重合。本发明的转向方法可以简单描述为：在一个完整步态中ABCD四个腿分别转动α、β、γ、

在AB两腿足端均着地时，以两着地点连线的中点为O

类似地，在CD两腿足端均着地时，建立坐标系X

根据以上关系确定各腿行走的具体次序。在转弯的完整步态中，左右腿的行走存在先后关系，但前后两组之间并无限制，所以存在多种方案，效果等价。

S2行走转角计算。

S2.1令沿前进方向的旋转角度为θ，若为顺时针旋转则定义为右转弯，若为逆时针旋转则定义为左转弯；

S2.2利用式(1)和式(2)分别计算得到一个完整步态后的M点与原点O

S2.3若右前腿B先于左前腿A执行单腿行走，则利用式(3)得到左前腿A、右前腿B所在的前肩梁对应的旋转角度α和β：

式(3)中，ρ为共梁足端间距，并由式(4)得到，ψ为共梁足端斜角，并由式(5)得到；

式(4)和式(5)中，E为四足机器人的单腿跨距；

若左前腿A先于右前腿B执行单腿行走，则利用式(6)得到右前腿B、左前腿A所在的前肩梁对应的旋转角度β和α：

S2.4利用式(7)和式(8)分别计算得到一个完整步态后的M点与原点O

S2.5若左后腿D先于右后腿C执行单腿行走，则利用式(9)得到左后腿D、右后腿C所在的后肩梁对应的旋转角度φ和γ：

若右后腿C先于左后腿D执行单腿行走，则利用式(10)得到右后腿C、左后腿D所在的后肩梁对应的旋转角度γ和φ：

转弯(绕右侧某点顺时针转弯，即右转弯)时腰部运动与变形如图9所示。

四、整体实施例

图10所示，是本实施例的一种四足行走机器人，包括腰部结构1(第一支架10、、腰部连杆Ⅰ11、第一电机12、腰部连杆Ⅱ13、第二支架14、腰部连杆Ⅲ15、第二电机16、腰部连杆Ⅳ17。)，四个相似的腿部结构：A腿(A腿腿部连杆Ⅰ20；A腿膝关节电机21；22A腿腿部连杆Ⅱ；A腿足端23)、B腿(B腿腿部连杆Ⅰ30；B腿膝关节电机31；B腿腿部连杆Ⅱ32；B腿足端33)、C腿(C腿腿部连杆Ⅰ40；C腿膝关节电机41；C腿腿部连杆Ⅱ42；C腿足端43)、D腿(D腿腿部连杆Ⅰ50；D腿膝关节电机51；D腿腿部连杆Ⅱ52；D腿足端53)。对于A腿，腿部连杆Ⅰ21固定连接在第一支架10上(此时第一支架10也是前肩梁)。当膝关节电机21转动时，可以使得腿部连杆Ⅱ22产生转动。B腿C腿D腿结构功能与A相似。

运动方法如下。首先A腿膝关节电机21转动，使得A腿的腿部连杆Ⅱ22抬起，从而A腿足端23脱离与地面的接触；然后腰部的第二电机16转动，由于此时BCD三腿均处于着地状态并形成稳定的三角形，故第二电机16的运转将使得腰部连杆Ⅲ15与腰部连杆Ⅳ17转动，最终使得A腿与第一支架10(同时也是前肩梁)一起绕B腿足端33作水平旋转。根据前述计算结果，第二电机16转动至合适位置停止，形成A腿绕B转动α角；最后A腿膝关节电机21反向转动，使得A腿足端23与地面重新接触、支撑。至此，A腿运行结束。按照相似的方法依次完成其余三腿的运行，即可以实现各种运动模式。

在本实施例中，腿部结构不具有跨步功能，参数ρ＝W，Ψ＝0。

若L＝600mm，W＝300mm，定点M位于穿过机器人几何中心点且平行于前肩梁的直线上，且在几何中心点右侧600mm处，则按行走方法与步态规划方法，四足机器人以如下方式完成绕定点M顺时针旋转10度：

S1：步态规划的行走顺序为A→C→B→D；

S1：行走转角计算得：

α＝35.8°(顺时针)

β＝25.8°(逆时针)

γ＝27.2°(逆时针)

φ＝37.2°(顺时针)

由此作如下运动。第一步，A腿膝关节电机21转动使A腿足端23抬起，腰部的第二电机16转动，带动A腿与第一支架10一起绕B腿足端33作水平旋转，顺时针转过α＝35.8°，A腿膝关节电机21反向转动使A腿足端23着地支撑。第二步，类似地，C腿与第二支架14绕D腿足端53逆时针转过27.2°。第三步，B腿与第一支架10绕A腿足端23逆时针转过25.8°。第四步，D腿与第二支架14绕C腿足端43顺时针转过37.2°。转弯结束。在此过程中，腰部可以优选合适的形状与电机位置，以保持机体平衡。