一种用于双足机器人下台阶的稳定行走方法与流程

本发明属于机器人技术领域，尤其涉及一种用于双足机器人下台阶的稳定行走方法。

背景技术：

双足机器人是一种使用腿足式身体结构和仿人步态行走的机器人，其优势在于双足行走带来的多种地形行走能力和强大运动能力，区别于轮式运动机器人，其在台阶、沟坎等非平整地形处仍可保持较强的通过能力。目前的双足机器人已实现在平整路面上的稳定行走，部分双足机器人在遇到低矮障碍时已具备一定的越障能力，在上台阶行走时也可通过视觉、激光等传感信息，配合一定的策略完成部分上台阶行走。但在下台阶行走时，由于视角等原因，台阶的高度等地形信息并不处于视觉和激光等传感器的感知范围内，且由于部分台阶的高度差较小，极易造成机器人视觉系统的误判，导致机器人未能及时采取阶梯行走的控制策略，从而造成机器人的倾倒，此时由于机器人正处于下楼状态，倾倒现象的发生将造成机器人的严重损坏。部分采用视觉推测式判断阶梯地形信息的方法难以获得较为准确的台阶信息，在下台阶时足部和踝关节处受到的冲击较大，极易造成该部分损坏。同时由于机器人的足部运动与重心移动同步进行，若重心调整不及时，足部触地时重心未能落于台阶支撑平面内，机器人也将发生倾倒现象，难以保持平衡。

中国专利号cn105074600a公开的一种机器人周围环境识别装置、自主移动系统以及周围环境识别方法，采用视觉和距离传感器探测机器人前方地形，通过算法生成地面三维坐标数据，从而判断机器人前方是否存在台阶等障碍物。该方法可以实现机器人前方障碍的快速判断，但该方法仅对台阶等障碍物作出了位置判断，主要用于轮式机器人的避障等，无法满足腿足式机器人对台阶等障碍物具体信息的获知要求。

中国专利号cn104002880a公开的一种带有导臂的履带式移动机器人自主上下楼梯控制方法采用履带结构实现机器人的上下楼梯功能，采用双目视觉传感器和三轴力传感器实现楼梯位置判断和自动对准。该方法可实现一定程度上的楼梯运动，但采用视觉和力传感器仍无法获知台阶的准确信息，只能依靠履带的自适应性进行上下阶梯运动，机器人整体缺乏稳定行，控制难度高，且该方法对楼梯的陡峭程度作出了限制，只适用于较为平缓的台阶上，无法满足腿足式机器人对台阶行走能力的要求。

中国专利号cn102324099a公开的一种面向仿人机器人的台阶边缘检测方法采用视觉传感和图像处理的方式，得到了较为准确的台阶边缘信息，并通过对算法的优化，满足了机器人视觉实时性和精确性的要求。利用该方法可以获取到台阶边缘信息，但对于需要下台阶行走的腿足式机器人而言，台阶的高度等具体信息是必须的，且在无足部传感器信号反馈的前提下，机器人难以保证在落足时的稳定性。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种用于双足机器人下台阶的稳定行走方法。本发明利用机器人足部的传感器，结合机器人视觉信息提前快速获知机器人所处台阶的具体地形信息，使得机器人提前作出判断，并进行相应步态调整；同时采用足部下探式行走方式获得实际台阶接触情况后再执行进一步行走命令，保证机器人在台阶等小触地面积地面行走时的稳定性；主要利用机器人足部的感知能力，适用于各类腿足式机器人，具有执行快速、运动准确、稳定可靠等特点。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种用于双足机器人下台阶的稳定行走方法，所述双足机器人利用机器人台阶地形传感足部安装的传感器，辅以视觉传感器完成台阶地形的快速检测，并通过控制足部的下探过程和重心移动过程，完成机器人的平稳落地；机器人台阶地形传感足部包括足底触地层、中间感知层和上部运动层，所述足底触地层包含柔性缓冲减震部件和超声波距离传感器阵列，超声波距离传感器的数量和位置依照实际足部大小和形状确定；所述中间感知层包含足底压力传感器阵列，压力传感器的数量和位置依照实际足部大小和形状确定；所述上部运动层包含足部主体结构、二自由度踝关节、足部传感器处理电路；足部结构的整体形状为平板式，行走方式为足底平行于地面的踏步式步态。

进一步地，在台阶感知过程中，足部超声波距离传感器随足部运动，在部分或全部探出台阶时，持续探测并返回足底距离地面的高度，由不同传感器返回的距离信息获知台阶的高度差为：

其中，为该级台阶高度差，为探出台阶传感器返回的距离值，为探出台阶传感器的数量，为未探出台阶传感器返回的距离值，为未探出台阶传感器的数量。

进一步地，足部超声波距离传感器随足部运动，当传感器越过台阶边缘时，返回的距离传感数值将产生显著变化，根据传感器在足部的安装位置，以及足部运动速度，获知并修正台阶边缘的位置为：

其中，为传感器测得的台阶边缘与足部未向前移动前足部中心初始位置的距离，为足部向前移动的速度，为传感器返回的距离值发生显著变化的时间，为传感器与足部中心在足长方向上的距离，为由探出台阶传感器测得值线性回归得到的台阶边缘直线的表达式。

进一步地，足部超声波距离传感器和足底压力传感器在足部下探的过程中，根据安装于足部各处的传感器返回的不同数据，进一步探知该级台阶的宽度为：

其中，为由超声波距离传感器测得值线性回归得到的该级台阶边缘直线的表达式，为由超声波距离传感器测得值线性回归得到的下一级台阶边缘直线的表达式，为该级台阶的宽度。

进一步地，机器人重心在足部伸出进行下探之前，移动至用于站立的支撑足，并在感知足部伸出台阶及下探的过程中，保持机器人重心的投影始终落于支撑足部与地面的接触平面内，即

其中，为机器人重心在脚宽方向上的投影，为足部中心在脚宽方向上的坐标，为足部宽度，为机器人重心在脚长方向上的投影，为足部中心在脚长方向上的坐标，为足部长度。

进一步地，机器人用于台阶感知的足部在下探的过程中，参照超声波和力传感器信息得到的台阶高度差和边缘位置，依据一定的移动策略进行快速稳定的下探过程，该移动策略表示为：

其中，为足部下探的实际速度，为足部下探的最大速度；为超声波传感器测得的足部与台阶间的实际距离，为测得的台阶高度差；、、为足部下探速度系数，使得下探速度由快到慢，由机器人设计参数和运动能力决定。

进一步地，机器人用于台阶感知的足部在下探触及地面时，根据超声波和压力传感器信息，获得稳定落地的足部支撑范围和足部姿态为：

其中，为由超声波传感器测得值线性回归得到的第j级台阶边缘直线的表达式，为机器人重心在脚宽方向上的投影，为足部中心在脚宽方向上的坐标，为足部宽度，为机器人重心在脚长方向上的投影，为足部中心在脚长方向上的坐标，为足部长度。

进一步地，机器人获得完整台阶感知信息和稳定落地信息后，将重心移动至已位于下一级台阶上的足部稳定支撑平面内，并切换该足部为支撑足，另一足部为下一级台阶的感知足部。

本发明的有益效果如下：

（1）本发明适用于各种构型的双足机器人，仅对足部结构有一定要求，具有较强的通用性。利用双足机器人腿足运动较为灵活的特点，使用足部进行台阶感知具有执行快速、运动准确、稳定可靠等特点；

（2）足部的下探式台阶行走方式保证了机器人在下台阶行走时重心始终落于稳定支撑区域内，避免了倾倒现象的发生。同时足部的台阶感知和稳定行走控制过程相结合，在一次步行流程内同时完成两项任务，使得双足机器人的下台阶步行过程同时具有较高的效率和较好的稳定性。

附图说明

图1是本发明实施例的立体结构示意图；

图2是本发明实施例的侧视图；

附图标号：1-足底触地层；101-柔性缓冲减震部件；102-超声波距离传感器阵列；2-中间感知层；201-压力传感器阵列；3-上部运动层；301-足部主体；302-二自由度踝关节；303-传感器处理电路。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

本发明的技术构思在于：针对双足机器人下台阶行走的难点提出了一种快速稳定的解决方案，充分利用足部运动的灵活性和各类传感器，克服了传统仅依靠视觉进行路面地形判断所带来的不足，将整个足部变为具有台阶感知能力的一套系统，安装各类用于检测和探知台阶信息的传感器阵列，保证双足机器人原有足部功能不受影响的同时，有效提升了机器人在下台阶时对于台阶具体地形信息的感知准确度和可靠性。本发明将传统被动式台阶感知适应过程变为主动式探知过程，在传统视觉信息中加入了距离和力反馈信息，使感知过程更加可靠。在足部运动并感知台阶信息的同时，本发明提供的双足机器人台阶稳定行走方式，所述双足机器人将控制重心移动和各部位姿态，以确保机器人在下台阶行走和台阶处站立时的自身稳定，可有效避免机器人在下台阶过程中，由于重心位置不正确或姿态控制不正确等问题而导致的倾倒现象。本发明将传统足部与重心同时移动的行走方式更改为适合下台阶行走的重心后动方式，可有效提升双足机器人台阶行走的稳定性。本发明利用足部感知获得的台阶具体信息，结合稳定行走方式，使得双足机器人可以可靠地完成下台阶行走。

本发明一种用于双足机器人下台阶的稳定行走方法，主要利用机器人台阶地形传感足部安装的传感器，辅以原有视觉传感器完成台阶地形的快速检测；并通过控制足部的下探过程和重心移动过程，完成机器人的平稳落地。机器人获得完整台阶感知信息和稳定落地信息后，将重心移动至已位于下一级台阶上的足部稳定支撑平面内，并切换该足部为支撑足，另一足部则变为下一级台阶的感知足部。

参照图1，本发明中机器人台阶地形传感足部主要包括足底触地层1、中间感知层2和上部运动层3。足底触地层1主要包含柔性缓冲减震部件101和超声波距离传感器阵列102，超声波距离传感器的数量和位置依照实际足部大小和形状确定。中间感知层2主要包含压力传感器阵列201，压力传感器的数量和位置依照实际足部大小和形状确定。上部运动层3主要包含足部主体301、二自由度踝关节302、足部传感器处理电路303。如图2所示，机器人台阶地形传感足部结构的整体形状为平板式，行走方式主要为足底平行于地面的踏步式步态。

本发明一种双足机器人下台阶的快速检测方法，包括获知台阶的高度差、获知并修正台阶边缘位置和探知台阶的宽度，具体为：

（a）首先机器人视觉系统根据图像初步检测出台阶边缘位置供参考，该步骤主要用于在远距离对台阶进行识别定位，起辅助作用，精度要求不高，机器人可利用该结果快速接近台阶所在位置，之后再使用本发明提供的更为快速和精确的检测方法。

在台阶感知过程中，所述超声波距离传感器阵列102随足部运动，在部分或全部探出台阶时，将持续探测并返回足底距离地面的高度；由探出台阶传感器返回的距离信息、探出台阶传感器数量、未探出台阶传感器返回的距离信息以及未探出台阶传感器数量，可获知台阶的高度差为：

（b）持续采集超声波距离传感器阵列102的数据，由于超声波距离传感器阵列102随足部运动，当传感器越过台阶边缘时，返回的距离传感数值将产生显著变化。以某一超声波传感器为例，根据足部向前移动的速度，传感器返回的距离值发生显著变化的时间，以足部中心为原点，足部运动方向为y轴，垂直于足部运动方向为x轴，传感器与足部中心在足长方向上的距离，传感器测得的台阶边缘与未移动前足部中心的距离和台阶边缘直线表达式为：

其中，距离有正负，若机器人前向行走，则足前掌所在的一半传感器为正，足后跟所在的一半传感器为负。为由探出台阶传感器测得值线性回归得到的台阶边缘直线的表达式，此处利用两级台阶的高度变化，当距离传感器探出某一级台阶时，其读数会发生显著变化，利用时间参数，以及传感器安装位置和足部移动速度等参数，由移动过程中距离传感器阵列获得的数据，采用统计学方法，利用线性回归方式拟合得到台阶边缘直线表达式。

（c）超声波距离传感器阵列102和压力传感器阵列201在足部下探的过程中，根据超声波距离传感器测得值线性回归得到的该级台阶边缘直线的表达式，以及由超声波距离传感器测得值线性回归得到的下一级台阶边缘直线的表达式，可进一步探知该级台阶的宽度为：

本发明一种用于双足机器人下台阶的稳定行走方法，包括以下步骤：

（1）机器人重心在足部伸出进行下探之前，移动至用于站立的支撑足，并在感知足部伸出台阶及下探的过程中，保持机器人重心的投影始终落于支撑足部与地面的接触平面内。若已知足部中心在脚宽方向上的坐标，足部宽度，足部中心在脚长方向上的坐标，以及足部长度，则机器人重心在脚宽方向上的投影和机器人重心在脚长方向上的投影须满足：

（2）足部在下探时，参照台阶高度差和台阶边缘位置，将下探过程分成三段，每一段的下探速度不同且由快到慢，进行快速稳定的下探过程，具体为：已知足部下探的最大速度，测得的台阶高度差，由机器人设计参数和运动能力决定的足部下探速度系数，以及超声波距离传感器阵列102测得的足部与台阶间的实际距离，则足部下探的实际速度的变化策略为：

（3）足部在下探触及地面时，根据超声波距离传感器阵列102和压力传感器阵列201信息，获得可以稳定落地的足部支撑范围和足部姿态，具体为：已知由传感器测得值线性回归得到的该级台阶j边缘直线的表达式，足部中心在脚宽方向上的坐标，足部宽度，足部中心在脚长方向上的坐标，足部长度，则机器人重心在脚宽方向上的投影和机器人重心在脚长方向上的投影须满足：

上述实施例仅仅是本发明技术构思实现形式的列举，本发明的保护范围不仅限于上述实施例，本发明的保护范围可延伸至本领域技术人员根据本发明的技术构思所能想到的等同技术手段。

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