一种双轮足式机器人轨迹规划方法和装置

本发明涉及机器控制领域，特别是涉及一种双轮足式机器人轨迹规划方法和装置。

背景技术：

1、随着机器人技术的不断进步，移动机器人的应用范围越来越广泛，涵盖工业、医疗、物流等多个领域。双轮足式机器人因其结合了轮式机器人和足式机器人的优势，逐渐成为研究和应用的热门课题。在双轮足式机器人中，轨迹规划与控制是实现其稳定运动的两个关键问题。轨迹规划负责生成机器人从起点到终点的运动路径，而控制器则负责跟踪该轨迹并执行具体的运动。然而，由于双轮足式机器人结构的复杂性以及其动力学特点，如何规划出便于控制器跟踪的轨迹仍然面临较大的挑战。

2、传统的轨迹规划方法，通常注重路径的可行性和最优性，如最短路径或最小能耗等。然而，这些规划方法未必能够生成适合双轮足式机器人运动特点的轨迹。例如，规划出的轨迹可能包含较为复杂的运动曲线，导致控制器在跟踪过程中难以实现，影响机器人的平稳运动与控制精度。此外，双轮足式机器人在不平坦地形上行驶时，需要特别考虑重心的变化和稳定性问题，这使得轨迹规划与控制的耦合问题变得更加复杂。

3、目前，已有的解决方法大多专注于控制层面的优化，例如通过设计更复杂的控制算法来应对轨迹跟踪中的误差。然而，这种方法通常会增加控制系统的复杂性，同时也对计算资源提出了更高的要求，导致实时性较差，且容易出现控制不稳定的情况。为了简化控制器的设计和提升跟踪精度，迫切需要一种新的轨迹规划方法，使得规划出的轨迹更加适合控制器的执行，从而提高控制系统的整体性能。尽管控制算法的优化能够在一定程度上解决轨迹跟踪中的问题，但大多数现有方法未能从根本上解决轨迹规划与控制系统之间的耦合问题。传统的轨迹规划方法注重路径最优性，而忽视了控制器对轨迹跟踪的要求，这使得控制器在实际执行时面临较大的误差和负担。为了解决这一问题，亟需一种新的轨迹规划方法，使得规划出的轨迹不仅符合机器人动力学特性，对机器人控制器的要求还不高，使其更易于执行和跟踪。

技术实现思路

1、针对上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

2、根据本发明的第一方面，提供了一种双轮足式机器人轨迹规划方法，所述方法包括如下步骤：

3、s100，将双轮足式机器人简化成包括基座、腿部和轮子的结构，作为目标结构，并基于该目标结构构建描述机器人平衡状态的核心动力学特性的动力学模型。

4、s200，利用初始轨迹优化模型对双轮足式机器人的初始轨迹进行优化，得到初步优化轨迹；其中，所述初始轨迹优化模型基于双轮足式机器人所执行任务所需要添加的约束构建。

5、s300，利用目标轨迹优化模型对所述初步优化轨迹进行优化，得到目标优化轨迹；所述目标轨迹优化模型基于双轮足式机器人的动力学模型构建。

6、根据本发明的第二方面，提供了一种双轮足式机器人轨迹规划装置，所述装置包括：

7、动力学模型构建模块，用于将双轮足式机器人简化成包括基座、腿部和轮子的结构，作为目标结构，并基于该目标结构构建描述机器人平衡状态的核心动力学特性的动力学模型。

8、初始轨迹优化模块，用于利用初始轨迹优化模型对双轮足式机器人的初始轨迹进行优化，得到初步优化轨迹；其中，所述初始轨迹优化模型基于双轮足式机器人所执行任务所需要添加的约束构建。

9、目标轨迹优化模块，用于利用目标轨迹优化模型对所述初步优化轨迹进行优化，得到目标优化轨迹；所述目标轨迹优化模型基于双轮足式机器人的动力学模型构建。

10、本发明至少具有以下有益效果：

11、本发明实施例提供的双轮足式机器人轨迹规划方法，首先基于双轮足式机器人的目标结构构建描述机器人平衡状态的核心动力学特性的动力学模型；接着，利用基于双轮足式机器人所执行任务所需要添加的约束构建的初始轨迹优化模型对双轮足式机器人的初始轨迹进行优化，得到初步优化轨迹；最后利用基于双轮足式机器人的动力学模型构建的目标轨迹优化模型对所述初步优化轨迹进行优化，得到目标优化轨迹。本发明由于考虑机器人的部分动力学模型，对初步优化轨迹进一步优化，拓展了轨迹的维度，使优化后的目标优化轨迹不仅仅包含机器人重心的空间信息和时间信息，还包含了能够描述机器人主要运动特性的其他状态信息，能够确保系统的平衡性和动态稳定性，使得轨迹更容易被控制器跟踪，并且提高机器人对轨迹的跟踪精度的同时，还能够降低机器人实现高精度轨迹跟踪对控制器的要求，能够增强控制部分的鲁棒性。

12、应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

技术特征：

1.一种双轮足式机器人轨迹规划方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括如下步骤:

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述动力学模型满足如下条件：

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，其中，所述目标轨迹优化模型满足如下条件：

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述初始轨迹优化模型满足如下条件：

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，js满足如下条件：

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，jt满足如下条件：

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，jm满足如下条件：

9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，jd满足如下条件：

10.一种双轮足式机器人轨迹规划装置，其特征在于，所述装置包括：

技术总结
本发明涉及机器控制领域，特别是涉及一种双轮足式机器人轨迹规划方法和装置，包括：基于双轮足式机器人的目标结构构建描述机器人平衡状态的核心动力学特性的动力学模型；利用基于双轮足式机器人所执行任务所需要添加的约束构建的初始轨迹优化模型对双轮足式机器人的初始轨迹进行优化，得到初步优化轨迹；利用基于双轮足式机器人的动力学模型构建的目标轨迹优化模型对初步优化轨迹进行优化，得到目标优化轨迹。本发明能够提高速度跟踪性能、降低控制器的参数敏感性、简化控制器的参数优化过程和提高控制器的鲁棒性。

技术研发人员：卢彪,幸星海,方勇纯
受保护的技术使用者：南开大学深圳研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5