一種仿人足球機(jī)器人全向行走方式

陳晴晴 胡嘉睿 吳惠明 南京郵電大學(xué)

引言

一種仿人足球機(jī)器人全向行走方法，其特點(diǎn)在于是一種基于CMAC閉環(huán)控制的步態(tài)規(guī)劃算法，如文獻(xiàn)[1-2]所述?；谠摲椒C(jī)器人能隨時(shí)改變自身的朝向、靈活地轉(zhuǎn)身和快速地前進(jìn)。文章提供一種使仿人機(jī)器人平穩(wěn)行走并可以實(shí)現(xiàn)帶預(yù)測控制的全向行走方式，具有使機(jī)器人行走穩(wěn)定性高、行走速度可控性好、自我反饋調(diào)節(jié)迅速等特點(diǎn)。

1 步態(tài)動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法

步態(tài)動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法即利用逆運(yùn)動(dòng)學(xué)，通過修改腳的軌跡實(shí)現(xiàn)對(duì)其自身質(zhì)心的調(diào)整，達(dá)到機(jī)器人步態(tài)的動(dòng)態(tài)規(guī)劃。

1.1 逆運(yùn)動(dòng)學(xué)

逆運(yùn)動(dòng)學(xué)實(shí)現(xiàn)方式即將腳的移動(dòng)的一個(gè)周期分為“移動(dòng)”和“轉(zhuǎn)移”兩個(gè)階段，兩個(gè)階段各持續(xù)半周期，順序運(yùn)行，并調(diào)換雙腳。兩個(gè)階段實(shí)現(xiàn)一個(gè)類似于行走的運(yùn)動(dòng)。具體地，左腳的位置相對(duì)于軀干的位置P_lRel、右腳的位置相對(duì)于軀干的位置P_rRel的計(jì)算如式（1）、（2）。

其中，ol和or是腳的原始位置，slLift和srLift是用于表示左腳和右腳移動(dòng)的總偏移量，sl和sr是當(dāng)前步長，tlLift和trLift表示雙腳移動(dòng)的軌跡，tlMove和trMove用于改變步伐大小，tl和tr是用于減去步長的余弦量。

1.2 質(zhì)心的調(diào)整

腳相對(duì)于質(zhì)心的位置是通過使用腳相對(duì)于姿態(tài)質(zhì)心的位置，并將軌跡的值添加到這些位置的y坐標(biāo)中來確定的；由于計(jì)算出的腳的位置是相對(duì)于質(zhì)心的，所以在計(jì)算腳的位置時(shí)，必須考慮添加另一個(gè)身體的旋轉(zhuǎn)軌跡，然后根據(jù)所需要腳相對(duì)于質(zhì)心的位置，計(jì)算另一個(gè)偏移量，并將其添加到相對(duì)于軀干的腳位置，以計(jì)算出與軀干相對(duì)的坐標(biāo)下，腳相對(duì)于質(zhì)心的位置。plCom、prCom所需的腳位置可以計(jì)算如式（3）、（4）。

cs是相對(duì)于軀干質(zhì)心的偏移量，ss是描述質(zhì)心沿y軸運(yùn)動(dòng)振幅的向量，tcom是質(zhì)心運(yùn)動(dòng)的參數(shù)化軌跡因此，根據(jù)xc (for s(p))、yc (for r(p))和zc (for l(p)的比值，將sin (s(p))、sin (r(p))的平方根和線性(l(p)的組成部分合并。

根據(jù)所需要腳相對(duì)于質(zhì)心的位置，計(jì)算另一個(gè)偏移量，并將其添加到相對(duì)于軀干的腳位置(PlRel)和(PrRel)，以實(shí)現(xiàn)與軀干相對(duì)的坐標(biāo)下相對(duì)于質(zhì)心腳的位置；對(duì)于額外偏移量的計(jì)算，由于所需要的質(zhì)心位置在兩個(gè)周期之間不會(huì)發(fā)生顯著變化，因此，考慮到當(dāng)前的腿，胳膊和頭的立場和偏移前框架，腳的位置相對(duì)于質(zhì)心是確定的；這些腳的位置和想要的腳的位置之間的差異被添加到舊的偏移量以得到新的；額外偏移量(enew)可以使用舊偏移量(eold)計(jì)算如下：

最后，plRel-enew和prRel-enew是用于創(chuàng)建關(guān)節(jié)角的位置，其原因如式（6）、（7）所示：

1.3 軌跡規(guī)劃

基于CMAC的軌跡規(guī)劃其作用是產(chǎn)生足部運(yùn)動(dòng)的軌跡，使之能夠向目標(biāo)方向行動(dòng)。為了計(jì)算兩點(diǎn)間的軌跡，這里采用了貝塞爾曲線，通過簡單的推導(dǎo)來計(jì)算，見式（8）。

式中b(t)表示結(jié)果，pi表示節(jié)點(diǎn)，t表示插值時(shí)間，利用之前得到重心平移軌跡和三次插值得到的足部軌跡可以算出機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)角，并利用機(jī)器人的陀螺儀得到姿態(tài)情況，形成CMAC反饋控制。

2 目標(biāo)定位方法

仿人機(jī)器人的目標(biāo)定位方法可按以下步驟進(jìn)行：

(1）確定目標(biāo)物體，利用高斯濾波、Canny邊緣檢測和harris角點(diǎn)檢測等方法檢測出足球的圖像；

(2）利用粒子濾波濾除圖像中的噪點(diǎn)和奇異值，并將所確定的目標(biāo)物體作為追蹤目標(biāo)；

(3）基于參數(shù)估計(jì)理論中的Fisher信息矩陣和CRB定理進(jìn)行可定位性估計(jì)，得到所確定目標(biāo)物體的定位。

(4）利用攝像機(jī)所拍攝的圖像來還原空間中的物體，運(yùn)用棋盤標(biāo)定法精確定位出目標(biāo)物體的位置數(shù)據(jù)，從而達(dá)到定位精確的效果。

這里采用高斯濾波是一種線性平滑濾波，廣泛用于圖像處理中的減噪過程。簡單來說，高斯濾波就是對(duì)整幅圖像進(jìn)行加權(quán)平均的過程，對(duì)抑制服從正態(tài)分布的噪聲非常有效。具體操作是用一個(gè)卷積掃描圖像的每一個(gè)像素，用卷積確定的領(lǐng)域內(nèi)像素的加權(quán)平均灰度值去替代卷積中心像素點(diǎn)的值。

仿人機(jī)器人在準(zhǔn)確識(shí)別出目標(biāo)物體后，采用網(wǎng)格標(biāo)定的方法精準(zhǔn)定位目標(biāo)物體，大大提升了機(jī)器人準(zhǔn)確度。通過過這樣的過程，獲得高精度的4個(gè)內(nèi)參和6個(gè)外參，利用這些信息，最終實(shí)現(xiàn)三維信息恢復(fù)，達(dá)到精準(zhǔn)定位的目的。

3 結(jié)語

本文使用的機(jī)器人行走機(jī)制，首先選擇軀干重心的位置，規(guī)劃出軌跡，然后計(jì)算出足部的落腳點(diǎn)以確定足部的相對(duì)位置，采用三次插值得到足部曲線結(jié)合機(jī)器人姿態(tài)構(gòu)成CMAC閉環(huán)控制，在機(jī)器人捕捉到圖像后進(jìn)行高斯濾波后捕捉到目標(biāo)物體，在棋盤定標(biāo)的基礎(chǔ)上得到位置數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位。