【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及机器人运动规划的，尤其是涉及一种基于动力学模型的全向四足机器人节能运动规划方法。
技术介绍
1、四足机器人近年来得到了人们的广泛关注,相比于轮式机器人系统,其拥有更好的灵活性和可靠性。腿足式机器人相比于轮式机器人与履带式机器人，对崎岖地形的适应能力更强，可应用于复杂地形的物质运输、野外勘测、灾祸救援及高危环境作业。
2、当前基于梯度的无欧几里得距离场的运动规划框架主要适用于三维空间中的四旋翼等飞行机器人，而对于二维平面上的机器人，尤其是四足机器人，相关研究较为有限。此外，现有技术在规划过程中往往未从力学角度评估能量消耗，并且执行机构的约束以及着地冲击对下肢结构的影响亦未得到足够的关注。这种疏忽可能导致生成的行进轨迹在实践中不具可行性，并可能引发设备损伤，从而对系统的整体性能产生不利影响。
技术实现思路
1、本专利技术的目的就是为了降低地面对四足机器人的冲击，进而减少由此冲击导致的对机器人部件的损害而提供的一种基于动力学模型的全向四足机器人节能运动规划方法，。
2、本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
3、一种基于动力学模型的全向四足机器人节能运动规划方法，方法包括以下步骤：
4、s1、获得实际场景的障碍物信息；
5、s2、获取四足机器人的实时位姿；
6、s3、根据实时位姿确定的起始点约束，求解最小化加加加速度作为目标函数的优化问题，将求解得到的时间轨迹用均匀b样条曲线φ参数化，若机器人的雷
7、s4、构建位置可行项和方向角平滑项，并建立四足机器人动力学模型，基于四足机器人动力学模型构建触地力优化项；
8、s5、基于位置可行项、角速度和角加速度约束以及摩擦锥约束制定动力学可行性约束，基于动力学可行性约束、触地力优化项、方向角平滑项构建总的成本函数，求解所述成本函数构成的无约束非线性优化问题，得到安全轨迹；
9、s6、判断安全轨迹是否动力学可行，若是，则结束运动规划，反之执行s7；
10、s7、重规划得到可行轨迹，判断可行轨迹是否动力学可行，若是则结束运动规划，反之重复s7。
11、进一步地，所述根据实时位姿确定的起始点约束，求解最小化加加加速度作为目标函数的优化问题的步骤具体为：
12、选取四足机器人的实时位姿的位置作为起点，并选择终点，随机起点和终点之间的中间点得到初始轨迹φ0，所述初始轨迹φ0由多个分段轨迹组成，基于分段轨迹构建代价函数，设置代价函数的约束条件，形成最小化加加加速度作为目标函数的优化问题，求解优化问题，得到各个中间点的运动状态，将各个中间点的运动状态代入初始轨迹φ0，得到时间轨迹。
13、进一步地，所述代价函数为：
14、
15、其中，tm表示tm时刻，p(t)表示初始轨迹在t时刻的轨迹信息，pn表示初始轨迹的n次项系数；
16、所述代价函数的约束条件为：
17、
18、其中，pm表示初始轨迹第m段分段轨迹的tm时刻的轨迹信息，k表示k阶导数。
19、进一步地，所述参数化的曲线是由齐次数pb、节点跨度δt和nc个控制点{qi,θi}唯一确定的分段多项式，qi∈r3，表示控制点的位置信息，i∈n+,θi表示第i个控制点处机器人的方向角；
20、避障项为：
21、
22、其中，
23、
24、其中jc(i,j)是第j个障碍物在控制点qi产生的碰撞代价，j∈n，np表示障碍物的数目，sf表示安全距离，dij表示从qi到第j个障碍物的障碍距离。
25、进一步地，所述位置可行项为：
26、
27、其中，
28、
29、其中，ωvωaωj是每一项的权重，f(·)是控制点的高阶导数的两次连续可微的度量函数，vi,ai,ji分别表示控制点的速度，加速度，加加速度，cm是导数极限,cj是二次区间和三次区间的分裂点，λ是弹性系数。
30、进一步地，所述方向角平滑项为：
31、
32、其中，
33、
34、其中，wωa和wωj是各项的权重，ωi,分别表示控制点处的角速度，角加速度，角加加速度。
35、进一步地，所述触地力优化项为：
36、
37、其中，f表示对地面对作用力，对地面对作用力基于四足机器人动力学模型确定。
38、进一步地，所述动力学可行性约束为：
39、jd＝jfd+jθd+jpd
40、其中，
41、
42、其中，是每一项的权重，u表示约束变量，γ表示约束的权重，fkx，fky，fkz表示对地面对作用力沿着x、y和z三个轴向的分量，jθd表示角速度和角加速度约束，jfd表示摩擦锥约束。
43、进一步地，s3中构建避障项时，成本函数为：
44、j＝λdjd+λcjc+λeje+λθsjθs
45、其中，λd，λc，λe，λθs分别为各项的权重；
46、s3中未构建避障项时，成本函数为构建避障项时的成本函数去除避障项和避障项权重后的函数。
47、进一步地，s7的具体步骤为：
48、对于动力学上不可行的安全轨迹，采用各向异性曲线拟合方法，首先计算超出限制的比率，然后根据比率得到可行轨迹的时间跨度，并构建可行轨迹的惩罚函数j′为：
49、
50、其中，
51、
52、λf是适应度项的权重，t和t′分别是安全轨迹φs和可行轨迹φf的轨迹持续时间，α∈[0,1]，a和b分别是椭圆的长半轴和短半轴。
53、与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
54、(1)本专利技术设计的成本函数，对四足机器人的触地力进行优化，使能耗下降，并降低地面对四足机器人的冲击，进而减少由此冲击导致的对机器人部件的损害，同时减少了运动时间，使轨迹变得更加平滑，同时，本专利技术制定了由地面反作用力不等式约束形成的摩擦金字塔以及运动学约束，符合四足机器人动力学特性，满足执行器的限制，确保优化轨迹的可执行性。
55、(2)本专利技术将约束作为附加二次罚项添加到目标函数中，将有约束的非线性优化问题转换为无约束非线性优化问题，降低了计算成本，提高了快速在线求解器的效率。
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1.一种基于动力学模型的全向四足机器人节能运动规划方法，其特征在于，方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于动力学模型的全向四足机器人节能运动规划方法，其特征在于，所述根据实时位姿确定的起始点约束，求解最小化加加加速度作为目标函数的优化问题的步骤具体为：
3.根据权利要求2所述的一种基于动力学模型的全向四足机器人节能运动规划方法，其特征在于，所述代价函数为：
4.根据权利要求1所述的一种基于动力学模型的全向四足机器人节能运动规划方法，其特征在于，所述参数化的曲线是由齐次数pn、节点跨度Δt和Nc个控制点{Qi,θi}唯一确定的分段多项式，Qi∈R3，表示控制点的位置信息，i∈N+,θi表示第i个控制点处机器人的方向角；
5.根据权利要求4所述的一种基于动力学模型的全向四足机器人节能运动规划方法，其特征在于，所述位置可行项为：
6.根据权利要求5所述的一种基于动力学模型的全向四足机器人节能运动规划方法，其特征在于，所述方向角平滑项为：
7.根据权利要求6所述的一种基于动力学模型的全向四足机器人节能运
8.根据权利要求7所述的一种基于动力学模型的全向四足机器人节能运动规划方法，其特征在于，所述动力学可行性约束为：
9.根据权利要求8所述的一种基于动力学模型的全向四足机器人节能运动规划方法，其特征在于，S3中构建避障项时，成本函数为：
10.根据权利要求9所述的一种基于动力学模型的全向四足机器人节能运动规划方法，其特征在于，S7的具体步骤为：
...【技术特征摘要】
1.一种基于动力学模型的全向四足机器人节能运动规划方法，其特征在于，方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于动力学模型的全向四足机器人节能运动规划方法，其特征在于，所述根据实时位姿确定的起始点约束，求解最小化加加加速度作为目标函数的优化问题的步骤具体为：
3.根据权利要求2所述的一种基于动力学模型的全向四足机器人节能运动规划方法，其特征在于，所述代价函数为：
4.根据权利要求1所述的一种基于动力学模型的全向四足机器人节能运动规划方法，其特征在于，所述参数化的曲线是由齐次数pn、节点跨度δt和nc个控制点{qi,θi}唯一确定的分段多项式，qi∈r3，表示控制点的位置信息，i∈n+,θi表示第i个控制点处机器人的方向角；
5.根据权利要求4所述...
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