具体实施方式

为使得本申请的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而非全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在此本申请说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本申请。如在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

如在本说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。

另外，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本申请实施例中机器人基于视觉检测障碍物尺寸，根据障碍物的尺寸从步态库中选择不同的步态，避开障碍物，到达目标点。需要注意的是，在本申请实施例中机器人均为双足机器人，本申请实施例中使用笛卡尔坐标系，该坐标系以机器人的行进方向为x轴正向，以x轴正向在水平面上逆时针旋转90度的方向为y轴正向，以竖直向上的方向为z轴正向，三个坐标轴之间互相垂直。

请参阅图1，本申请实施例中一种动态避障的步态规划方法的一个实施例可以包括：

步骤S101、在机器人的行进路径上进行障碍物检测。

在本申请实施例中，可以预先建立一个包括各种步态的步态库，其中可以包括但不限于：

止步步态S0：原地踏步后停下；

正常步态S1：双足机器人快速行走，前进步速增加至最高水平，同时打开足部俯仰角(pitch)姿态规划以增加腿长；

绕步步态S2：减小前进步速到中等水平，同时关闭足部俯仰角姿态规划，开启足部偏航角(yaw)姿态规划以用于转弯规划；

跨步步态S3：减小前进步速到最低水平，同时关闭足部俯仰角姿态规划。

若未检测到障碍物，则从所述步态库中选取所述正常步态，并按照所述正常步态进行所述机器人的步态规划。

若检测到障碍物，则执行步骤S102及其后续步骤。

步骤S102、通过视觉测量所述障碍物的包络尺寸。

如图2及图3所示，当所述机器人前方存在一个障碍物时，可以通过视觉检测出所述障碍物的包络尺寸，也即所述障碍物的包络长方体的尺寸，此处将所述障碍物的包络尺寸记为[l₀，d₀，h₀]^T，其中，l₀为包络长度，也即所述包络长方体的长度，d₀为包络宽度，也即所述包络长方体的宽度，h₀为包络高度，也即所述包络长方体的高度。

在测量出所述障碍物的包络尺寸之后，则可以判断所述障碍物的包络尺寸小于预设的尺寸阈值，即判断是否同时满足：所述包络长度小于预设的长度阈值，且所述包络高度小于预设的高度阈值。所述长度阈值和所述高度阈值的具体取值可以根据所述机器人的实际情况进行设置，本申请实施例对此不作具体限定。

若所述障碍物的包络尺寸小于所述尺寸阈值，则执行步骤S103，若所述障碍物的包络尺寸大于或等于所述尺寸阈值，则执行步骤S104。

步骤S103、按照预设的跨步步态进行所述机器人的步态规划。

在跨越障碍物时，主要需要考虑摆动腿的规划，即摆动腿在整个摆动周期不能与障碍物的包络面有交叉，避免机器人在抬脚过程中被障碍物绊倒。在跨越障碍物时主要考虑前向(x方向)与纵向(z方向)的规划，在本申请实施例中，如图4所示，可以对摆动腿进行如下的轨迹规划：

(a)刚开始抬腿时，摆动腿垂直上升；(b)摆动腿离开地面一定高度后继续上升，同时后摆一定距离以产生足够的余量，然后前进；(c)在摆动腿上升至障碍物高度时，前向不能碰到障碍物；(d)在摆动腿上升至最大高度后，水平前进一段距离；(e)在摆动腿水平前进的过程同时开始下落；(f)摆动腿下落至障碍物高度时，水平前进距离超过障碍物包络。

对前向与纵向进行规划时，通常会指定关键点的运动学信息拟合出规划轨迹。在这一过程中，首先可以根据预设的水平安全距离、垂直安全距离和所述障碍物的包络尺寸确定所述机器人的步长和步高。如图5所示，假设期望的步长为l，步高为h，水平安全距离为d_l，垂直安全距离为d_h，则需满足l≥l₀+2d_l，h≥h₀+d_h，否则不能进入跨步步态。

如图6所示，在确定所述机器人的步长和步高之后，则可以按照所述步长和步高进行所述跨步步态的规划。具体地，可以将所述跨步步态的步态周期划分为预设的各个步态阶段，然后根据所述步长和步高确定所述机器人的摆动腿在各个步态阶段的初始时刻的初始状态(包括初始位置和初始速度)，以及在各个步态阶段的终止时刻的终止状态(包括终止位置和终止速度)。

在x方向的第一阶段(0≤t≤t₁)，将初始位置设置为0，将初始速度设置为0，将终止位置设置为0，将终止速度设置为0，即：x₀＝x₁＝0，vx₀＝vx₁＝0；其中，所述x方向为所述机器人的行进方向；

在x方向的第二阶段(t₁≤t≤t₂)，将初始位置设置为0，将初始速度设置为0，将终止位置设置为-x_b，将终止速度设置为0，即：x₁＝0，x₂＝-x_b，vx₁＝vx₂＝0，其中，x_b为所述机器人的摆动腿向后摆动的最大距离；

在x方向的第三阶段(t₂≤t≤t₄)，将初始位置设置为-x_b，将初始速度设置为0，将终止位置设置为x_l，将终止速度设置为0，即：x₂＝-x_b，x₄＝x_l，vx₂＝vx₄＝0，其中，x_l为所述机器人的摆动腿向前摆动的最大距离；

在x方向的第四阶段(t₄≤t≤t₆)，将初始位置设置为x_l，将初始速度设置为0，将终止位置设置为l，将终止速度设置为0，即：x₄＝x_l，x₆＝l，vx₄＝vx₆＝0：

在x方向的第五阶段(t₆≤t≤T)，将初始位置设置为l，将初始速度设置为0，将终止位置设置为l，将终止速度设置为0，即：x₆＝x₇＝l，vx₆＝vx₇＝0；其中，T为摆动周期。

则在x方向共有以下几个关键点：(0，x₀，vx₀)，(t₁，x₁，vx₁)，(t₂，x₂，vx₂)，(t₄，x₄，vx₄)，(t₅，x₅，vx₅)，(T，x₇，vx₇)。

在z方向的第一阶段(0≤t≤t₃)，将初始位置设置为0，将初始速度设置为0，将终止位置设置为h，将终止速度设置为0，即：z₀＝0，z₃＝h，vz₀＝vz₃＝0；其中，所述z方向为竖直方向；

在z方向的第二阶段(t₃≤t≤t₅)，将初始位置设置为h，将初始速度设置为0，将终止位置设置为h，将终止速度设置为0，即：z₃＝z₅＝h，vz₃＝vz₅＝0；

在z方向的第三阶段(t₅≤t≤T)，将初始位置设置为h，将初始速度设置为0，将终止位置设置为0，将终止速度设置为0，即：z₅＝h，z₇＝0，vz₅＝vz₇＝0。

则在z方向共有以下几个关键点：(0，z₀，vz₀)，(t₃，z₃，vz₃)，(t₅，z₅，vz₅)，(T，z₇，vz₇)。

最后可以根据各个步态阶段的初始状态和终止状态进行曲线拟合，得到所述机器人的摆动腿在各个时刻的位置规划。

在具体的规划过程中，针对各个步态阶段，可以通过曲线拟合确定一条从初始状态过渡到终止状态的光滑运动曲线，这一运动曲线包括但不限于三次多项式曲线、S型曲线、三次样条曲线、三次Hermite曲线以及贝塞尔曲线等。

以下以三次多项式曲线为例，根据下式在x方向上进行曲线拟合：

x(t)＝f(x_b，x_f，v_b，v_f，t_b，t_f，t)＝a₀+a₁(t-t_b)+a₂(t-t_b)²+a₃(t-t_b)³

其中，t_b为步态阶段的初始时刻，x_b为初始位置，v_b为初始速度，t_f为步态阶段的终止时刻，x_f为终止位置，v_f为终止速度，t为时间变量，f为三次多项式函数，x(t)为在x方向上的运动曲线，a₀、a₁、a₂、a₃分别为三次多项式的各个系数，且满足：

a₀＝x_b

a₁＝v_f

最终得到的在x方向上的运动曲线x(t)如图6中的上图所示：

在x方向的第一阶段(0≤t≤t₁)，x(t)＝0；

在x方向的第二阶段(t₁≤t≤t₂)，x(t)＝f(x₁，x₂，vx₁，vx₂，t₁，t₂，t)；

在x方向的第三阶段(t₂≤t≤t₄)，x(t)＝f(x₂，x₄，vx₂，vx₄，t₂，t₄，t)；

在x方向的第四阶段(t₄≤t≤t₆)，x(t)＝f(x₄，x₆，vx₄，vx₆，t₄，t₆，t)；

在x方向的第五阶段(t₆≤t≤T)，x(t)＝0。

类似地，最终得到的在z方向上的运动曲线z(t)如图6中的下图所示：

在z方向的第一阶段(0≤t≤t₃)，z(t)＝f(z₀，z₃，vz₀，vz₃，0，t₃，t)；

在z方向的第二阶段(t₃≤t≤t₅)，z(t)＝0；

在z方向的第三阶段(t₅≤t≤T)，z(t)＝f(z₃，z₇，vz₃，vz₇，t₃，t₇，t)。

步骤S104、按照预设的绕步步态进行所述机器人的步态规划。

在绕过障碍物时，主要需要考虑质心的轨迹规划，即先规划出质心轨迹，然后根据步长和步宽来设计落脚点位置与转弯角度，使得落脚点不能与障碍物的包络面有交叉，避免机器人在绕步步态中被障碍物绊倒。

如图7和图8所示，在绕过障碍物时主要考虑前向(x方向)与侧向(y方向)的规划，首先根据所述机器人与所述障碍物之间的相对位置关系确定所述机器人的绕行方向。

具体地，可以根据d＝min(d₁，d₂)选择从障碍物左侧还是右侧绕过，其中，d₁为所述障碍物的包络长方体在行进路径左侧的宽度，d₂为所述障碍物的包络长方体在行进路径右侧的宽度，若d₁小于d₂，则选择从障碍物左侧绕过，若d₁大于或等于d₂，则选择从障碍物右侧绕过。

然后，根据所述机器人与所述障碍物之间的距离(即图8中的l₁)以及所述障碍物的包络长度进行第一段绕步步态的规划，也即拟合出如图7中的转弯行走的第一路径的规划。

最后，根据预设的目标点与所述障碍物之间的相对位置关系进行第二段绕步步态的规划。

具体地，可以根据所述目标点与所述障碍物之间的距离是否大于预设的阈值(即图8中的l₂)来进行第二段绕步步态的规划。当大于该阈值时，采用如图7中的“转弯+快速行走”的第二路径的规划，否则，则采用如图7中的“前进+侧向行走”的第三路径的规划。

图9所示即为整个步态规划过程的完整示意图，在机器人的行进过程中，根据自身的位置判断是否到达目标点，若未到达目标点，则检测前方是否有障碍物，若无障碍物，则保持正常步态，若有障碍物，则判断障碍物尺寸是否超过限制，若是，则进入绕步步态，若否，则进入跨步步态，在步态参数更新后，重复以上过程，直至到达目标点，则进入止步步态。

通过本申请实施例，基于视觉检测障碍物的尺寸，并根据障碍物的尺寸来判定进入的步态算法，跨步步态和绕步步态的规划，增加了双足机器人在复杂障碍物环境的适应能力，同时提高了机器人的运动效率。

应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。

对应于上文实施例所述的一种动态避障的步态规划方法，图10示出了本申请实施例提供的一种动态避障的步态规划装置的一个实施例结构图。

本实施例中，一种动态避障的步态规划装置可以包括：

障碍物检测模块1001，用于在机器人的行进路径上进行障碍物检测；

障碍物尺寸测量模块1002，用于若检测到障碍物，则通过视觉测量所述障碍物检测；

跨步步态规划模块1003，用于若所述障碍物的包络尺寸小于预设的尺寸阈值，则按照预设的跨步步态进行所述机器人的步态规划；

绕步步态规划模块1004，用于若所述障碍物的包络尺寸大于或等于所述尺寸阈值，则按照预设的绕步步态进行所述机器人的步态规划。

进一步地，所述跨步步态规划模块可以包括：

参数确定子模块，用于根据预设的水平安全距离、垂直安全距离和所述障碍物的包络尺寸确定所述机器人的步长和步高；

跨步步态规划子模块，用于按照所述步长和步高进行所述跨步步态的规划。

进一步地，所述跨步步态规划子模块可以包括：

步态阶段划分单元，用于将所述跨步步态的步态周期划分为预设的各个步态阶段；

状态确定单元，用于根据所述步长和步高确定所述机器人的摆动腿在各个步态阶段的初始时刻的初始状态，以及在各个步态阶段的终止时刻的终止状态；

曲线拟合单元，用于根据所述初始状态和所述终止状态进行曲线拟合，得到所述机器人的摆动腿在各个时刻的位置规划。

进一步地，所述状态确定单元可以包括：

第一子单元，用于在x方向的第一阶段，将初始位置设置为0，将初始速度设置为0，将终止位置设置为0，将终止速度设置为0；其中，所述x方向为所述机器人的行进方向；

第二子单元，用于在x方向的第二阶段，将初始位置设置为0，将初始速度设置为0，将终止位置设置为-x_b，将终止速度设置为0；其中，x_b为所述机器人的摆动腿向后摆动的最大距离；

第三子单元，用于在x方向的第三阶段，将初始位置设置为-xb，将初始速度设置为0，将终止位置设置为x_l，将终止速度设置为0；其中，x_l为所述机器人的摆动腿向前摆动的最大距离；

第四子单元，用于在x方向的第四阶段，将初始位置设置为x_l，将初始速度设置为0，将终止位置设置为l，将终止速度设置为0；其中，l为所述机器人的步长；

第五子单元，用于在x方向的第五阶段，将初始位置设置为l，将初始速度设置为0，将终止位置设置为l，将终止速度设置为0。

进一步地，所述状态确定单元还可以包括：

第六子单元，用于在z方向的第一阶段，将初始位置设置为0，将初始速度设置为0，将终止位置设置为h，将终止速度设置为0；其中，所述z方向为竖直向上的方向，h为所述机器人的步高；

第七子单元，用于在z方向的第二阶段，将初始位置设置为h，将初始速度设置为0，将终止位置设置为h，将终止速度设置为0；

第八子单元，用于在z方向的第三阶段，将初始位置设置为h，将初始速度设置为0，将终止位置设置为0，将终止速度设置为0。

进一步地，所述曲线拟合单元具体用于根据下式进行曲线拟合：

x(t)＝f(x_b，x_f，v_b，v_f，t_b，t_f，t)＝a₀+a₁(t-t_b)+a₂(t-t_b)²+a₃(t-t_b)³

其中，t_b为初始时刻，x_b为初始位置，v_b为初始速度，t_f为终止时刻，x_f为终止位置，v_f为终止速度，t为时间变量，a₀、a₁、a₂、a₃分别为三次多项式的各个系数。

进一步地，所述绕步步态规划模块可以包括：

绕行方向确定子模块，用于根据所述机器人与所述障碍物之间的相对位置关系确定所述机器人的绕行方向；

第一规划子模块，用于根据所述机器人与所述障碍物之间的距离以及所述障碍物的包络长度进行第一段绕步步态的规划；

第二规划子模块，用于根据预设的目标点与所述障碍物之间的相对位置关系进行第二段绕步步态的规划。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的装置，模块和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

图11示出了本申请实施例提供的一种机器人的示意框图，为了便于说明，仅示出了与本申请实施例相关的部分。

如图11所示，该实施例的机器人11包括：处理器110、存储器111以及存储在所述存储器111中并可在所述处理器110上运行的计算机程序112。所述处理器110执行所述计算机程序112时实现上述各个动态避障的步态规划方法实施例中的步骤，例如图1所示的步骤S101至步骤S104。或者，所述处理器110执行所述计算机程序112时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能，例如图10所示模块1001至模块1004的功能。

示例性的，所述计算机程序112可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器111中，并由所述处理器110执行，以完成本申请。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序112在所述机器人11中的执行过程。

本领域技术人员可以理解，图11仅仅是机器人11的示例，并不构成对机器人11的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述机器人11还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。

所述处理器110可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其它通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其它可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

所述存储器111可以是所述机器人11的内部存储单元，例如机器人11的硬盘或内存。所述存储器111也可以是所述机器人11的外部存储设备，例如所述机器人11上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，所述存储器111还可以既包括所述机器人11的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器111用于存储所述计算机程序以及所述机器人11所需的其它程序和数据。所述存储器111还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/机器人和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/机器人实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读存储介质中。基于这样的理解，本申请实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。

以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。