[發明專利]基于能量最優的雙足被動行走步態控制方法

有效

• 申請號: 201210395970.7
• 申請日: 2012-10-17
• 公開（公告）號: CN102887188A
• 公開（公告）日: 2013-01-23
• 發明（設計）人: 安康;陳啟軍
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: B62D57/032
• 分類號: B62D57/032
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 宣慧蘭

技術領域

本發明涉及雙足機器人行走步態控制方法，尤其是涉及一種基于能量最優的雙足被動行走步態控制方法。

背景技術

雙足步行機器人技術是21世紀的熱點研究課題之一。自上世紀70年代初，第一臺雙足步行機器人WAP-1誕生以來，人們一直在不斷地嘗試制造出更加與人類行走類似的雙足步行機器人。2011年10月，美國Boston?Dynamics公司發布了Petman機器人，該機器人具有人類的體形和尺寸，能夠非常穩定地自由行走、移動和做各種模仿人類的動作，其行走步態自然，穩定，但Petman存在的問題是行走時消耗的能量非常大，不像人類的行走一樣高效。

然而從自然進化的角度來看，生物在行走的過程中，應當以消耗的單位能量最少作為步態的選擇原則。90年代初，學者發現一種雙足被動行走方式，該類行走器能夠僅依靠重力和自身的動力學特性在斜面上實現穩定的行走。近些年來，很多機構和學者利用被動動力學原理設計了一系列的雙足行走機器人，通過高級的控制算法和軌跡規劃方法，如采用虛擬重力場、能量和角度不變控制策略等，實現了在平地上的穩定行走。該類機器人的行走步態自然，具有內在固有的穩定性；由于在行走過程中需要的能量輸入較少，能量效率很高。可見由于被動行走所具有的這些特性，該行走原理為實現真正的類人行走提供了的很好的研究思路。

但是目前基于被動動力學的雙足機器人的研究大多集中在提高穩定性的高級控制算法方面，并沒有充分地利用被動行走具有的良好特性，對于如何實現行走過程中的能量效率最優化的研究還非常少。尤其在國內，雖然多家科研機構設計了各種引入被動動力學的優秀雙足行走機器人，但對于以能量消耗為優化目標，設計高效率行走步態的方法還從未見報導。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種基于能量最優的雙足被動行走步態控制方法，該控制方法充分利用被動動力學行走所具有的能量效率極高的優點，解決傳統被動動力學行走的步態控制問題，提高了雙足機器人行走的能量利用效率。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種基于能量最優的雙足被動行走步態控制方法，該方法包括以下步驟：

1)建立雙足被動行走的模型，用于描述雙足被動行走的過程；

2)提取需要優化的模型參數，包括周期行走的初始狀態、行走步長、周期時間、行走過程中的關節力矩和關節角速度；

3)設定行走步態的約束條件，根據周期性的被動行走步態特征對行走過程進行約束；

4)根據模型參數計算行走過程中的能量消耗，計算公式為：

COT=∫0lstepΣ|τl*ul|Mtotal*g*lstepdt]]>

式中，COT為單位能量消耗，t_step為周期時間，τ為關節力矩、u為的關節角速度、M_total為總質量，g為重力加速度，l_step為步長；

5)采用序列二次規劃(Sequential?Quadratic?Porgramming，SQP)的方法對模型參數進行優化，得到在能量消耗最小的情況下模型參數之間的關系，控制雙足被動行走步態。

步驟1)中雙足被動行走的模型包括連續相的動力學方程表達及離散相的數學表述。

步驟3)的約束條件包括步長、速度、周期行走的初始狀態和結束狀態一致以及模型的對稱性。