[發明專利]一種具有屈膝行為的雙足被動行走步態控制方法

有效

• 申請號: 201210396174.5
• 申請日: 2012-10-17
• 公開（公告）號: CN102910218A
• 公開（公告）日: 2013-02-06
• 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

本發明涉及一種雙足被動行走步態控制方法，尤其是涉及一種具有屈膝行為的雙足被動行走步態控制方法。

背景技術

基于被動動力學的機器人雙足行走問題是近些年來該領域的熱門問題。上世紀80年代末McGeer設計了一種僅依靠重力和自身的動力學特性，即可穩定的走下斜面的被動行走器，奠定了被動行走動力學的基礎，隨后，許多優秀的基于被動動力學的雙足行走機器人被設計出來。與傳統雙足行走機器人相比，基于被動動力學的雙足機器人不需要對關節進行時時的控制和跟蹤，因此一方面具有固有的穩定性，不需要任何控制就可以完成周期的行走；另一方面行走的能量消耗非常小。

然而，直到目前為止，傳統被動動力學機器人僅能在很小的坡面上穩定地行走，很難完成在較大坡度斜面上的行走。這主要是因為該類機器人的行走非常依賴于本體的機械結構特性，在特定的行走環境中，對機器人的結構、步態規劃等方面都需要有嚴格的要求。

通過對人類行走的觀察和分析，發現人類在下坡行走時，支撐腿的屈膝行為能夠提高行走對大坡度環境的適應能力，因此對雙足機器人行走來說，引入人類膝關節的運動特點能夠提高機器人在更大坡面上的行走能力。然而，對于傳統的被動動力學機器人，提高在坡面上行走的穩定性只是通常采用控制算法來實現，這樣機器人的固有穩定性相對較差，并且控制效率低，能耗大。利用屈膝行為的運動機理來改進機器人坡面上行走能力的研究還未見報導。

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具有屈膝行為的雙足被動行走步態控制方法，該方法改進了雙足機器人的坡面行走能力，增強了雙足機器人行走的固有穩定性，使得雙足被動行走步態在較大坡度上也具有很好的穩定性，能夠穩定行走的坡度范圍顯著提高。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種具有屈膝行為的雙足被動行走步態控制方法，該方法用于控制雙足機器人在坡面上行走，通過髖關節以及兩個大腿和兩個小腿組成的行走模型實現，所述的大腿連接髖關節，所述的小腿通過膝關節連接大腿，構成擺動腿和支撐腿，所述的控制方法包括以下步驟：

1)以擺動腿觸地后轉換為支撐腿的時刻作為周期步態的開始時刻，此時原支撐腿轉換為擺動腿；

2)擺動腿向前自由擺動直至擺動腿的膝關節碰撞，此時鎖緊擺動腿的膝關節；

3)擺動腿繼續向前自由擺動，同時支撐腿以支點為軸轉動一定角度后，解鎖支撐腿的膝關節；

4)當擺動腿自由擺動至與地面碰撞時，該擺動腿轉換為支撐腿，原支撐腿換轉為擺動腿，重新開始新的周期。

所述的行走模型為五質點四桿行走模型，五個質點分別為髖關節、兩個大腿和兩個小腿的質量中心，四桿分別為兩個大腿和兩個小腿。

所述的行走模型的狀態可以表示為：式中，q₀、q₁、q₂、q₃分別為支撐腿小腿、支撐腿大腿、擺動腿大腿、擺動腿小腿相對于行走斜面法線的夾角。

步驟3)中支撐腿轉動的角度大于行走坡面的坡度，并小于兩倍的行走坡面坡度。

與現有技術相比，本發明通過設計具有屈膝行為的雙足被動行走步態，改進了雙足機器人的坡面行走能力，增強了雙足機器人行走的固有穩定性，使得雙足被動行走步態在較大坡度上也具有很好的穩定性，能夠穩定行走的坡度范圍顯著提高。

附圖說明

圖1為本發明的周期步態的示意圖；

圖2為本發明的控制流程圖；

圖3為五質點四桿行走模型的示意圖；

圖4為在膝關節碰撞后的屈膝行為過程示意圖；

圖5為坡度r＝0.2(rad)時整個周期步態的示意圖；

圖6為坡度r＝0.2(rad)時各個部位的角度(a)、角速度(b)關于時間的變化關系圖，圖中為無量綱結果，其中時間速度

圖7為本發明在不同坡度斜面上基于屈膝行為行走的穩定性和q^*的關系，其中陰影區域為穩定行走區域，白色區域為不穩定區域；

圖8為傳統被動行走步態(a)與基于屈膝行為行走步態(b)的行走過程圖，該模型從與周期解有1％誤差的初始狀態開始行走。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。

實施例