[發明專利]一種柔性地面上3D欠驅動雙足機器人動力學模型計算方法

有效

• 申請號: 201910972937.8
• 申請日: 2019-10-14
• 公開（公告）號: CN110704984B
• 公開（公告）日: 2022-06-07
• 發明（設計）人: 姚道金;程宵;王曉明
• 申請（專利權）人: 華東交通大學;程宵
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/20
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種柔性地面上3D欠驅動雙足步行機器人動力學模型計算方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一，使用“彈簧-阻尼”系統建立柔性地面等效模型，等效模型由一系列粘彈性單元陣列而成，每個粘彈性單元均包含地板、地基及“彈簧-阻尼”構件，其中，地板通過X、Y、Z三個方向上“彈簧-阻尼”構件與地基相連，且每個“彈簧-阻尼”構件中彈簧剛度系數為k，阻尼系數為c；

步驟二，機器人在柔性地面上步行時，步行過程由一個連續的單足相和一個非瞬態的雙足相順序組成，步行系統為一個分段連續的動態系統，步行雙足相起始于擺動足與地板上表面接觸時刻，終止于支撐足與地板上表面脫離時刻；

步驟三，使用拉格朗日法對機器人步行單足支撐相建模，得到單足支撐相“機器人-地面”耦合動力學模型：

其中，q_e＝[q₁；q₂；q₃；q₄；q₅；q₆；q₇；q₈；x_st；y_st；z_st]為機器人各關節角度的增廣矩陣，q₁，q₂分別為機器人支撐足踝關節俯仰角和偏航角，q₃為機器人支撐足膝關節角度，q₄，q₅分別為支撐足髖關節俯仰角和偏航角，q₆，q₇為擺動足髖關節俯仰角和偏航角，q₈為擺動足膝關節角度，和為關節速度與加速度的增廣矩陣，M_e(q_e)為慣性矩陣，為科氏力和重力項，B_e為關節力矩輸入矩陣，u為關節驅動力矩，B₁為地面對支撐足作用力方向矩陣，為地面對機器人支撐足的作用力；

步驟四，使用拉格朗日法對機器人步行雙足支撐相建模，得到雙足支撐相“機器人-地面”耦合動力學模型：

其中，為地面對機器人擺動足作用力，E_sw為擺動足末端雅克比矩陣；

步驟三中機器人足部與地面接觸模型可簡化為一個非線性彈簧阻尼系統，地面對機器人支撐足作用力為：

其中，k_x，k_y，k_z分別為X、Y、Z三個方向上“彈簧-阻尼”構件中彈簧剛度系數，c_x，c_y，c_z分別為X、Y、Z三個方向上“彈簧-阻尼”構件中阻尼系數為；

步驟三中模型改為狀態空間形式為：

其中，步行雙足支撐相不是一個瞬時碰撞過程；

步驟四中地面對機器人擺動足作用力為：

步驟四中模型改為狀態空間形式為：

其中，f_sw(s)為：

綜上，一個完整步行周期內“機器人-地面”耦合動力學模型的狀態空間形式為：