[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

本發明涉及機器人技術領域，提供了一種柔性地面上3D欠驅動雙足機器人動力學模型計算方法，該方法針對柔性地面上的3D欠驅動雙足機器人，對其單足支撐項和雙足支撐項均進行了動力學模型計算。相比于以往的動力學模型計算方法，本發明所提出的動力學模型計算方法充分考慮地面柔性，機器人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，使得3D欠驅動雙足步行機器人動力學模型更加接近實際情況，從而便于實際應用。

技術領域

本發明屬于機器人技術領域，具體涉及一種柔性地面上3D欠驅動雙足機器人動力學模型計算方法。

背景技術

人類研究雙足機器人的最終目的是將機器人在真實的環境中應用，并服務于人，但人類生存環境存在多種不確定性，包括地表形態的不確定(如水平地面、臺階地面、斜坡地面等)和地面材質的不確定性(如水泥、橡膠、草地、沙土等)。為實現更加穩定、高效的雙足步行，建立準確的機器人動力學模型至關重要。目前關于3D欠驅動雙足機器人動力學建模的研究，多是基于理想的平面剛性地面假設開展的，雖有少量考慮剛性不平地面的行走，但沒有考慮到真實環境中普遍存在的地面柔性，導致基于理想剛性假設條件的建模方法對實際環境的適應能力較低。

在基于理想剛性假設條件下的雙足機器人動力學建模方法中，多使用牛頓-歐拉法和拉格朗日法，但牛頓-歐拉法需對各關節的力進行分析，使用其對3D欠驅動雙足步行機器人進行建模較為復雜。拉格朗日法無需考慮各關節細節，受到廣泛使用。《仿人機器人理論與技術》一書中基于拉格朗日法建立了仿人機器人的動力學模型，該模型計算方法為通用的雙足機器人動力學建模方法。在該書第41頁給出了單足支撐階段機器人動力學模型為：

該書第48頁給出了雙足支撐階段(碰撞前后)機器人動力學模型為：

式中但是，該方法基于“機器人-地面”剛性碰撞模型進行簡化，即機器人足部與地面發生碰撞為一個瞬時狀態，地面不發生變形，碰撞前后機器人各關節角度不變、角速度突變。但機器人在真實環境步行過程中，地面將會發生變形，“機器人-地面”間耦合作用力受到地面材質、結構和“機器人-地面”耦合狀態的影響，機器人雙足支撐相也不一個瞬時狀態，為實現更加高效、穩定的欠驅動雙足步行，需要對上述動力學模型計算方法進行改進。

發明內容

本發明針對3D欠驅動雙足機器人，在考慮地面柔性的同時，對步行單足支撐相與雙足支撐相都進行了動力學建模。機器人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。

本發明的技術目的通過以下技術方案實現：

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，包括以下步驟：

步驟一，考慮地面變形，使用“彈簧-阻尼”系統建立等效地面模型，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，考慮地面柔性，機器人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。機器人雙足相起始于擺動足(腿)與地板上表面接觸時刻，終止于支撐足(腿)與地板上表面脫離時刻。

步驟三，假設機器人各桿件質量均勻分布，關節質量集中于質心，根據理論力學，求得各質心在世界坐標系下的位置向量p_i以及速度向量v_i，從而確定機器人系統的總動能E與勢能P：

其中，m_i表示第i個部分的質量；i＝1,2,3,…,9；p_i(3)表示向量p_i的第三個元素。