[發明專利]一種雙足機器人下肢結構尺寸的設計方法

有效

• 申請號: 202010060666.1
• 申請日: 2020-01-19
• 公開（公告）號: CN111267991B
• 公開（公告）日: 2021-05-11
• 發明（設計）人: 袁海輝;杜睿龍;顧建軍;朱世強
• 申請（專利權）人: 之江實驗室
• 主分類號: B62D57/032
• 分類號: B62D57/032
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 邱啟旺

1.一種雙足機器人下肢結構尺寸的設計方法，其特征在于，包含以下步驟：

步驟一，根據雙足機器人的總體高度尺寸要求h，按照人體尺寸比例確定機器人下肢的總體高度尺寸l、大腿長尺寸l₁以及小腿長尺寸l₂；

步驟二，基于雙足機器人的運動分析以及步態控制理論，根據機器人下肢的總體高度尺寸l，設計機器人下肢的寬度尺寸w，具體為：

在前向平面內，機器人質心在左右落腳點間來回擺動，其運動學模型簡化為如下單質量倒立擺模型：

其中g為重力加速度，z為機器人質心與支撐腳之間連線的長度，θ為該連線與重力方向的夾角，為角加速度；由于機器人質心在左右落腳點間來回擺動，θ的取值范圍為θ∈[α,θ_max]，α為θ的最小值，θ_max為最大值；所述θ_max應當滿足tanθ_max＝0.5w/l，根據最大值θ_max的取值范圍確定獲得寬度尺寸w的上限約束和下限約束；其中，θ_max取值的下限根據如下方法獲得：

當θ_max足夠小時，機器人的運動方程簡化為

機器人簡化模型的解析解為

其中θ₀初始角度值，為初始角速度值，令e^Ct＝y，由于y0，推導出

其中因此，前向平面內，機器人質心從θ＝α擺動到θ＝θ_max的時間為

為使機器人在硬件層面來得及完成規劃動作，t_d應滿足t_d≥T，T為機器人所需最小動作時間；據此求得θ_max的下限；

θ_max取值的上限取為θ_maxp/18，從而根據tanθ_max＝0.5w/l獲得寬度尺寸w的上限約束：

w≤0.35l

步驟三，根據機器人上肢以及下肢的尺寸和質量分布，并采用靜態平衡的方法確定機器人的腳掌尺寸，具體步驟如下：前向平面內，當單腳站立時，機器人質心與支撐腳的連線與重力方向的夾角在[-θ₁,θ₁]范圍內機器人能保持靜態平衡，機器人腳掌寬度尺寸設計為w₁≥2lθ₁；側向平面內，其余關節保持不變，機器人踝關節前傾θ₂時機器人能保持靜態平衡，機器人腳掌長度尺寸設計為w₂≥l tanθ₂。

2.如權利要求1所述的一種雙足機器人下肢結構尺寸的設計方法，其特征在于，所述步驟一中，取l＝h/2，l₁＝l₂＝l/2。

3.如權利要求1所述的一種雙足機器人下肢結構尺寸的設計方法，其特征在于，所述步驟三中，取θ₁＝p/60，θ₂＝p/10。