[發明專利]雙足機器人在前進方向受到外部推力擾動時的步態規劃與控制方法

有效

• 申請號: 202010063092.3
• 申請日: 2020-01-19
• 公開（公告）號: CN111230868B
• 公開（公告）日: 2022-01-04
• 發明（設計）人: 袁海輝;李特;顧建軍;朱世強
• 申請（專利權）人: 之江實驗室
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 邱啟旺

1.一種雙足機器人在前進方向受到外部推力擾動時的步態規劃與控制方法，其特征在于，將根據機器人的初始狀態規劃機器人初始步態，所述初始步態中，支撐腿膝關節自由度處于鎖死狀態，支撐腿踝關節俯仰自由度的驅動力矩為零；將支撐腿腳踝、支撐腿髖關節間的連線與豎直方向的夾角θ作為機器人的狀態變量，計算機器人當前步態與初始步態之間的θ對應的角速度偏差，同時以當前狀態作為初始值預估機器人擺動腿的落地時間；根據計算得到的偏差值對機器人支撐腳踝關節俯仰自由度施加力矩，并選取預估的落地時間作為步行時長，采用三次貝塞爾多項式對機器人重新規劃步態，貝爾塞多項式的系數根據機器人的當前狀態以及給定的末狀態來進行確定；通過對夾角θ進行實時估計和計算和反饋，實現對機器人在前進方向受到外部推力擾動時的步態規劃與控制。

2.如權利要求1所述的一種雙足機器人在前進方向受到外部推力擾動時的步態規劃與控制方法，其特征在于，具體包括以下步驟：

步驟一，根據給定的機器人初始狀態和末狀態，規劃出機器人的初始步態；其中，在初始步態下，支撐腿膝關節自由度處于鎖死狀態，支撐腿踝關節俯仰自由度的驅動力矩為零，以提高步行能效；

步驟二，基于簡化倒立擺模型，對機器人的狀態進行實時估計和計算：

首先，將機器人簡化為倒立擺模型，倒立擺質心位于機器人支撐腿髖關節處，并將支撐腿腳踝與支撐腿髖關節間的連線作為虛擬腿，虛擬腿長為l，虛擬腿與豎直方向的夾角為θ；

然后，選取角度θ作為機器人的狀態變量，獲取機器人的當前狀態并計算機器人當前步態與初始步態下的角速度偏差

其中為機器人當前步態下角度θ所對應的角速度，為機器人初始步態下所對應的角速度；可通過對如下運動方程進行數值積分來獲得：

上式為倒立擺模型的運動方程；為初始步態下所對應的角加速度，θ_d為機器人初始步態下角度；考慮到一般情況下θ_d取值較小，為提高實時性，sinθ_d簡化為θ_d，此時可獲得的解析解：

其中θ₀為理論初始角度值，為理論初始角速度值，g為重力加速度，

接著，基于機器人的當前狀態預估機器人的落地時間；具體計算過程為：選取當前狀態作為初始值，然后計算機器人到達給定末狀態角度θ_f所需的時間；同樣將sinθ簡化為θ，則機器人從當前狀態到落地時刻所需的時間為

步驟三，根據步驟二的狀態估計與角速度偏差計算結果，對機器人支撐腳踝關節俯仰自由度施加力矩

u_ankle,st＝-k_ue

其中k_u為比例系數；若u_ankle,st的幅值大于電機額定轉矩u_max，則其幅值取u_max；

步驟四，基于步驟二的落地時間估計，對機器人的規劃步態進行修正；根據機器人的當前狀態以及給定的末狀態，選取落地時間t_land作為步行時長對機器人重新規劃步態。