[發明專利]一種雙足機器人的仿人步態規劃方法

有效

• 申請號: 202010086813.2
• 申請日: 2020-02-11
• 公開（公告）號: CN111240339B
• 公開（公告）日: 2020-12-29
• 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: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 邱啟旺

本發明公開了一種雙足機器人的仿人步態規劃方法，該方法通過將人類步行的運動特征融入到雙足機器人的步態規劃，以提高機器人的步行能效，改善其續航能力。本發明所涉及的仿人步態規劃方法包含雙足支撐相規劃以及單足支撐相規劃，在雙足支撐相，機器人依靠后腳腳踝推力使機器人質心往前移動，同時機器人質心在前向平面內向支撐腳靠近，從而為接下來的單足支撐相提供落地時間，在單足支撐相，機器人支撐腳踝關節側向平面內的自由度處于被動狀態，機器人質心在重力作用下自然前移，擺動腳在預估落地時間內快速邁至落腳點。

技術領域

本發明屬于機器人技術領域，尤其涉及一種雙足機器人的仿人步態規劃方法。

背景技術

人類的步行運動包含雙足支撐相以及單足支撐相，在雙足支撐相，人類依靠后腳腳踝的推力，推動身體質心向前，而在單足支撐相，人的身體質心在重力作用下自然前移，同時支撐腿各關節基本處于鎖死的狀態，以提高步行能效。

雙足機器人是一種模仿人類結構特征的機器人，它的最終目標是實現與人類相似的運動行為。目前，國內外已經成功研發出了許多能夠實現行走運動的雙足機器人，如美國波士頓動力公司的ATLAS與Petman、日本AIST的HRP、日本本田公司的ASIMO、韓國AKIST的KHR、歐洲開源機器人iCub、我國哈爾濱工業大學的HIT與GoRoBoT、國防科技大學的KDW、北京理工大學的BHR、清華大學的THBIP等。盡管這些雙足機器人都能實現穩定的行走運動，但其步行能效都較低，導致續航能力較弱，難以走向實際應用。實際上，經過千百年的自然進化，人類的步態變得十分高效，已公開的數據表明，人類的步行能效是ATLAS機器人的25倍左右，是ASIMO機器人的16倍左右。人類高能效步態背后的科學原理在于運動相的合理規劃以及各關節的協調動作。本發明的基本思路在于，將人類步行運動中的關節動作機制及特征融入到雙足機器人的步行規劃中，以實現機器人的高能效步行。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種雙足機器人的仿人步態規劃方法。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現：一種雙足機器人的仿人步態規劃方法，包括雙足支撐相步態規劃和單足支撐相步態規劃。

所述雙足支撐相步態規劃為：將機器人在雙足支撐相的驅動自由度q_con,d以及擺動腿踝關節的俯仰自由度q_ankle,sw的運動軌跡表示為3次貝塞爾多項式形式，并使其它關節處于被動狀態：

其中，q_con,d＝[q_knee,st,q_yaw,st,q_roll,st,q_pitch,st,q_yaw,sw,q_pitch,sw,q_knee,sw]^T，所述機器人在雙足支撐相的驅動自由度q_con,d包括支撐腿膝關節自由度q_knee,st、支撐腿髖關節的轉動自由度q_yaw,st，支撐腿髖關節的擺動自由度q_roll,st，支撐腿髖關節的俯仰自由度q_pitch,st，擺動腿髖關節的轉動自由度q_yaw,sw，擺動腿髖關節的俯仰自由度q_pitch,sw和擺動腿膝關節自由度q_knee,sw；a_k為q_con,d的貝塞爾多項式系數；T_d表示機器人雙足支撐相的時間長度；β_k為q_ankle,sw的貝塞爾多項式系數。