[發明專利]一種基于質心高度補償的仿人機器人步態生成方法

有效

• 申請號: 202110030102.8
• 申請日: 2021-01-11
• 公開（公告）號: CN112859856B
• 公開（公告）日: 2022-12-09
• 發明（設計）人: 郭發勇;周皞;芮夢霞;仲啟秀;翟雅慧
• 申請（專利權）人: 常州工程職業技術學院
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 常州西創專利代理事務所(普通合伙) 32472
• 代理人: 姬寧寧

1.一種基于質心高度補償的仿人機器人步態生成方法，其特征在于：結合人體自然步態運動規劃和3-D直線倒立擺模型下的步態運動規劃，包括如下步驟：步驟1)：人體自然步態運動規劃的分析；步驟2)：質心高度補償的分析；所述步驟1)將人體自然步態運動規劃簡化為3-D直線倒立擺模型進行分析；所述步驟2)在所述步驟1)分析的基礎上分析仿人機器人行走時擺動腿的運動對其質心高度的運動軌跡的影響，引入質心高度補償將仿人機器人行走步態劃分為四個階段，規劃其步態生成,所述步驟1)包括如下：

所述人體自然步態：所述3-D直線倒立擺模型將質量固定在髖部，使用3-D直線倒立擺模型生成的仿人行走髖部高度的運動軌跡，顯示最大步幅與腿最大伸長時的髖部高度之間的關系，由于最大腿伸長度和髖部高度是不變的，機器人的步態將受到限制；

人在行走過程中，人體髖關節軌跡接近余弦曲線，作為仿人機器人行走時的自然步態的一個軌跡優化點,所述3-D直線倒立擺模型的步態分為單腿支撐和雙腿支撐兩個階段：在單腿支撐階段，機器人動力學建模為一個倒立擺，假設支撐腿為無重力伸縮支腿，質量集中為一個點，無垂直向運動，支撐點的扭矩為零，因此質心自由旋轉，基于牛頓-歐拉法，得到3-D直線倒立擺模型與地面之間支承點周圍的角動量的動力學方程：

這里，F_gr＝[F_x,F_y,F_z]^T表示地面反作用力產生的扭矩，G_gr＝[0,0,-g]^T代表重力，r_cm＝[x,y,z]^T表示從接觸點到質心的矢量，L是質心的線性動量，得到了水平面上的質心軌跡運動方程：

當z_c為常數時，通過求解微分方程得到如下結果：

矢向運動:

橫向運動:

這里，(x_i,v_xi)、(x_f,v_xf)和(y_i,v_yi)分別代表質心在矢向面和橫向面上的初始和最終位置及速度，t為單腿支撐時間，S(t)＝sinh(t/T_c)和C(t)＝cosh(t/T_c)在固定時間內；

所述步驟2)包括如下：

在單腿支撐階段，引入質心高度補償，具體步驟包括如下：

行走姿態指令定義為：

C＝[B_l B_r D_l D_r S_l S_r F_l F_r]

分別表示左/右腿的起始階段，左/右腿的雙支撐階段，左/右腿的單支撐階段，左/右腿的最終停止階段，結合行走姿態指令，通過對機器人進行預處理，可以快速獲取下一姿態的步態數據，

基于行走姿態指令生成的原始步態，具體包括如下過程：

1)設置行走參數：

設置行走參數如下表所示：

符號	符號的意義	值
per]]>	單個行走步長周期	1.32s
ssup]]>	單腿支撐時間	1.2s
dsup]]>	雙腿支撐時間	0.12s
st]]>	步長	0.2m
st]]>	步寬	0.18m
c]]>	質心高度	0.55m

2)左腿/右腿的起始/結束階段：

在使用3-D直線倒立擺模型時，起始階段是非常重要的，直接決定機器人能否成功地由靜態變為倒立擺的動態模型，如果起始階段沒有進行技術處理，機器人反饋控制機制將受到挑戰，

在X、Y方向采用五次多項式微分，質心的初始速度為零，終點速度設為倒立擺模型時Y方向的最大速度，之后，質心進入3-D直線倒立擺軌跡模式，然后在半個行走步態后進入雙支撐階段，擺動腿的腳軌跡可以規劃為余弦函數，如下：

Z(t)＝A+B*cos(2*pi*t/(Tsup/2))

這里，t∈[0,0.5*Tsup]

3)左腿/右腿單支撐階段：

由于質心在髖關節坐標系中的相對位置是固定的，因此將質心位置視為髖關節位置，在單腿支撐階段，將半余弦曲線視為周期函數，使用全余弦函數作為Z方向的周期函數，

4)左腿/右腿雙支撐階段：

采用三次多項式微分來計算速度，由于雙腿支撐階段增加了質心在x-y平面上的位移，需要根據相同的比例改變步態的整體長度，

5)總體規劃：

根據行走姿態指令，設計了一個完整的步態，故總體行走姿態指令序列定義如下：

B＝[B_r D_r S_l D_l S_r D_r F_l]。