[發明專利]適用動態行走和非周期步行的腿式機器人穩定性判據方法

有效

• 申請號: 202110062690.3
• 申請日: 2021-01-18
• 公開（公告）號: CN112744315B
• 公開（公告）日: 2022-06-21
• 發明（設計）人: 嚴衛生;崔榮鑫;陳樂鵬;許暉;鄧飛;李慧平;王銀濤;張守旭
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: B62D57/032
• 分類號: B62D57/032;G06F17/11;G06F17/15
• 代理公司: 北京尚鉞知識產權代理事務所(普通合伙) 11723
• 代理人: 王海榮

1.一種適用動態行走和非周期步行的腿式機器人穩定性判據方法，所述腿式機器人通過支撐腿和擺動腿交替變換的形式實現穩定行走，其特征在于，腿式機器人穩定性判據方法包括：

步驟1：利用腿式機器人當前時刻t₀的運動狀態，推算出擺動腿足端落地時刻t₁及落地點坐標值；

步驟2：將落地的擺動腿視為支撐腿，利用線性倒立擺動力學模型計算出迫使腿式機器人水平速度為零時的零力矩點(ZMP)坐標；

步驟3：通過計算零力矩點相對于腿式機器人各支撐腿足端的觸地點連線所圍成的凸多邊形邊界的最短距離作為腿式機器人動態行走的穩定裕度；

步驟1中，根據腿式機器人t₀時刻質心在水平方向上的運動狀態量以及擺動腿t₀時刻的髖/膝關節的運動狀態量，計算腿式機器人擺動腿足端落地時刻和落地點坐標值；

當擺動腿足端觸地時，有

z_c+l₁cosq₁(t₁)+l₂cosq₂(t₁)＝0 (1)

其中，t₀時刻機器人坐標原點為線性倒立擺支點，質心在水平方向上的位置、速度和加速度可分別表示為x(t₀)、和線性倒立擺的動力學模型為其中，z_c為質心的高度，其為恒定值，g為重力加速度；第i條擺動腿在時刻t₀的髖/膝關節角度和關節角速度N_t為擺動腿的個數，假設所有擺動腿的髖/膝關節的角度和角速度相同，第i條擺動腿的髖關節至膝關節的距離為l₁，膝關節至足端的距離為l₂；

對上式(1)求解，當t₁無解時，表明t₀時刻的腿式機器人處于不穩定狀態；當t₁有解時，根據解算出的擺動腿足端觸地時刻t₁的數值，可獲取質心在t₁時刻的速度為

其中，sinh(·)為雙曲正弦函數，cosh(·)為雙曲余弦函數；

步態切換后，t₁時刻之前的擺動腿變成支撐腿，t₁時刻之后，線性倒立擺質心的動能可表示為

其中，η表示步態切換后動能保留率，0＜η＜1；

第i條支撐腿足端的觸地點坐標可描述為

其中，x_0i、y_0i分別為第i條支撐腿髖關節相對于質心的前向和側向位移。

2.根據權利要求1所述的腿式機器人穩定性判據方法，其特征在于：

步驟2中利用線性倒立擺動力學模型計算出迫使腿式機器人水平速度為零時的零力矩點(ZMP)坐標包括：

其中，p_x為腿式機器人的零力矩點的坐標值；

為了迫使腿式機器人水平速度為零，即：

其中，t₂為機器人質心水平速度為零的時刻；根據上述方程(2)，可得