[發(fā)明專利]適用動(dòng)態(tài)行走和非周期步行的腿式機(jī)器人穩(wěn)定性判據(jù)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110062690.3
• 申請(qǐng)日: 2021-01-18
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112744315B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-06-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 嚴(yán)衛(wèi)生;崔榮鑫;陳樂(lè)鵬;許暉;鄧飛;李慧平;王銀濤;張守旭
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): B62D57/032
• 分類號(hào): B62D57/032;G06F17/11;G06F17/15
• 代理公司: 北京尚鉞知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11723
• 代理人: 王海榮

本發(fā)明屬于腿式機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，提供了一種腿式機(jī)器人面向動(dòng)態(tài)行走和非周期行走的穩(wěn)定性判據(jù)方法。首先，忽略支撐腿和擺動(dòng)腿的質(zhì)量，將腿式機(jī)器人抽象為由線性倒立擺和擺動(dòng)腿共同構(gòu)成的多連桿機(jī)器人；當(dāng)腿式機(jī)器人動(dòng)態(tài)行走時(shí)，根據(jù)機(jī)器人當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)預(yù)測(cè)出腿式機(jī)器人擺動(dòng)腿足端的落地時(shí)刻和落地點(diǎn)坐標(biāo)值；而后，將落地的擺動(dòng)腿視為支撐腿，利用線性倒立擺動(dòng)力學(xué)模型預(yù)測(cè)出腿式機(jī)器人的ZMP；最后，將該ZMP坐標(biāo)到腿式機(jī)器人各支撐腿足端的觸地點(diǎn)連線所圍成的凸多邊形邊界的最短距離作為腿式機(jī)器人動(dòng)態(tài)行走的穩(wěn)定裕度。本發(fā)明的腿式機(jī)器人穩(wěn)定性判據(jù)方法為解釋腿式機(jī)器人復(fù)雜運(yùn)動(dòng)提供了新的解決方案，也為腿式機(jī)器人穩(wěn)定控制器的設(shè)計(jì)提供了新思路。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及腿式機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，具體一種適用動(dòng)態(tài)行走和非周期性行走的腿式機(jī)器人穩(wěn)定性判據(jù)方法。

背景技術(shù)

機(jī)器人作為一種運(yùn)載、探測(cè)和作業(yè)的工具，發(fā)揮著日益重要的作用，被廣泛用于替代人類完成各類復(fù)雜的工作，具體包括星球探測(cè)、海底探測(cè)、礦石勘探、救災(zāi)、搬運(yùn)、果實(shí)采摘等。相對(duì)于輪式、履帶式機(jī)器人，腿式機(jī)器人具有優(yōu)越的跨越障礙的能力和多腿驅(qū)動(dòng)下的容錯(cuò)能力。因此，腿式機(jī)器人具有廣泛的應(yīng)用前景。

腿式機(jī)器人穩(wěn)定性是腿式機(jī)器人理論框架中最基本、最重要問(wèn)題。如果步態(tài)規(guī)劃和控制方法不能從理論上保證腿式機(jī)器人的行走穩(wěn)定性，那么在這些方法成功之前，需要開(kāi)展大量試探性實(shí)驗(yàn)。這將導(dǎo)致這些方法的調(diào)試周期長(zhǎng)，缺乏一般性的指導(dǎo)意義，同時(shí)，難以將其應(yīng)用到其它機(jī)器人上。

目前，腿式機(jī)器人主流的穩(wěn)定性判據(jù)方法有兩種：基于零力矩點(diǎn)(ZMP)的穩(wěn)定性判據(jù)方法和基于龐加萊回歸映射的穩(wěn)定性判據(jù)方法。ZMP判據(jù)的本質(zhì)是腿式機(jī)器人不發(fā)生欠驅(qū)動(dòng)翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的約束條件，使機(jī)器人系統(tǒng)的每個(gè)自由度都直接可控；但該判據(jù)是一種過(guò)于保守的方法，并非穩(wěn)定行走的充分條件，難以解釋動(dòng)態(tài)行走穩(wěn)定性問(wèn)題。基于龐加萊回歸映射的穩(wěn)定性判據(jù)方法的基本思想是將周期變化軌道的穩(wěn)定性問(wèn)題轉(zhuǎn)化為平衡點(diǎn)的穩(wěn)定性問(wèn)題，進(jìn)而直接利用傳統(tǒng)非線性/線性系統(tǒng)穩(wěn)定性理論來(lái)描述腿式機(jī)器人穩(wěn)定性問(wèn)題；但該方法是一種基于小擾動(dòng)前提下的近似線性化處理后的穩(wěn)定性判據(jù)方法，僅限于分析周期性系統(tǒng)和小擾動(dòng)作用下的系統(tǒng)，不具備普適性。

綜上所述，現(xiàn)有的腿式機(jī)器人穩(wěn)定性判據(jù)方法還遠(yuǎn)未達(dá)到完善的地步，尤其是對(duì)于非周期性行走和動(dòng)態(tài)行走，主要存在充分性差和普適性差的兩個(gè)問(wèn)題：1、基于ZMP穩(wěn)定性判據(jù)方法過(guò)于保守，無(wú)法用于表征動(dòng)態(tài)行走(快速奔跑、跳躍等)的腿式機(jī)器人的穩(wěn)定性；2、基于龐加萊回歸映射的穩(wěn)定性判據(jù)方法普適性差，僅能用于解決周期步行的穩(wěn)定性問(wèn)題。因此，迫切需要提出一種充分性和普適性更好的腿式機(jī)器人穩(wěn)定性判據(jù)方法，即一種適用于腿式機(jī)器人動(dòng)態(tài)行走和非周期性行走的穩(wěn)定性判據(jù)方法，以進(jìn)一步促進(jìn)腿式機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容

(1)技術(shù)問(wèn)題

針對(duì)現(xiàn)有的腿式機(jī)器人穩(wěn)定性判據(jù)充分性和普適性差的問(wèn)題，本發(fā)明通過(guò)利用腿式機(jī)器人的簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)模型、擺動(dòng)腿運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和質(zhì)心運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來(lái)共同預(yù)測(cè)一種動(dòng)態(tài)和非周期性行走的腿式機(jī)器人穩(wěn)定裕度，提供了一種面向動(dòng)態(tài)步行和非周期步行等各種復(fù)雜步態(tài)下的腿式機(jī)器人穩(wěn)定性判據(jù)方法。

(2)技術(shù)方案

本發(fā)明提供了一種適用動(dòng)態(tài)行走和非周期步行的腿式機(jī)器人穩(wěn)定性判據(jù)方法，當(dāng)腿式機(jī)器人發(fā)生欠驅(qū)動(dòng)非周期性翻轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)忽略支撐腿和擺動(dòng)腿的質(zhì)量可將腿式機(jī)器人抽象為由線性倒立擺和擺動(dòng)腿共同構(gòu)成的多連桿機(jī)器人；腿式機(jī)器人穩(wěn)定性判據(jù)方法包括如下步驟：

步驟1：利用腿式機(jī)器人當(dāng)前時(shí)刻t₀的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，推算出擺動(dòng)腿足端落地時(shí)刻t₁及落地點(diǎn)坐標(biāo)值；

步驟2：將落地的擺動(dòng)腿視為支撐腿，利用線性倒立擺動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算出迫使腿式機(jī)器人水平速度為零時(shí)的零力矩點(diǎn)(ZMP)坐標(biāo)；

步驟3：通過(guò)計(jì)算ZMP相對(duì)于腿式機(jī)器人各支撐腿足端的觸地點(diǎn)連線所圍成的凸多邊形邊界的最短距離作為腿式機(jī)器人動(dòng)態(tài)行走的穩(wěn)定裕度。