[發明專利]一種雙足機器人的彈簧負載倒立擺模型及步態規劃方法

有效

• 申請號: 202110301977.7
• 申請日: 2021-03-22
• 公開（公告）號: CN113050645B
• 公開（公告）日: 2022-04-01
• 發明（設計）人: 高亮;謝思誠;鐘浩然;盧盛雨;胡成顥;董昊臻;李新宇;李培根
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 孔娜

1.一種雙足機器人的彈簧負載倒立擺模型，其特征在于：

所述模型包括兩條腿及質心，兩條腿的一端均連接于所述質心；所述腿的剛度能夠根據雙足機器人的步長進行自適應調節；

所述模型還包括踝關節及足部，兩條腿的另一端分別通過所述踝關節連接于所述足部；兩條腿分別稱為支撐腿及擺動腿，并采用i∈[A,B]進行表示，l_i表示腿部長度，k_i表示腿部的等效剛度，觸地角θ表示擺動腿落地時與地面的夾角，x_TD表示落腳點的位置；質心的動力學公式為：

式中，m是質心的質量；p_c＝[x_c,z_c]^T是質心位置，g是重力加速度，l₀是腿部原長，||l_i||是腿部的實際長度，是沿腿方向的單位向量，τ_i是作用在踝關節的力矩。

2.如權利要求1所述的雙足機器人的彈簧負載倒立擺模型，其特征在于：所述踝關節為一自由度踝關節；所述足部為無質量、有限尺寸的足部。

3.一種雙足機器人的步態規劃方法，其特征在于，該步態規劃方法包括以下步驟：

(1)基于權利要求1-2任一項所述的雙足機器人的彈簧負載倒立擺模型將雙足機器人的步行周期進行劃分；

(2)判斷雙足機器人所處的步態周期，并根據判斷結果采用自適應腿伸縮策略來對雙足機器人進行控制；其中，自適應腿伸縮策略包括踝關節的力矩控制和腿部剛度的調節；

(3)將雙足機器人的步態規劃問題轉化成優化問題，并通過優化算法進行優化得到控制參數，進一步通過微分方程求解方法求解得到雙足機器人的步態軌跡。

4.如權利要求3所述的雙足機器人的步態規劃方法，其特征在于：步驟(1)中還包括根據所述模型運用有限狀態機將雙足機器人的一個步行周期劃分為單足支撐期1、雙足支撐期和單足支撐期2的步驟。

5.如權利要求4所述的雙足機器人的步態規劃方法，其特征在于：如果雙足機器人處于單足支撐期1，則采用單足支撐控制模式，單足支撐控制模式包括早期單足支撐控制模式及早期擺動控制模式；其中，早期單足支撐控制模式采用以下公式進行控制：

其中，m是質心的質量；g是重力加速度；兩條腿采用i∈[A,B]進行表示；作用于A腿踝關節的力矩τ_As采用PD控制；K_p1和K_d1為A腿的控制參數，l_d是在這個階段A腿能達到的最短腿長，并且根據步長能夠自適應調節；是腿長的變化速度；l₀是腿部原長；k_A是A腿的剛度；||l_A||是A腿的實際長度；是沿A腿方向的單位向量；p_c＝[x_c,z_c]^T是質心位置；

早期擺動控制模式采用5階貝塞爾曲線生成足部軌跡，其采用以下公式進行控制：

其中，t是歸一化的時間系數；P_i＝[x_pi,z_pi]是前向平面中的控制點；B(t)＝[x_Bi,z_Bi]是足部軌跡上的點；n為貝塞爾曲線的階數。