[發(fā)明專利]一種雙足機(jī)器人的彈簧負(fù)載倒立擺模型及步態(tài)規(guī)劃方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110301977.7
• 申請(qǐng)日: 2021-03-22
• 公開（公告）號(hào): CN113050645B
• 公開（公告）日: 2022-04-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 高亮;謝思誠(chéng);鐘浩然;盧盛雨;胡成顥;董昊臻;李新宇;李培根
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類號(hào): G05D1/02
• 分類號(hào): G05D1/02
• 代理公司: 華中科技大學(xué)專利中心 42201
• 代理人: 孔娜

本發(fā)明屬于雙足機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，其公開了一種雙足機(jī)器人的彈簧負(fù)載倒立擺模型及步態(tài)規(guī)劃方法，所述模型包括兩條腿及質(zhì)心，兩條腿的一端均連接于所述質(zhì)心；所述腿的剛度能夠根據(jù)雙足機(jī)器人的步長(zhǎng)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)；所述模型還包括踝關(guān)節(jié)及足部，兩條腿的另一端分別通過所述踝關(guān)節(jié)連接于所述足部。本發(fā)明含有有限尺寸足部的改進(jìn)彈簧負(fù)載倒立擺模型具備有限尺寸的足部和主動(dòng)控制的踝關(guān)節(jié)，能夠有效提高機(jī)器人的控制性能和運(yùn)動(dòng)性能，可以應(yīng)用在各類含有主動(dòng)踝關(guān)節(jié)和足部的雙足或者仿人機(jī)器人中；該模型具有腿部剛度可調(diào)的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)柔順落腳，減少足地沖擊，同時(shí)結(jié)合自適應(yīng)腿伸縮策略的步態(tài)規(guī)劃方法，能夠提高雙足機(jī)器人的步長(zhǎng)范圍。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于雙足機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種雙足機(jī)器人的彈簧負(fù)載倒立擺模型及步態(tài)規(guī)劃方法。

背景技術(shù)

雙足機(jī)器人簡(jiǎn)化模型是一種抽象化機(jī)器人主要特征的近似動(dòng)力學(xué)模型。由于雙足機(jī)器人具有多關(guān)節(jié)、非線性、強(qiáng)耦合和變結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，使用簡(jiǎn)化模型進(jìn)行機(jī)器人的控制能夠抓住控制關(guān)鍵點(diǎn)，便于進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，有效降低了控制難度，目前被廣泛應(yīng)用在雙足機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃等方面。

彈簧負(fù)載倒立擺模型(Spring-Loaded Inverted Pendulum,SLIP)是一種應(yīng)用較為廣泛的雙足機(jī)器人簡(jiǎn)化模型，由一個(gè)匯集雙足機(jī)器人全身質(zhì)量于一點(diǎn)的質(zhì)心和兩條無質(zhì)量可伸縮且具有一定剛度的腿組成。彈簧負(fù)載倒立擺模型天然具備腿部柔性，能夠吸收足底碰撞的沖擊，同時(shí)在步行過程呈現(xiàn)出和人類相似的地面反作用力和質(zhì)心軌跡等特征，因此可以用于預(yù)測(cè)和生成雙足機(jī)器人跑跳和行走步態(tài)。

然而，傳統(tǒng)的彈簧負(fù)載倒立擺模型是欠驅(qū)動(dòng)模型，由于不具有踝關(guān)節(jié)和足部，同時(shí)雙腿彈簧剛度固定，其運(yùn)動(dòng)過程僅由模型的物理參數(shù)和初始狀態(tài)決定，因此雙足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力和控制性能受到限制，很難適應(yīng)更加復(fù)雜的外界環(huán)境。而踝關(guān)節(jié)和足部在人類站立和行走的過程中起到了支撐、推進(jìn)和平衡等重要作用，是采用雙足直立行走方式系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。此外，面對(duì)不同步行環(huán)境時(shí)人體腿部剛度能夠在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，從而表現(xiàn)出對(duì)復(fù)雜環(huán)境的高魯棒性。傳統(tǒng)的彈簧負(fù)載倒立擺模型不具備上述這些特點(diǎn)因而限制了其在雙足機(jī)器人中的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種雙足機(jī)器人的彈簧負(fù)載倒立擺模型及步態(tài)規(guī)劃方法，其通過將傳統(tǒng)彈簧負(fù)載倒立擺模型的點(diǎn)狀足調(diào)換成具有一自由度的踝關(guān)節(jié)和無質(zhì)量有限尺寸的足部實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的改進(jìn)；同時(shí)提出基于自適應(yīng)腿伸縮策略的步態(tài)規(guī)劃方法，結(jié)合優(yōu)化算法優(yōu)化得到了運(yùn)動(dòng)過程中的質(zhì)心軌跡，實(shí)現(xiàn)了可以應(yīng)用于雙足機(jī)器人在精確步長(zhǎng)條件下的行走控制。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種雙足機(jī)器人的彈簧負(fù)載倒立擺模型，所述模型包括兩條腿及質(zhì)心，兩條腿的一端均連接于所述質(zhì)心；所述腿的剛度能夠根據(jù)雙足機(jī)器人的步長(zhǎng)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)；

所述模型還包括踝關(guān)節(jié)及足部，兩條腿的另一端分別通過所述踝關(guān)節(jié)連接于所述足部。

進(jìn)一步地，所述踝關(guān)節(jié)為一自由度踝關(guān)節(jié)；所述足部為無質(zhì)量、有限尺寸的足部。

進(jìn)一步地，兩條腿分別稱為支撐腿及擺動(dòng)腿，并采用i∈[A,B]進(jìn)行表示，l_i表示腿部長(zhǎng)度，k_i表示腿部的等效剛度，觸地角θ表示擺動(dòng)腿落地時(shí)與地面的夾角，x_TD表示落腳點(diǎn)的位置；質(zhì)心的動(dòng)力學(xué)公式為：

式中，m是質(zhì)心的質(zhì)量，p_c＝[x_c,z_c]^T是質(zhì)心位置，g是重力加速度，l₀是腿部原長(zhǎng)，||l_i||是腿部的實(shí)際長(zhǎng)度，是沿腿方向的單位向量，τ_i是作用在踝關(guān)節(jié)的力矩。

按照本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種雙足機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃方法，所述步態(tài)規(guī)劃方法包括以下步驟：