[發明專利]一種雙足機器人偏擺力矩補償方法

有效

• 申請號: 202110809458.1
• 申請日: 2021-07-16
• 公開（公告）號: CN113467246B
• 公開（公告）日: 2023-10-20
• 發明（設計）人: 甘春標;袁璐;雷華;郜傳厚;王小瑩;葛一敏;李子靜;張金霖;余天浩
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 劉靜

1.一種雙足機器人偏擺力矩補償方法，其特征在于：該方法具體步驟如下：

(1)將雙足機器人模型抽象為多連桿模型，基于機器人動力學分析方法，建立機器人步行過程力矩平衡方程，并求解ZMP位置；

(2)根據機器人ZMP穩定性判據條件，結合步驟(1)建立的平衡方程，得到機器人運動過程中的偏擺力矩；

(3)當偏擺力矩超過地面和雙足機器人足部的最大摩擦力矩時需要對偏擺力矩進行補償，具體過程為：取時間間隔Δt＝T/n，T表示運動周期，n表示離散點的數目，對偏擺力矩M_z進行采樣，獲得離散力矩M＝[M₁、M₂、……、M_n]^T，建立機器人上半身關節運動的角軌跡與離散力矩的映射關系，基于時間-角位置多項式插值方法，結合設置的邊界條件，對雙足機器人的腰部扭轉角度或者雙臂擺動角度進行設計，實現對偏擺力矩的補償效果。

(4)根據能量消耗函數對偏擺力矩補償結果進行評估；具體如下：

(4.1)針對頭部配備圖像采集的雙足機器人，只進行雙臂擺動角度設計，在周期運動階段所消耗的能量函數如下：

其中，n表示離散點的數目，Δt＝T/n表示在整個運動周期的采樣時間間隔，I₂為機器人雙臂繞肩關節軸中心的慣性矩，m_armz表示手臂的質量，l_armz表示手臂的長度，l表示機器人髖關節的間距，M_j表示第j個采樣時刻對應的偏擺力矩，c_i為手臂擺動階段對應的單位線位置。

(4.2)針對頭部未配備圖像采集的雙足機器人，在周期運動階段所消耗的能量函數如下：

設計腰部扭轉角度時，周期運動階段所消耗的能量函數為：

其中，n表示離散點的數目，Δt＝T/n表示在整個運動周期的采樣時間間隔，I₁為機器人上半身整體繞腰關節中心軸的慣性矩，M_j表示第j個采樣時刻對應的偏擺力矩。

設計雙臂擺動角度時，周期運動階段所消耗的能量函數為：

其中，n表示離散點的數目，Δt＝T/n表示在整個運動周期的采樣時間間隔，I₂為機器人雙臂繞肩關節軸中心的慣性矩，M_j表示第j個采樣時刻對應的偏擺力矩，c_i為手臂擺動階段對應的單位線位置。

比較ΔE₁和ΔE₂的能量消耗大小，選擇最佳的偏擺力矩補償方式。

(5)判斷步驟(4)的能量函數計算結果是否滿足偏擺力矩補償要求，若是，則完成偏擺力矩補償，若否，返回步驟(3)，重新設計腰部扭轉角度或者雙臂擺動角度，并改變相應的邊界約束條件，直至實現所設計的運動形式滿足偏擺力矩補償要求。

2.根據權利要求1所述的一種雙足機器人偏擺力矩補償方法，其特征在于：步驟(1)中所建立的力矩平衡方程，可根據機器人動力學分析進行求解，結合機器人實際連桿物理模型，可獲得其力矩平衡方程為：

其中，m_i表示編號為i的連桿質量，r_i，和M_ci分別表示連桿i的質心位置矢量、加速度矢量和力矩。p為支撐腳與地面接觸點的位置矢量，g為重力加速度向量，T_p為地面對機器人的力矩，k為機器人連桿總數。

3.根據權利要求1所述的一種雙足機器人偏擺力矩補償方法，其特征在于：在步驟(3)中，對于機器人偏擺力矩的采樣過程，應根據其傳感器的實際傳輸速度，來決定采樣頻率的大小，為最大限度獲得機器人實際運動階段所產生的偏擺力矩，取采樣時間間隔為傳感器數據發送的時間間隔。

4.根據權利要求1所述的一種雙足機器人偏擺力矩補償方法，其特征在于：在步驟(3)中，針對時間-角位置多項式插值方法，多項式次數的高低與邊界條件的數目相對應，為避免次數過高導致的龍格現象，其邊界條件應選擇性約束。