[發明專利]一種主被動結合的雙足機器人在線落腳點生成與調節方法

在審

• 申請號: 202310436967.3
• 申請日: 2023-04-21
• 公開（公告）號: CN116500892A
• 公開（公告）日: 2023-07-28
• 發明（設計）人: 董宸呈;陳學超;余張國;陳煥鐘;李慶慶;黃強
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 南京智造力知識產權代理有限公司 32382
• 代理人: 張明明

本發明公開了一種主被動結合的雙足機器人在線落腳點生成與調節方法，包括：確定規劃零力矩點軌跡和規劃質心軌跡設計虛擬倒立擺質心跟蹤控制器，控制期望零力矩點軌跡使機器人的期望質心軌跡跟蹤根據實際零力矩點位置和計算外部作用力，并將其作用在虛擬倒立擺上進行狀態更新；根據估計未來兩步內的估計質心軌跡由以及規劃落腳點位置優化期望落腳點位置通過在線踝軌跡跟蹤控制，使機器人的期望踝部位置跟隨基于和計算期望關節角度，并作用于雙足機器人。本發明在保障計算實時性的同時產生較大、較靈活的落腳點調節效果，實現更好的擾動抑制和平衡恢復。

技術領域

本發明屬于雙足機器人技術領域，具體涉及一種主被動結合的雙足機器人在線落腳點生成與調節方法。

背景技術

為了使機器人能穩定的行走，需要提供穩定的落腳點序列(p)和質心運動軌跡(CoM)，并通過各種控制手段使機器人在外部擾動下可以保持平衡。早期的軌跡規劃方法基于模板模型，極大地減小了計算量，能夠實現穩定軌跡的離線生成，但當機器人遇到外部擾動時，需要額外的控制手段來調節落腳點，這類方法可被稱作離線軌跡生成加在線控制。隨著控制技術和計算機技術的發展，涌現了大量基于機器人全身運動控制和在線落腳點生成的控制手段，這類方法可被稱為在線軌跡生成。另外，為了使機器人能更好地吸收外部擾動，減小平衡控制的負擔，針對雙足機器人的柔順控制手段也至關重要。

現有方法中的離線軌跡規劃加在線控制的手段在應對大沖擊擾動時的平衡調節能力不足，這是由于由這種方法產生的運動始終圍繞原有軌跡運行，無法產生較大的調節量，在應對大沖擊時的落腳調節量小，且不靈活；現有方法中的基于全身運動控制的在線落腳點規劃方法僅適用于力矩控制機器人，不適用于位置控制機器人，使用范圍受限，這是由于這類方法在調節落腳點時質心的期望軌跡會發生跳變，位控機器人無法承受；現有方法中的驅趕柔順控制對吸收外力沖擊、提高機器人穩定性有顯著效果，但未與各種落腳點控制算法統一、融合，因此由其產生的柔順調節量會影響落腳點控制效果。

發明內容

針對現有技術中存在不足，本發明提供了一種主被動結合的雙足機器人在線落腳點生成與調節方法，使機器人在應對外部沖擊擾動時能通過軀干柔順響應吸收部分擾動，同時可在線更新落腳點位置，保障計算實時性的同時產生較大、較靈活的落腳點調節效果，實現更好的擾動抑制和平衡恢復。

本發明是通過以下技術手段實現上述技術目的的。

一種主被動結合的雙足機器人在線落腳點生成與調節方法：

進行步態設置，確定規劃零力矩點軌跡P_z^PG和規劃質心軌跡P_c^PG；

設計虛擬倒立擺質心跟蹤控制器，控制期望零力矩點軌跡P_z^ref，使機器人的期望質心軌跡P_c^ref跟蹤規劃質心軌跡P_c^PG；根據實際零力矩點位置P_z^sen和期望零力矩點軌跡P_z^ref，計算外部作用力，并將其作用在虛擬倒立擺上進行狀態更新；

根據期望質心軌跡P_c^ref估計未來兩步內的估計質心軌跡P_c^est；

由估計質心軌跡P_c^est、規劃質心軌跡P_c^PG以及規劃落腳點位置優化期望落腳點位置通過在線踝軌跡跟蹤控制，使機器人的期望踝部位置跟隨期望落腳點位置

利用逆運動學，基于期望踝部位置和期望質心軌跡P_c^ref計算期望關節角度q^cmd，并作用于雙足機器人。