双足机器人行走非单周期步态控制方法技术

本发明专利技术属于机器人行走控制技术领域，尤其涉及一种双足机器人行走非单周期步态控制方法，目的在于通过参数摄动将非单周期步态控制为单周期步态，包括将基于髋部串联弹性驱动器的带上身双足机器人行走的每一步依次分为两个驱动阶段和一个自由摆动阶段；确定目标不动点及标称参数，设定行走的第一、第二驱动阶段时长为摄动参数，并确定最大、最小摄动量，建立搜索网格；通过判断第一驱动阶段时长经过摄动的可能最小取值是否大于等于计算网格中所有结点的预测输出并挑选最优参数摄动所用的时间，若是，则通过建立庞加莱映射快速估计模型来更新控制参数；若否，则通过建立部分步快速估计模型和庞加莱映射快速估计模型来更新控制参数。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于机器人行走控制
，尤其涉及一种双足机器人行走非单周期步 态控制方法。
技术介绍
极限环行走是双足机器人行走模式中的重要一类，在能量效率、速度等方面具有 优势。极限环行走步态呈现周期性的特点，步态序列是轨道稳定的，即可以在相空间中形成 一个稳定的极限环，但在步态周期中的任意瞬时并不具备局部稳定性。由于该行走模式对 机器人运动施加的人为约束条件较少，充分利用了机器人自身的动力学特性，许多研究表 明双足机器人的极限环行走会呈现出如分岔、混沌等丰富的非单周期步态。 使用髋部串联弹性驱动器支撑上身并且通过其中扭转弹簧的储能特性完成能量 补入，可以实现带上身双足机器人在平地上的极限环行走，具有步态自然，能量效率高以及 实现简单等优点。上述基于髋部串联弹性驱动器的带上身双足机器人平地行走，随着参数 的持续变化，也会发生步态分岔的非线性动力学现象，稳定单周期步态的稳定性随参数变 化发生突变，出现非单周期步态。其步态分岔形式多样，包括倍周期分岔、Neimark-Sacker 分岔、Neimark-Sacker-2分岔、多周期分岔以及Neimark-Sacker-X分岔。 在实际应用中，常常认为单周期步态是"好的"、"正常的"，而不倾向于应用非单周 期步态，因为非单周期步态相邻两步的行走姿态不一致，认为其是"不正常的"、"瘸"的。同 时，非单周期步态中嵌有一个不稳定单周期步态，这个不稳定单周期步态通常比相应的非 单周期步态具有更高的行走速度与能量效率。所以如果有方法可以将非单周期步态中嵌有 的不稳定单周期步态镇定为稳定的单周期步态，则可以重新实现"正常的"单周期行走，同 时可以获得更好的行走性能。 对于非单周期步态，已有的一种可以实现将其控制到单周期步态的方法是在庞加 莱截面上选定一个目标周期鞍，通过外力，比如参数摄动，将运动相点，也就是庞加莱截面 上状态，引向这一目标，设法使该运动相点逐步靠近，并落到该鞍点的稳定流形上，最后在 原地留下一个稳定的周期不动点。在实际操作中，该方法设计状态反馈，通过摄动参数镇定 不稳定单周期步态。当系统可控时，采用线性形的状态反馈，通过配置 极点，使闭环系统（A-BKT)的特征值全部位于单位圆之内，最终经过数步行走使非单周期步 态收敛到单周期步态，其中Sl是机器人第i步的庞加莱截面状态，s $是目标不动点，A、B是 庞加莱映射在目标不动点处关于状态和参数的雅可比矩阵，Pl代表第i步所用控制参数，P $ 代表目标不动点对应的控制参数，也称为标称参数，K是反馈增益矩阵。传统的0GY方法形 式简单，在已知准确的目标不动点和相应的A，B矩阵且满足摄动条件的情况下可以快速控 制非单周期步态，但我们在实施0GY方法时发现存在以下问题：一方面，对于远离目标不动 点s""的状态s，摄动量dp ; = p -KYs-s^的数值可能过大，从而得到不正常的参数数 值，致使机器人动力学发生巨大改变，甚至导致机器人在实验中摔倒，可行性差；另一方面， 如果对摄动大小进行限制，只有合理的参数摄动才执行的话，在具有遍历特性的混沌步态 中OGY方法通常会经过很长一段时间的等待才能运行到满足条件的状态，而在不具有遍历 特性的分岔步态中，如果摄动量始终超出限制，则将永远无法满足0GY方法的实施条件，无 法镇定分岔步态。 在0GY方法的思想下，专利技术一种对于远离目标不动点的状态也同样有效，同时保 持小摄动量特性，且不要求系统具有遍历特性的非单周期步态控制方法，对于应用具有重 要的意义。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提出了一种，目的 在于通过参数摄动将非单周期步态控制为单周期步态，包括： 步骤1、在带上身双足机器人的上身和双腿之间分别安装串联弹性驱动器，所述串 联弹性驱动器由电机与线性扭转弹簧串联而成，电机固定在上身，电机的转动输出端与扭 转弹簧的一端连接，连接处与上身的夹角定义为电机驱动角度，扭转弹簧的另一端与腿相 连；在双腿的脚底分别安装有开关式传感器； 步骤2、将机器人行走时的双腿分别定义为摆动腿和支撑腿，将机器人行走时的每 一步依次分为两个驱动阶段和一个自由摆动阶段； 第一阶段：上一步的摆动腿即当前步的支撑腿与地面发生碰撞时，两个电机开始 匀速转动，支撑腿对应的电机驱动角度从正的预设驱动角度变为零，摆动腿对应的电机驱 动角度从零变为负的预设驱动角度；此阶段为定角速度驱动过程，电机驱动角速度由标称 参数决定，与参数摄动无关。 第二阶段：支撑腿对应的电机停止转动，摆动腿对应的电机反向匀速转动，摆动腿 对应的电机驱动角度从负的预设驱动角度变为正的预设驱动角度； 第三阶段：两个电机均停止转动，直到摆动腿与地面发生碰撞后返回到第一阶段， 摆动腿和支撑腿互换角色； 步骤3、设定行走方法的三个控制参数：第一阶段驱动时长^、第二阶段驱动时长 t2以及预设驱动角度Φ来作为标称参数，此标称参数下步态发生分岔，同时确定此标称参 数下的目标不稳定不动点； 步骤4、将第一阶段驱动时长h和第二阶段驱动时长12作为摄动参数，并确定最 大摄动量和最小摄动量，建立搜索网格，确定网格形状和结点分布； 步骤5、判断第一阶段驱动时长经过摄动的可能最小取值是否大于等于计算网格 中所有结点并挑选最优参数摄动所用的时间，若是，则执行步骤A1，若否，则执行步骤B1 ; 步骤A1、建立庞加莱映射快速预测模型； 步骤A2、设定机器人的初始状态，令机器人开始行走；初始状态由初始时刻支撑 腿、摆动腿和上身的角度以及这三个角度所对应的角速度构成，是一个6维向量； 步骤A3、在摆动腿落地瞬间之后测量机器人状态并执行第一阶段的定角速度驱 动； 步骤A4、使用庞加莱映射快速预测模型，从步骤A3测量机器人状态出发，快速预 测所有网格结点参数下庞加莱映射的输出，即行走一步后机器人的状态； 步骤A5、采用庞加莱映射输出的预测结果和目标不动点的差的二范数作为评价指 标，在网格的结点中挑选指标最小者，将其作为最优参数摄动，标称参数与最优参数摄动之 和来更新状态机中的控制参数； 步骤A6、摆动腿脚底开关式传感器感应到摆动腿落地后，当前步结束，下一步开 始，重复步骤A3到步骤A6 ; 步骤B1、建立使用从一步开始经过时间t'后的状态和当前步参数来预测下一步 初始状态的部分步快速预测模型，以及由初始状态和每个结点对应参数来预测下一步初始 状态的庞加莱映射快速预测模型； 步骤B2、设定机器人的初始状态，用标称参数初始化参数P，令机器人开始行走； 步骤B3、将参数P设置为当前步使用参数当前第1页1 2 3 4 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双足机器人行走非单周期步态控制方法，其特征在于，包括：步骤1、在带上身双足机器人的上身和双腿之间分别安装串联弹性驱动器，所述串联弹性驱动器由电机与线性扭转弹簧串联而成，电机固定在上身，电机的转动输出端与扭转弹簧的一端连接，连接处与上身的夹角定义为电机驱动角度，扭转弹簧的另一端与腿相连；在双腿的脚底分别安装有开关式传感器；步骤2、将机器人行走时的双腿分别定义为摆动腿和支撑腿，将机器人行走时的每一步依次分为两个驱动阶段和一个自由摆动阶段；第一阶段：上一步的摆动腿即当前步的支撑腿与地面发生碰撞时，两个电机开始匀速转动，支撑腿对应的电机驱动角度从正的预设驱动角度变为零，摆动腿对应的电机驱动角度从零变为负的预设驱动角度；此阶段为定角速度驱动过程，电机驱动角速度由标称参数决定，与参数摄动无关；第二阶段：支撑腿对应的电机停止转动，摆动腿对应的电机反向匀速转动，摆动腿对应的电机驱动角度从负的预设驱动角度变为正的预设驱动角度；第三阶段：两个电机均停止转动，直到摆动腿与地面发生碰撞后返回到第一阶段，摆动腿和支撑腿互换角色；步骤3、设定行走方法的三个控制参数：第一阶段驱动时长t1、第二阶段驱动时长t2以及预设驱动角度Φ来作为标称参数，此标称参数下步态发生分岔，同时确定此标称参数下的目标不稳定不动点；步骤4、将第一阶段驱动时长t1和第二阶段驱动时长t2作为摄动参数，并确定最大摄动量和最小摄动量，建立搜索网格，确定网格形状和结点分布；步骤5、判断第一阶段驱动时长经过摄动的可能最小取值是否大于等于计算网格中所有结点并挑选最优参数摄动所用的时间，若是，则执行步骤A1，若否，则执行步骤B1；步骤A1、建立庞加莱映射快速预测模型；步骤A2、设定机器人的初始状态，令机器人开始行走；初始状态由初始时刻支撑腿、摆动腿和上身的角度以及这三个角度所对应的角速度构成，是一个6维向量；步骤A3、在摆动腿落地瞬间之后测量机器人状态并执行第一阶段的定角速度驱动；步骤A4、使用庞加莱映射快速预测模型，从步骤A3测量机器人状态出发，快速预测所有网格结点参数下庞加莱映射的输出，即行走一步后机器人的状态；步骤A5、采用庞加莱映射输出的预测结果和目标不动点的差的二范数作为评价指标，在网格的结点中挑选指标最小者，将其作为最优参数摄动，标称参数与最优参数摄动之和来更新状态机中的控制参数；步骤A6、摆动腿脚底开关式传感器感应到摆动腿落地后，当前步结束，下一步开始，重复步骤A3到步骤A6；步骤B1、建立使用从一步开始经过时间t′后的状态和当前步参数来预测下一步初始状态的部分步快速预测模型，以及由初始状态和每个结点对应参数来预测下一步初始状态的庞加莱映射快速预测模型；步骤B2、设定机器人的初始状态，用标称参数初始化参数P，令机器人开始行走；步骤B3、将参数P设置为当前步使用参数，传递给状态机并执行；步骤B4、在当前步开始经过时间t′时，测量机器人状态，并以该状态和当前步参数P使用部分步快速预测模型预测下一步初始状态，并从此预测出发，使用庞加莱映射快速预测模型，预测所有网格结点对应参数下的庞加莱映射输出；步骤B5、采用步骤B4中的庞加莱映射输出的预测结果和目标不动点的差的二范数作为评价指标，并挑选最优参数摄动，将标称参数与最优参数摄动之和设置为参数P，作为下一步参数；步骤B6、摆动腿脚底开关式传感器感应到摆动腿落地后，当前步结束，下一步开始，重复步骤B3到B6。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：赵明国，邓卡，闫石，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11