基于串联弹性驱动器的带上身双足机器人平地行走方法技术

本发明专利技术属于机器人行走控制技术领域，尤其涉及一种基于串联弹性驱动器的带上身双足机器人平地行走方法，包括：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；髋部串联弹性驱动器不仅支撑上身，并且以弹性势能为媒介完成能量补入，驱动机器人行走；以摆动腿落地碰撞以及驱动阶段时长作为事件，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；通过事件驱动的状态机控制串联弹性驱动器的动作，实现对行走的控制；并通过调节电机预设驱动角度幅值、驱动阶段的时长、弹簧弹性系数来实现机器人的行走状态达到预设目标。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于机器人行走控制
，尤其涉及一种基于串联弹性驱动器的带上 身双足机器人平地行走方法。
技术介绍
众多研究者希望实现双足机器人具有类似人类一般的行走性能：自然、稳定且高 效。为了降低动态行走运动控制的复杂性，会给机器人添加一些约束。目前，依据约束的多 少可将双足机器人的行走模式分为三类，包括静态行走，ZMP行走，以及极限环行走。其中， 静态行走是出现最早的也是最基础的一种行走方法，其要求行走过程中机器人的质心始终 保持在地面上双脚构成的多边形以内，这种方法很容易保持机器人的稳定，但也极大地限 制了机器人的行走速度并消耗过多能量。ZMP行走要求机器人的零力矩点（ZeroMoment Point，ZMP)始终保持在双脚构成的多边形以内，这种方法在一定程度上比静态行走减少了 人为约束。但是ZMP行走仍然使用了较多的人为约束，因此在能量效率、行走速度、抗干扰 能力、以及步态自然性等方面与人类的行走相比依然有较大差距。 极限环行走是近年来出现的一种新的行走理念，它的提出受到了人类行走的启 发，进一步减少对机器人的人为约束，充分地利用了机器人自身的动力学特性，因而具有较 大的空间提高机器人的能量效率、行走速度、以及抗干扰能力。极限环行走要求周期性的步 态序列是轨道稳定的，即步态序列可以在状态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。目前，极限环行走所采用的步态生成方法较为繁琐， 有些则需要使用机器学习，对实验环境的要求较高。 被动行走是极限环行走的一种典型范例，被动双足机器人在不施加任何控制的情 况下，仅靠重力作用即可沿着小坡度斜坡稳定行走，斜坡提供的重力势能转化为机器人行 走所需的动能。被动行走生成的步态非常自然，能量效率可以达到人类的水平。众多研究 人员试图依据此原理实现被动双足机器人平地上的动力行走，为此需要为机器人提供新的 动力来源以代替斜坡上的重力。有的使用了在机器人脚踝处增加激励的方法，在每步摆动 腿与地面发生碰撞后脚掌蹬地，为行走注入能量；有的采用在摆动腿与地面碰撞前夹紧髋 关节的做法，同样达到了补入能量的目的。但是以上两种方法的能量补入时机均位于碰撞 时刻前后，能量为瞬时补入，要求具有极高的能量密度，因此在很大程度上限制了机器人的 行走速度，同时这种能量补入方法会给步态造成较大的扰动，降低了行走的稳定性。 早期被动行走所使用的模型常常只关注下肢而忽略上身，2000年后带上身双足机 器人的被动行走逐渐出现。支撑上身的主要方法有三类：1.通过特殊设计的机构，如髋部 对分机构，保持上身向上；2.通过在髋部使用驱动器对上身施加力矩支撑上身；3.通过髋 部弹性元件支撑上身。第一种方法引入了动力约束，限制了上身的动力学特性在行走中的 作用，其上身并不具有真正的自由度，无法算作真正自由的上身。第二种方法使增加了驱动 器与控制，破坏了模型自身的被动动力学特性。第三种方法是一种真正被动的在双足机器 人上增加上身的方法。在其基础上开发动力式行走方法，使用驱动器代替被动行走中的斜 坡，将在平地上实现自然高效的动力式极限环行走。 已经存在的带上身双足机器人平地动力式行走方法，主要通过在髋部使用驱动器 施加力矩来实现。目前所采用的方法都使用了高增益的控制手段，破坏了机器人自身的被 动特性，所产生的步态上身始终前倾，姿态不自然，同时在能量效率上也有不足。
技术实现思路
为了解决目前机器人平地行走存在的不足，本专利技术提出了一种基于串联弹性驱动 器的带上身双足机器人平地行走方法，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； 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、当机器人的行走状态未达到预设目标时，则调节预设驱动角度； 步骤4、当仅调节预设驱动角度无法使机器人的行走状态达到预设目标时，则调节 两个驱动阶段的时长； 步骤5、当无论如何调节预设驱动角度大小以及驱动阶段的时长，均不能使得机器 人的行走状态达到预设目标，则调节弹簧的弹性系数，直到机器人的行走状态达到预设目 标。 所述步骤3中，当机器人开始行走后行动缓慢，步幅过小，且在未达到预设目标的 情况下摔倒，则增加预设驱动角度幅值；当机器人开始行走后行动快速，步幅过大，且在未 达到预设目标的情况下摔倒，则减小预设驱动角度幅值。 所述步骤4中调节两个驱动阶段的时长，先固定第一阶段时长，调节第二阶段时 长，若仍不能达到预设目标，则继续调节第一阶段时长；具体调节标准为： 当机器人开始行走后行动缓慢，步幅过小，且在未达到预设目标的情况下摔倒，则 需增加驱动阶段时长；当机器人开始行走后行动快速，步幅过大，且在未达到预设目标的情 况下摔倒，则需减小驱动阶段时长。 所述步骤5中调节弹簧的弹性系数具体包括：当机器人开始行走后行动缓慢，步 幅过小，且在未达到预设目标的情况下摔倒，则需更换弹性系数大的弹簧，并重复改变过 程，直到机器人的行走状态达到预设目标； 当机器人开始行走后行动快速，步幅过大，且在未达到预设目标的情况下摔倒，则 需更换弹性系数小的弹簧，并重复改变过程，直到机器人的行走状态达到预设目标。 所述机器人的行走状态包括如下参数：支撑腿与髋部到地面的铅垂线之间的夹 角，摆动腿与髋部到地面的铅垂线之间的夹角，上身与髋部到地面的铅垂线之间的夹角，以 及三个夹角相对应的角速度。 本专利技术的有益效果在于：采用髋部串联弹性驱动器的带上身双足机器人平地动 力式行走方法以被动行走原理为基础，通过髋部弹性支撑上身，在机器人行走过程中控制 串联弹性驱动器中的电机转动，进而通过控制扭转弹簧的形变调节机器人系统的弹性势 能，对机器人的能量进行补充，实现机器人平地上的稳定行走。这种方法很好的继承了被 动行走机器人良好的行走性能，行走姿态自然，控制方法简单，且能实现对机器人行走性 能的调节，而且本方法实现简单且计算量非常小，因此适用于对实时性要求较高的场合。 本专利技术所述的双足机器人具有步态进化的特性，这种特性的表现为随着参数持续变化，包 括驱动角度幅值等控制参数与扭转弹簧弹性系数等结构参数，步态出现分岔现象，具体 类型包括：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。步态进化的特性体现了本专利技术所述的带上身双足机器人步态的多 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于串联弹性驱动器的带上身双足机器人平地行走方法，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；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、当机器人的行走状态未达到预设目标时，则调节预设驱动角度；步骤4、当仅调节预设驱动角度无法使机器人的行走状态达到预设目标时，则调节两个驱动阶段的时长；步骤5、当无论如何调节预设驱动角度大小以及驱动阶段的时长，均不能使得机器人的行走状态达到预设目标，则调节弹簧的弹性系数，直到机器人的行走状态达到预设目标。...

【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