一种双足机器人的弹簧负载倒立摆模型及步态规划方法技术

本发明专利技术属于双足机器人步态规划相关技术领域，其公开了一种双足机器人的弹簧负载倒立摆模型及步态规划方法，所述模型包括两条腿及质心，两条腿的一端均连接于所述质心；所述腿的刚度能够根据双足机器人的步长进行自适应调节；所述模型还包括踝关节及足部，两条腿的另一端分别通过所述踝关节连接于所述足部。本发明专利技术含有有限尺寸足部的改进弹簧负载倒立摆模型具备有限尺寸的足部和主动控制的踝关节，能够有效提高机器人的控制性能和运动性能，可以应用在各类含有主动踝关节和足部的双足或者仿人机器人中；该模型具有腿部刚度可调的特点，能够实现柔顺落脚，减少足地冲击，同时结合自适应腿伸缩策略的步态规划方法，能够提高双足机器人的步长范围。足机器人的步长范围。足机器人的步长范围。

【技术实现步骤摘要】
一种双足机器人的弹簧负载倒立摆模型及步态规划方法


[0001]本专利技术属于双足机器人步态规划相关
，更具体地，涉及一种双足机器人的弹簧负载倒立摆模型及步态规划方法。

技术介绍

[0002]双足机器人简化模型是一种抽象化机器人主要特征的近似动力学模型。由于双足机器人具有多关节、非线性、强耦合和变结构的特点，使用简化模型进行机器人的控制能够抓住控制关键点，便于进行运动规划，有效降低了控制难度，目前被广泛应用在双足机器人步态规划等方面。
[0003]弹簧负载倒立摆模型(Spring
‑
Loaded Inverted Pendulum,SLIP)是一种应用较为广泛的双足机器人简化模型，由一个汇集双足机器人全身质量于一点的质心和两条无质量可伸缩且具有一定刚度的腿组成。弹簧负载倒立摆模型天然具备腿部柔性，能够吸收足底碰撞的冲击，同时在步行过程呈现出和人类相似的地面反作用力和质心轨迹等特征，因此可以用于预测和生成双足机器人跑跳和行走步态。
[0004]然而，传统的弹簧负载倒立摆模型是欠驱动模型，由于不具有踝关节和足部，同时双腿弹簧刚度固定，其运动过程仅由模型的物理参数和初始状态决定，因此双足机器人的运动能力和控制性能受到限制，很难适应更加复杂的外界环境。而踝关节和足部在人类站立和行走的过程中起到了支撑、推进和平衡等重要作用，是采用双足直立行走方式系统的关键组成部分。此外，面对不同步行环境时人体腿部刚度能够在一定范围内调节，从而表现出对复杂环境的高鲁棒性。传统的弹簧负载倒立摆模型不具备上述这些特点因而限制了其在双足机器人中的应用。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种双足机器人的弹簧负载倒立摆模型及步态规划方法，其通过将传统弹簧负载倒立摆模型的点状足调换成具有一自由度的踝关节和无质量有限尺寸的足部实现对模型的改进；同时提出基于自适应腿伸缩策略的步态规划方法，结合优化算法优化得到了运动过程中的质心轨迹，实现了可以应用于双足机器人在精确步长条件下的行走控制。
[0006]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种双足机器人的弹簧负载倒立摆模型，所述模型包括两条腿及质心，两条腿的一端均连接于所述质心；所述腿的刚度能够根据双足机器人的步长进行自适应调节；
[0007]所述模型还包括踝关节及足部，两条腿的另一端分别通过所述踝关节连接于所述足部。
[0008]进一步地，所述踝关节为一自由度踝关节；所述足部为无质量、有限尺寸的足部。
[0009]进一步地，两条腿分别称为支撑腿及摆动腿，并采用i∈[A,B]进行表示，l
i
表示腿部长度，k
i
表示腿部的等效刚度，触地角θ表示摆动腿落地时与地面的夹角，x
TD
表示落脚点
的位置；质心的动力学公式为：
[0010][0011]式中，m是质心的质量，p
c
＝[x
c
,z
c
]T
是质心位置，g是重力加速度，l0是腿部原长，||l
i
||是腿部的实际长度，是沿腿方向的单位向量，τ
i
是作用在踝关节的力矩。
[0012]按照本专利技术的另一个方面，提供了一种双足机器人的步态规划方法，所述步态规划方法包括以下步骤：
[0013](1)基于如上所述的双足机器人的弹簧负载倒立摆模型将双足机器人的步行周期进行划分；
[0014](2)判断双足机器人所处的步态周期，并根据判断结果采用自适应腿伸缩策略来对双足机器人进行控制；其中，自适应腿伸缩策略包括踝关节的力矩控制和腿部刚度的调节；
[0015](3)将双足机器人的步态规划问题转化成优化问题，并通过优化算法进行优化得到控制参数，进一步通过微分方程求解方法求解得到双足机器人的步态轨迹。
[0016]进一步地，步骤(1)中还包括根据所述模型运用有限状态机将双足机器人的一个步行周期划分为单足支撑期1、双足支撑期和单足支撑期2的步骤。
[0017]进一步地，如果双足机器人处于单足支撑期1，则采用单足支撑控制模式，单足支撑控制模式包括早期单足支撑控制模式及早期摆动控制模式；其中，早期单足支撑控制模式采用以下公式进行控制：
[0018][0019][0020]其中，m是质心的质量；g是重力加速度；两条腿采用i∈[A,B]进行表示；作用于A腿踝关节的力矩τ
As
采用PD控制；K
p1
和K
d1
为A腿的控制参数，l
d
是在这个阶段A腿能达到的最短腿长，并且根据步长能够自适应调节；是腿长的变化速度；l0是腿部原长；k
A
是A腿的刚度；||l
A
||是A腿的实际长度；是沿A腿方向的单位向量；p
c
＝[x
c
,z
c
]T
是质心位置。
[0021]早期摆动控制模式采用5阶贝塞尔曲线生成足部轨迹，其采用以下公式进行控制：
[0022][0023]其中，t是归一化的时间系数；P
i
＝[x
pi
,z
pi
]是前向平面中的控制点；B(t)＝[x
Bi
,z
Bi
]是足部轨迹上的点；n为贝塞尔曲线的阶数。
[0024]进一步地，如果双足机器人处于双足支撑模式，则采用双足支撑控制模式，所述双足支撑控制模式包括第一阶段及第二阶段，第一阶段为B腿落地后，第二阶段为重心逐渐向B腿转移；
[0025]第一个阶段为B腿落地后，且满足k
B
(l0‑
||l
B
||)＜0.3mg，此时A腿仍起主要的支撑作用，采用以下公式进行控制：
[0046][0047]其中，为质心在x方向上的速度；x
P
为FRI在足端x轴方向上的位置；l
f1
、l
f2
为足部的几何参数；z
c
为质心在z轴方向上的高度。
[0048]该优化问题表示为：
[0049][0050]优化问题的适应度函数表示为：
[0051][0052]式中，f＝[f
1 f
2 f
3 f
4 f5]表示权重因子；x
n
、z
n
和分别表示质心在第n步结束处于单足中立状态时在x轴和z轴方向上的位置和速度；和为第n+1步时的A腿的理想最短腿长和实际最短腿长；ms
n
表示模型在第n步单足中立位的状态，包括质心在x轴和z轴方向上的位置和速度，以及在n步中A腿能达到的最短腿长；ms0表示模型的初始单腿中立位的状态；u
n+1
表示控制参数的集合，包括触地角、双腿刚度、各阶段PD控制器参数以及第n+1步A腿的理想最短腿长。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双足机器人的弹簧负载倒立摆模型，其特征在于：所述模型包括两条腿及质心，两条腿的一端均连接于所述质心；所述腿的刚度能够根据双足机器人的步长进行自适应调节；所述模型还包括踝关节及足部，两条腿的另一端分别通过所述踝关节连接于所述足部。2.如权利要求1所述的双足机器人的弹簧负载倒立摆模型，其特征在于：所述踝关节为一自由度踝关节；所述足部为无质量、有限尺寸的足部。3.如权利要求1所述的双足机器人的弹簧负载倒立摆模型，其特征在于：两条腿分别称为支撑腿及摆动腿，并采用i∈[A,B]进行表示，l
i
表示腿部长度，k
i
表示腿部的等效刚度，触地角θ表示摆动腿落地时与地面的夹角，x
TD
表示落脚点的位置；质心的动力学公式为：式中，m是质心的质量；p
c
＝[x
c
,z
c
]
T
是质心位置，g是重力加速度，l0是腿部原长，||l
i
||是腿部的实际长度，是沿腿方向的单位向量，τ
i
是作用在踝关节的力矩。4.一种双足机器人的步态规划方法，其特征在于，该步态规划方法包括以下步骤：(1)基于权利要求1
‑
3任一项所述的双足机器人的弹簧负载倒立摆模型将双足机器人的步行周期进行划分；(2)判断双足机器人所处的步态周期，并根据判断结果采用自适应腿伸缩策略来对双足机器人进行控制；其中，自适应腿伸缩策略包括踝关节的力矩控制和腿部刚度的调节；(3)将双足机器人的步态规划问题转化成优化问题，并通过优化算法进行优化得到控制参数，进一步通过微分方程求解方法求解得到双足机器人的步态轨迹。5.如权利要求4所述的双足机器人的步态规划方法，其特征在于：步骤(1)中还包括根据所述模型运用有限状态机将双足机器人的一个步行周期划分为单足支撑期1、双足支撑期和单足支撑期2的步骤。6.如权利要求5所述的双足机器人的步态规划方法，其特征在于：如果双足机器人处于单足支撑期1，则采用单足支撑控制模式，单足支撑控制模式包括早期单足支撑控制模式及早期摆动控制模式；其中，早期单足支撑控制模式采用以下公式进行控制：早期摆动控制模式；其中，早期单足支撑控制模式采用以下公式进行控制：其中，m是质心的质量；g是重力加速度；两条腿采用i∈[A,B]进行表示；作用于A腿踝关节的力矩τ
As
采用PD控制；K
p1
和K
d1
为A腿的控制参数，l
d
是在这个阶段A腿能达到的最短腿长，并且根据步长能够自适应调节；是腿长的变化速度；l0是腿部原长；k
A
是A腿的刚度；||l
A
||是A腿的实际长度；是沿A腿方向的单位向量；p
c
＝[x
c
,z
c
]
T
是质心位置；早期摆动控制模式采用5阶贝塞尔曲线生成足部轨迹，其采用以下公式进行控制：
其中，t是归一化的时间系数；P
i
＝[x
pi
,z
pi
]是前向平面中的控制点；B(t)＝[x
Bi
,z
Bi
]是足部轨迹上的点；n为贝塞尔曲线的阶数。7.如权利要求5所述的双足机器人的步态规划方法，其特征在于：如果双足机器人处于双足支撑模式，则采用双足支撑控制模式，所述双足支撑控制模式包括第一阶段及第二阶段，第一阶段为B腿落地后，第二阶段为重心逐渐向B腿转移；第一个阶段为B腿落地后，且满足k
B
(l0‑
||l
B
||)＜0.3mg，此时A腿仍起主要的支撑作用，采用以下公式进行控制：第二个阶段为重心逐渐向B腿转移，且满足k

【专利技术属性】
技术研发人员：高亮，谢思诚，钟浩然，卢盛雨，胡成颢，董昊臻，李新宇，李培根，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：