一种具有屈膝行为的双足被动行走步态控制方法技术

本发明专利技术涉及一种具有屈膝行为的双足被动行走步态控制方法，该控制方法包括以下步骤：1)以摆动腿触地后转换为支撑腿的时刻作为周期步态的开始时刻，此时原支撑腿转换为摆动腿；2)摆动腿向前自由摆动直至摆动腿的膝关节碰撞，此时锁紧摆动腿的膝关节；3)摆动腿继续向前自由摆动，同时支撑腿以支点为轴转动一定角度后，解锁支撑腿的膝关节；4)当摆动腿自由摆动至与地面碰撞时，该摆动腿转换为支撑腿，原支撑腿换转为摆动腿，重新开始新的周期。与现有技术相比，本发明专利技术改进了双足机器人的坡面行走能力，增强了双足机器人行走的固有稳定性，使得双足被动行走步态在较大坡度上也具有很好的稳定性，能够稳定行走的坡度范围显著提高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种双足被动行走步态控制方法，尤其是涉及。
技术介绍
基于被动动力学的机器人双足行走问题是近些年来该领域的热门问题。上世纪80年代末McGeer设计了一种仅依靠重力和自身的动力学特性，即可稳定的走下斜面的被动行走器，奠定了被动行走动力学的基础，随后，许多优秀的基于被动动力学的双足行走机器人被设计出来。与传统双足行走机器人相比，基于被动动力学的双足机器人不需要对关节进行时时的控制和跟踪，因此一方面具有固有的稳定性，不需要任何控制就可以完成周期 的行走；另一方面行走的能量消耗非常小。然而，直到目前为止，传统被动动力学机器人仅能在很小的坡面上稳定地行走，很难完成在较大坡度斜面上的行走。这主要是因为该类机器人的行走非常依赖于本体的机械结构特性，在特定的行走环境中，对机器人的结构、步态规划等方面都需要有严格的要求。通过对人类行走的观察和分析，发现人类在下坡行走时，支撑腿的屈膝行为能够提高行走对大坡度环境的适应能力，因此对双足机器人行走来说，引入人类膝关节的运动特点能够提高机器人在更大坡面上的行走能力。然而，对于传统的被动动力学机器人，提高在坡面上行走的稳定性只是通常采用控制算法来实现，这样机器人的固有稳定性相对较差，并且控制效率低，能耗大。利用屈膝行为的运动机理来改进机器人坡面上行走能力的研究还未见报导。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供，该方法改进了双足机器人的坡面行走能力，增强了双足机器人行走的固有稳定性，使得双足被动行走步态在较大坡度上也具有很好的稳定性，能够稳定行走的坡度范围显著提高。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现—种具有屈膝行为的双足被动行走步态控制方法，该方法用于控制双足机器人在坡面上行走，通过髋关节以及两个大腿和两个小腿组成的行走模型实现，所述的大腿连接髋关节，所述的小腿通过膝关节连接大腿，构成摆动腿和支撑腿，所述的控制方法包括以下步骤I)以摆动腿触地后转换为支撑腿的时刻作为周期步态的开始时刻，此时原支撑腿转换为摆动腿；2)摆动腿向前自由摆动直至摆动腿的膝关节碰撞，此时锁紧摆动腿的膝关节；3)摆动腿继续向前自由摆动，同时支撑腿以支点为轴转动一定角度后，解锁支撑腿的膝关节；4)当摆动腿自由摆动至与地面碰撞时，该摆动腿转换为支撑腿，原支撑腿换转为摆动腿，重新开始新的周期。所述的行走模型为五质点四杆行走模型，五个质点分别为髋关节、两个大腿和两个小腿的质量中心，四杆分别为两个大腿和两个小腿。所述的行走模型的状态可以表示为，式中，Q0> L Q3分别为支撑腿小腿、支撑腿大腿、摆动腿大腿、摆动腿小腿相对于行走斜面法线的夹角。步骤3)中支撑腿转动的角度大于行走坡面的坡度，并小于两倍的行走坡面坡度。与现有技术相比，本专利技术通过设计具有屈膝行为的双足被动行走步态，改进了双足机器人的坡面行走能力，增强了双足机器人行走的固有稳定性，使得双足被动行走步态在较大坡度上也具有很好的稳定性，能够稳定行走的坡度范围显著提高。附图说明图I为本专利技术的周期步态的示意图；图2为本专利技术的控制流程图；图3为五质点四杆行走模型的示意图；图4为在膝关节碰撞后的屈膝行为过程示意图；图5为坡度r = O. 2 (rad)时整个周期步态的示意图；图6为坡度r = O. 2 (rad)时各个部位的角度(a)、角速度(b)关于时间的变化关系图，图中为无量纲结果，其中时间(派 >，速度(iP \ 图7为本专利技术在不同坡度斜面上基于屈膝行为行走的稳定性和q*的关系，其中阴影区域为稳定行走区域，白色区域为不稳定区域；图8为传统被动行走步态(a)与基于屈膝行为行走步态(b)的行走过程图，该模型从与周期解有I %误差的初始状态开始行走。具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。实施例，该方法通过如图3所示的五质点四杆行走模型实现，五个质点分别为髋关节、两个大腿和两个小腿的质量中心，表征了模型的质量分布，四杆分别为两个大腿和两个小腿，大腿连接髋关节，小腿通过膝关节连接大腿，构成摆动腿和支撑腿。行走1旲型的状态可以表不为(碑切式中，q0、Q1 > q2、q3分别为支撑腿小腿、支撑腿大腿、摆动腿大腿、摆动腿小腿相对于行走斜面法线的夹角。整个控制流程如图I和图2所示，具体包括以下步骤第一步，初始状态，如图1(a):以摆动腿触地后转换为支撑腿的时刻作为周期步态的开始时刻，此时原支撑腿转换为摆动腿；第二步，摆动过程，如图1(b):摆动腿向前自由摆动；第三步，膝关节碰撞，如图1(c):摆动腿的膝关节碰撞，此时锁紧摆动腿的膝关节;第四步，摆动过程，如图1(d):摆动腿继续向前自由摆动；第五步，屈膝行为，如图1(e):同时支撑腿以支点为轴转动一定角度(该角度一般大于坡面的坡度，并小于两倍的行走坡面坡度)后，解锁支撑腿的膝关节；第六步，足地碰撞，如图1(f):当摆动腿自由摆动至与地面碰撞时，该摆动腿转换为支撑腿，原支撑腿换转为摆动腿，重新开始新的周期。模型的屈膝行为过程描述如下模型在行走过程中，设计在摆动腿膝关节发生碰撞并锁死后，支撑腿转过一定角度时，支撑腿膝关节解锁并开始弯曲。如图4(a)所示摆动腿膝关节反生碰撞时，支撑腿的角度为qk。通过在模型中设计角度参数Y来调整支撑腿膝关节解锁并弯曲的时刻qb，如图·4(b)所示，从而得到(I)式关系。在摆动腿膝关节发生碰撞后，支撑腿继续以支撑脚为圆心向前摆动，当摆动q*角度后，支撑腿膝关节开始弯曲，直到足地碰撞，一个周期行走步态结束。qb = q*+qk, q* e (I)其中qh为直到足地碰撞发生，支撑腿仍没有弯曲情况下的角度。通过调整q%可以在膝关节碰撞和足地碰撞两个时刻之间选择不同的屈膝的时亥|J，如果q* = 0，摆动腿膝关节碰撞和支撑腿的屈膝行为将同时发生；如果cf = qh-qk，行走过程中支撑腿将一直是伸直的状态，即传统的被动行走步态。对本专利技术的行走模型进行分析，具体包括以下几个方面。I)行走过程的的动力学分析，假设在步行周期中支撑脚的坐标为(0，0)，坐标轴Ox沿步行方向平行于斜面,Oy沿竖直方向向上(图3b)。定义X= (xsts，ysts，xstt，ystt，xhip，yhip，xswt，yswt，xsws，ysws)’为模型中各质点在笛卡尔直角坐标系中的坐标。分析模型得到x与q之间的传递函数F : [W Φ O 0 O O O O' y_9 O O fsin(qO) 轴kObOH 翁 Φ O coa(qO)(2) y· 0 0 alo(ql) x= mm )-C0 (ql) 艚 ΙιΟΙιΙΙΦΦΦstn(q2) X***L 9 It 0 -k 0 _ Icoe(q2) y”10 L 0 Ii β -I* · ·sln(q3) ii ·Ι*ΦΙιΟ 404*Οcos(q3> ■卜*.0 I* 0 It 0 4 0 4λ因此根据牛顿-拉格朗日原理可以得到如下形式的行走动力学方程M(q)q+C(q,q)q+G{g,r) = ~JTu(3)2)行走过程中关节力矩的约束。整个周期行走过程分为三个部分在摆动腿伸直之前，支撑腿为锁死状态；而在摆动腿膝关节发生碰撞和支撑腿屈膝之间，两条腿都是伸直的状态；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有屈膝行为的双足被动行走步态控制方法，该方法用于控制双足机器人在坡面上行走，通过髋关节以及两个大腿和两个小腿组成的行走模型实现，所述的大腿连接髋关节，所述的小腿通过膝关节连接大腿，构成摆动腿和支撑腿，其特征在于，所述的控制方法包括以下步骤：1)以摆动腿触地后转换为支撑腿的时刻作为周期步态的开始时刻，此时原支撑腿转换为摆动腿；2)摆动腿向前自由摆动直至摆动腿的膝关节碰撞，此时锁紧摆动腿的膝关节；3)摆动腿继续向前自由摆动，同时支撑腿以支点为轴转动一定角度后，解锁支撑腿的膝关节；4)当摆动腿自由摆动至与地面碰撞时，该摆动腿转换为支撑腿，原支撑腿换转为摆动腿，重新开始新的周期。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：安康，陈启军，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：