CN111176342A - 一种双足机器人仿人步态的步行速度调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双足机器人仿人步态的步行速度调节方法。该方法包括双足支撑相调节以及单足支撑相调节；所述双足支撑相调节为通过调节双足支撑相时长来调节步行速度；所述单足支撑相调节为通过在单足支撑相对支撑脚踝关节的俯仰自由度施加力矩改变轨道能量来调节步行速度。相比以往的步行速度切换方法，该方法无需事先设计多组步态，而是基于速度反馈，通过改变步态参数以及施加力矩控制来实现速度调节与切换。基于本发明所提供的步行速度调节方法，能有效帮助机器人实现实时速度切换，从而提高机器人的步行灵活性以及环境适应能力。

Description

一种双足机器人仿人步态的步行速度调节方法

技术领域

本发明属于机器人技术领域，尤其涉及一种双足机器人仿人步态的步行速度调节方法。

背景技术

双足机器人具有人类的外观特征与步行方式，因而可适应人类的生活和工作环境，能够代替人类完成各种作业，具有非常广泛的应用前景。根据《2017年社会服务发展统计公报》，截至2017年底，我国60岁及以上老年人口24090万人，占总人口的17.3％，其中65岁及以上老年人口15831万人，占总人口的11.4％。如何应对未来劳动力短缺以及人口老龄化等问题，已成为我国社会经济发展所面临的重大挑战，而双足机器人被认为是解决此类问题的重要手段。此外，随着劳动力成本的持续上升，双足机器人还可广泛应用于工业服务、航空航天、维修保养以及医疗康复等领域。

近年来，双足机器人的研究取得了很大的进展，其步行性能也有了很大提高。然而，双足机器人的行走步态在多样性以及灵活性方面还存在着不足，特别是步态切换的能力。在实际行走过程中，机器人不可避免地需要适时适地对步态进行切换，以躲避障碍、跟踪目标。其中，尤以步行速度调节与切换最为常见。从已公开的代表性文献来看，国内外研究人员一般通过事先设计多组参考步态，再控制机器人在多组参考步态间进行切换来实现步行速度的调节，包括文献《A framework for the control of stable aperiodicwalking in underactuated planar bipeds》、《From 2D Design of UnderactuatedBipedal Gaits to 3D Implementation:Walking With Speed Tracking》以及近期的文献《Control strategy for gait transition of an underactuated 3D bipedal robot》等。然而，该方法在实际实施时比较复杂，不仅需要提前存储多组参考步态，还需存储各参考步态间的切换步态，且只能实现有限种步行速度的切换。本发明将针对具有仿人步态的双足机器人，提供一种步行速度调节方法，该方法无需事先设计多组步态，而是基于速度反馈，通过改变步态参数以及施加力矩控制来实现速度调节与切换。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种双足机器人仿人步态的步行速度调节方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种双足机器人仿人步态的步行速度调节方法，包括双足支撑相调节以及单足支撑相调节等。所述双足支撑相调节为通过调节双足支撑相时长T_d来调节步行速度；所述单足支撑相调节为通过在单足支撑相对支撑脚踝关节的俯仰自由度q_ankle,st施加力矩u_ankle,st改变轨道能量来调节步行速度。

进一步地，所述双足支撑相调节为通过调节双足支撑相时长T_d来调节步行速度，包括以下子步骤：

(1.1)输入期望质心速度v_d。

(1.2)通过下式得到所述机器人双足支撑相时长T_d：

其中，T_min为最小步行速度对应的双足支撑相时长，T_max为最大步行速度对应的双足支撑相时长，v_max为最大步行速度，v_min为最小步行速度。

(1.3)规划摆动腿踝关节俯仰自由度q_ankle,sw的作用轨迹，达到调节步行速度的目的：

其中，向量α_k为q_ankle,sw的贝塞尔多项式系数，

进一步地，所述贝塞尔多项式系数α_k通过下式得到：

其中，q_ankle,0和

为q_ankle,sw的初始角度与角速度，q_ankle,1和

为q_ankle,sw的末状态角度与角速度。

进一步地，所述单足支撑相调节为通过在单足支撑相对支撑脚踝关节的俯仰自由度q_ankle,st施加力矩u_ankle,st改变轨道能量来调节步行速度，包括以下子步骤：

(2.1)输入期望质心速度v_d。

(2.2)计算单足支撑相初始时刻的轨道能量E₀和期望质心速度对应的轨道能量E_d：

其中，

g为重力加速度，h为质心高度；x₀为单足支撑相初始时刻的质心坐标，

为单足支撑相初始时刻的质心速度。

(2.3)计算在单足支撑相对支撑脚踝关节的俯仰自由度q_ankle,st施加力矩u_ankle,st：

u_ankle,st＝-k_u(E₀-E_d)

其中，k_u为比例系数。

进一步地，所述比例系数k_u＝50。

本发明的有益效果在于：本发明提供了一种双足机器人仿人步态的步行速度调节方法，该方法无需事先设计多组步态，而是基于速度反馈，通过改变步态参数以及施加力矩控制来实现速度调节与切换。基于本发明所提供的步行速度调节方法，能有效帮助机器人实现实时速度切换，从而提高机器人的步行灵活性以及环境适应能力。

附图说明

图1为11自由度双足机器人的模型示意图；

图2为双足机器人仿人步态步行速度的调节过程。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本实施例考虑具有11个自由度的双足机器人，q_ankle,roll为支撑脚踝关节在前向平面内的自由度，q_ankle,st为支撑脚踝关节在侧向平面内的自由度，q_knee,st为支撑腿膝关节自由度，q_yaw,st为支撑腿髋关节的转动自由度，q_roll,st为支撑腿髋关节的摆动自由度，q_pitch,st为支撑腿髋关节的俯仰自由度，q_yaw,sw为摆动腿髋关节的转动自由度，q_roll,sw为摆动腿髋关节的摆动自由度，q_pitch,sw为摆动腿髋关节的俯仰自由度，q_knee,sw为摆动腿膝关节自由度其中，q_ankle,sw为摆动腿踝关节俯仰自由度；其中，q_ankle,roll是没有电机驱动的欠驱动自由度。

具有仿人步态的双足机器人，其步行过程一般包含双足支撑相以及单足支撑相两个阶段，在双足支撑相阶段，机器人依靠后脚脚踝的推力使机器人质心往前移动，在单足支撑相，机器人支撑脚踝关节自由度处于被动状态，机器人质心在重力作用下自然前移。为调节双足机器人仿人步态的前行速度，提高其步态灵活性以及环境适应能力。本发明所提供的双足机器人仿人步态步行速度调节方法包括双足支撑相调节以及单足支撑相调节，如图2所示；应用于双足步行机器人，无需事先设计多组步态，而是通过改变双足支撑相时长以及在单足支撑相对支撑脚踝关节施加力矩控制来实现速度调节，具体如下：

1)双足支撑相调节。双足支撑相的速度调节主要通过调节双足支撑相的时长T_d，即通过改变双足支撑相脚踝的爆发力来调节机器人的速度，在给定末状态的情况下，T_d越小，踝关节爆发力越大，T_d越大，踝关节爆发力越小。在此过程中，机器人双足支撑相的其它步态参数不发生改变。

根据前述发明内容，机器人双足支撑相的时长T_d可由如下线性插值方法进行确定：

其中，T_min为最小步行速度所对应的双足支撑相时长，T_max为最大步行速度所对应的双足支撑相时长，v_max为机器人的最大步行速度，v_min为机器人的最小步行速度，v_d为机器人的期望质心速度，v_max、T_max、v_min、T_min等参数根据机器人的实际情况测得。

基于双足支撑相时长，机器人摆动腿踝关节俯仰自由度q_ankle,sw的作用轨迹可表示为

其中，向量a_k(k＝0,1,2,3)为q_ankle,sw的贝塞尔多项式系数，可通过q_ankle,sw的初始状态以及给定的末状态进行确定；

其中，q_ankle,0和

为q_ankle,sw的初始角度与角速度，q_ankle,1和

为q_ankle,sw的末状态角度与角速度。

2)单足支撑相调节。单足支撑相的速度调节问题被转化为该阶段轨道能量的调节问题，而机器人轨道能量的调节主要通过对支撑脚踝关节的俯仰自由度q_ankle,st直接施加力矩控制来实现。

首先，在单足支撑相将机器人简化为线性倒立摆模型；机器人在前进方向上的轨道能量可表示为

其中，

h为质心高度，x为机器人质心在前进方向上的坐标，

为机器人质心在前进方向上的速度。在未受到外部扰动时，机器人的轨道能量保持不变。

然后，计算机器人单足支撑相初始时刻的轨道能量E₀和期望质心速度对应的轨道能量E_d：

其中，

g为重力加速度，h为质心高度；x₀为单足支撑相初始时刻的质心坐标，

为相应的初始质心速度。

最后，在单足支撑相对支撑脚踝关节俯仰自由度q_ankle,st施加力矩u_ankle,st：

其中，E₀为机器人单足支撑相初始时刻的轨道能量，E_d为期望的轨道能量，k_u为比例系数，取50。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种双足机器人仿人步态的步行速度调节方法，其特征在于，包括双足支撑相调节以及单足支撑相调节等。所述双足支撑相调节为通过调节双足支撑相时长T_d来调节步行速度；所述单足支撑相调节为通过在单足支撑相对支撑脚踝关节的俯仰自由度q_ankle,st施加力矩u_ankle,st改变轨道能量来调节步行速度。

2.根据权利要求1所述双足机器人仿人步态的步行速度调节方法，其特征在于，所述双足支撑相调节为通过调节双足支撑相时长T_d来调节步行速度，包括以下子步骤：

(1.1)输入期望质心速度v_d。

(1.2)通过下式得到所述机器人双足支撑相时长T_d：

其中，T_min为最小步行速度对应的双足支撑相时长，T_max为最大步行速度对应的双足支撑相时长，v_max为最大步行速度，v_min为最小步行速度。

(1.3)规划摆动腿踝关节俯仰自由度q_ankle,sw的作用轨迹，达到调节步行速度的目的：

其中，向量α_k为q_ankle,sw的贝塞尔多项式系数，

3.根据权利要求2所述双足机器人仿人步态的步行速度调节方法，其特征在于，所述贝塞尔多项式系数α_k通过下式得到：

其中，q_ankle,0和

为q_ankle,sw的初始角度与角速度，q_ankle,1和

为q_ankle,sw的末状态角度与角速度。

4.根据权利要求1所述双足机器人仿人步态的步行速度调节方法，其特征在于，所述单足支撑相调节为通过在单足支撑相对支撑脚踝关节的俯仰自由度q_ankle,st施加力矩u_ankle,st改变轨道能量来调节步行速度，包括以下子步骤：

(2.1)输入期望质心速度v_d。

(2.2)计算单足支撑相初始时刻的轨道能量E₀和期望质心速度对应的轨道能量E_d：

其中，

g为重力加速度，h为质心高度；x₀为单足支撑相初始时刻的质心坐标，

为单足支撑相初始时刻的质心速度。

(2.3)计算在单足支撑相对支撑脚踝关节的俯仰自由度q_ankle,st施加力矩u_ankle,st：

u_ankle,st＝-k_u(E₀-E_d)

其中，k_u为比例系数。

5.根据权利要求4所述双足机器人仿人步态的步行速度调节方法，其特征在于，所述比例系数k_u＝50。

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