CN111267991B - 一种双足机器人下肢结构尺寸的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明从便于双足机器人步态规划与控制的角度出发，提供一种双足机器人下肢结构尺寸的设计方法，为双足机器人下肢结构尺寸的设计提供了理论与方法指导。首先，根据人体尺寸比例，设计下肢的总体高度尺寸，机器人的大腿长度尺寸以及小腿长度尺寸；然后，从便于双足机器人进行运动分析与控制的角度，设计机器人下肢的宽度尺寸；最后，根据机器人上肢以及下肢的尺寸、质量分布，设计机器人的脚掌尺寸。

Description

一种双足机器人下肢结构尺寸的设计方法
技术领域
本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种双足机器人下肢结构尺寸的设计方法。
背景技术
近年来，双足机器人的发展受到了国内外的广泛关注，许多国家都已经成功设计出双足机器人的原型机，如美国波士顿动力公司的Atlas、Agility robotics公司的Cassie、日本本田公司的ASIMO、AIST的HRP系列、韩国KAIST的HUBO系列、欧洲开源机器人iCub、我国北京理工大学的汇童系列、哈尔滨工业大学的WLR-II与GoRoBoT、中国科学技术大学的XT、浙江大学的悟空以及清华大学的THU-Strider等。迄今，尽管双足机器人的样机研制已经取得很大进展，但很少有研究人员去深入考虑双足机器人结构尺寸的设计依据与方法。目前，关于双足机器人的结构尺寸设计主要有两种方法，一是借鉴人体尺寸，二是借鉴以往成功的双足机器人样机尺寸。在此，本发明从有利于双足机器人步态规划与控制的角度，提出一种双足机器人下肢结构尺寸的设计方法。
发明内容
本发明从便于双足机器人步态规划与控制的角度出发，提供一种双足机器人下肢结构尺寸的设计方法，本发明的技术目的通过以下技术方案实现：
一种双足机器人下肢结构尺寸的设计方法，包含以下步骤：
步骤一，根据双足机器人的总体高度尺寸要求h，按照人体尺寸比例确定机器人下肢的总体高度尺寸l，进而确定机器人的大腿长尺寸l1以及小腿长尺寸l2。
步骤二，基于双足机器人的运动分析以及步态控制理论，根据机器人下肢的总体高度尺寸l，设计机器人下肢的宽度尺寸w。
步骤三，根据机器人上肢以及下肢的尺寸和质量分布，并采用静态平衡的方法确定机器人的脚掌尺寸。
进一步地，根据人体尺寸比例，取l＝h/2，l1＝l2＝l/2。
进一步地，步骤二中，宽度尺寸w的设计是基于双足机器人的运动分析以及步态控制理论，具体方法如下：
宽度尺寸w的设计应便于研究人员使用简化模型来对双足机器人进行运动分析和步态控制。在前向平面内，机器人质心在左右落脚点间来回摆动，其运动学模型可简化为如下单质量倒立摆模型：
Figure BDA0002374352750000021
其中g为重力加速度，z为机器人质心与支撑脚之间连线的长度，θ为该连线与重力方向的夹角。由于机器人质心在左右落脚点间来回摆动，θ的取值范围为θ∈[α,θmax]，α为θ的最小值，最大值θmax应当满足tanθmax＝0.5w/l，根据最大值θmax的取值范围可确定获得宽度尺寸w的上限约束和下限约束。
进一步地，最大值θmax的下限根据如下方法获得：宽度尺寸w的设计应使机器人有足够的摆动时间，以便机器人在硬件层面来得及完成规划动作。
当θmax足够小时，上述运动方程可简化为
Figure BDA0002374352750000022
上式存在解析解，解析解为
Figure BDA0002374352750000023
其中θ0初始角度值，
Figure BDA0002374352750000024
为初始角速度值，
Figure BDA0002374352750000025
令eCt＝y，
Figure BDA0002374352750000026
由于y＞0，可推导出
Figure BDA0002374352750000031
其中
Figure BDA0002374352750000032
因此，前向平面内，机器人质心从θ＝α摆动到θ＝θmax的时间为
Figure BDA0002374352750000033
为使机器人在硬件层面来得及完成规划动作，td应满足td≥T，T为机器人所需最小动作时间。根据该条件，可求得θmax的下限，从而可根据tanθmax＝0.5w/l进一步获得宽度尺寸w的下限约束。
进一步地，θmax的上限取为θmax<π/18，从而可根据tanθmax＝0.5w/l获得宽度尺寸w的上限约束：
w≤0.35l
进一步地，所述步骤三中机器人脚掌尺寸设计的具体步骤如下：首先，前向平面内，当单脚站立时，机器人质心与支撑脚连线与重力方向的夹角在[-θ1,θ1]范围内，机器人能保持静态平衡，因此，机器人脚掌宽度尺寸可设计为w1≥2lθ1；然后，侧向平面内，其余关节保持不变，机器人踝关节前倾θ2时，机器人能保持静态平衡，因此机器人脚掌长度尺寸可设计为w2≥ltanθ2。
进一步地，所述步骤三中，根据机器人的上肢以及下肢的尺寸、质量分布，取θ1＝π/60，θ2＝π/10。
本发明的有益效果在于：本发明提供一种双足机器人下肢结构尺寸的设计方法，该方法从便于双足机器人步态规划与控制的角度出发，为双足机器人下肢结构尺寸的设计提供了理论与方法指导。采用本发明方法设计的双足机器人下肢结构，便于采用简化动力学对双足机器人进行步态规划与控制，从而可提高机器人的实时性以及动态平衡能力。
附图说明
图1为双足机器人下肢结构尺寸示意图，a为前向平面，b为侧向平面；
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。
一种双足机器人下肢结构尺寸的设计方法，包含以下步骤：
步骤一，根据双足机器人的总体高度尺寸要求h，确定机器人下肢的总体高度尺寸l，进而确定机器人的大腿长尺寸l1以及小腿长尺寸l2。根据人体尺寸比例，取l＝h/2，l1＝l2＝l/2。本实施例取h＝1.8m，则l＝0.9m，l1＝l2＝0.45m。
步骤二，根据机器人下肢的总体高度尺寸l，设计机器人下肢的宽度尺寸w。宽度尺寸w的设计是基于双足机器人的运动分析以及步态控制理论，具体思路如下：
(2.1)首先，宽度尺寸w的设计应便于研究人员使用简化模型来对双足机器人进行运动分析和步态控制。在前向平面内，机器人质心在左右落脚点间来回摆动，其运动学模型可简化为如下单质量倒立摆模型：
Figure BDA0002374352750000041
其中g为重力加速度，z为机器人质心与支撑脚之间连线的长度，θ为该连线与重力方向的夹角，
Figure BDA0002374352750000042
为角加速度。由于机器人质心在左右落脚点间来回摆动，θ的取值范围为θ∈[α,θmax]，α为θ的最小值，α＞0。当双脚平稳站立时，质心位于下肢中间，此时得到最大值θmax，因此满足tanθmax＝0.5w/l。其次，宽度尺寸w的设计应使机器人有足够的摆动时间，以便机器人在硬件层面来得及完成规划动作。当θmax足够小时，上述运动方程可简化为
Figure BDA0002374352750000051
上式存在解析解，从而便于机器人的实时规划与控制。该解析解为
Figure BDA0002374352750000052
其中θ0初始角度值，
Figure BDA0002374352750000053
为初始角速度值，
Figure BDA0002374352750000054
令eCt＝y，
Figure BDA0002374352750000055
由于y＞0，可推导出
Figure BDA0002374352750000056
其中
Figure BDA0002374352750000057
因此，前向平面内，机器人质心从θ＝a摆动到θ＝θmax的时间为
Figure BDA0002374352750000058
为使机器人在硬件层面来得及完成规划动作，td应满足td≥T，T为机器人所需最小动作时间。据此，可获得θmax的下限。
(2.2)θmax应当满足tanθmax＝0.5w/l，根据最大值θmax的取值范围可确定获得宽度尺寸w的上限约束和下限约束。
本实施例中，由于θmax足够小，此时，运动方程中的z可用l代替。并且，取α＝π/45，T＝0.45s，因而宽度尺寸w的下限约束为w≥0.2941m。优选地，本发明取θmax的上限θmax<π/18，因而可获得宽度尺寸w的上限约束
w≤0.35l
因此，本实施例中，w≤0.315m。
综上，本实施例的宽度尺寸w设计为0.3m。
步骤三，根据机器人上肢以及下肢的尺寸、质量分布，并采用静态平衡的方法确定机器人的脚掌尺寸。首先，前向平面内，当单脚站立时，机器人质心与支撑脚连线与重力方向的夹角在[-θ1,θ1]范围内(根据机器人上肢以及下肢的尺寸、质量分布，优选地，取θ1＝π/60)，机器人能保持静态平衡，因此，机器人脚掌宽度尺寸可设计为w1≥2lθ1＝0.0942，最终可取整设计为0.1m；然后，侧向平面内，其余关节保持不变，机器人踝关节前倾θ2时(上肢以及下肢的尺寸、质量分布，优选地，取θ2＝π/10)，机器人能保持静态平衡，因此机器人脚掌长度尺寸可设计为w2≥ltanθ2＝0.292，最终可取整设计为0.3m。
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 (3)

1.一种双足机器人下肢结构尺寸的设计方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤一，根据双足机器人的总体高度尺寸要求h，按照人体尺寸比例确定机器人下肢的总体高度尺寸l、大腿长尺寸l1以及小腿长尺寸l2；
步骤二，基于双足机器人的运动分析以及步态控制理论，根据机器人下肢的总体高度尺寸l，设计机器人下肢的宽度尺寸w，具体为：
在前向平面内，机器人质心在左右落脚点间来回摆动，其运动学模型简化为如下单质量倒立摆模型：
Figure FDA0002949821340000011
其中g为重力加速度，z为机器人质心与支撑脚之间连线的长度，θ为该连线与重力方向的夹角，
Figure FDA0002949821340000012
为角加速度；由于机器人质心在左右落脚点间来回摆动，θ的取值范围为θ∈[α,θmax]，α为θ的最小值，θmax为最大值；所述θmax应当满足tanθmax＝0.5w/l，根据最大值θmax的取值范围确定获得宽度尺寸w的上限约束和下限约束；其中，θmax取值的下限根据如下方法获得：
当θmax足够小时，机器人的运动方程简化为
Figure FDA0002949821340000013
机器人简化模型
Figure FDA0002949821340000014
的解析解为
Figure FDA0002949821340000015
其中θ0初始角度值，
Figure FDA0002949821340000016
为初始角速度值，
Figure FDA0002949821340000017
令eCt＝y，
Figure FDA0002949821340000018
由于y>0，推导出
Figure FDA0002949821340000021
其中
Figure FDA0002949821340000022
因此，前向平面内，机器人质心从θ＝α摆动到θ＝θmax的时间为
Figure FDA0002949821340000023
为使机器人在硬件层面来得及完成规划动作，td应满足td≥T，T为机器人所需最小动作时间；据此求得θmax的下限；
θmax取值的上限取为θmax<p/18，从而根据tanθmax＝0.5w/l获得宽度尺寸w的上限约束：
w≤0.35l
步骤三，根据机器人上肢以及下肢的尺寸和质量分布，并采用静态平衡的方法确定机器人的脚掌尺寸，具体步骤如下：前向平面内，当单脚站立时，机器人质心与支撑脚的连线与重力方向的夹角在[-θ1,θ1]范围内机器人能保持静态平衡，机器人脚掌宽度尺寸设计为w1≥2lθ1；侧向平面内，其余关节保持不变，机器人踝关节前倾θ2时机器人能保持静态平衡，机器人脚掌长度尺寸设计为w2≥l tanθ2。
2.如权利要求1所述的一种双足机器人下肢结构尺寸的设计方法，其特征在于，所述步骤一中，取l＝h/2，l1＝l2＝l/2。
3.如权利要求1所述的一种双足机器人下肢结构尺寸的设计方法，其特征在于，所述步骤三中，取θ1＝p/60，θ2＝p/10。
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