一種雙足機器人步行規(guī)劃和控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及一種雙足機器人步行規(guī)劃和控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 雙足機器人是最有希望成為在人類生活和工作的環(huán)境中服務(wù)于人的機器人類型， 其一直是機器人領(lǐng)域的研究熱點。盡管近年來雙足機器人研究取得了巨大進展，但就目前 的發(fā)展水平看，還遠沒有達到能夠?qū)嶋H應(yīng)用的要求，主要原因之一就是機器人的動態(tài)運動 能力和抗擾動能力都較差。
[0003] 步行能力是雙足機器人區(qū)別于其他類型移動機器人的本質(zhì)運動特征，一直以來， 步行規(guī)劃就是雙足機器人研究的重點之一。當(dāng)前絕大多數(shù)雙足機器人的步行規(guī)劃都是在滿 足零力矩點(Zero Moment Point，簡稱:ZMP)穩(wěn)定約束條件的前提下，生成關(guān)芐基于時間的 運動軌跡序列，關(guān)節(jié)準(zhǔn)確執(zhí)行這些軌跡序列完成步行運動。這種情況下，雙足機器人是一個 確定系統(tǒng)，不存在不可控的自由度。ZMP穩(wěn)定約束本身也是一種過于保守的方法，它要求支 撐腳與地面完全接觸，而人類在實際的行走和跑步等運動過程中，并不遵守ZMP判據(jù)。此外， 對于部分無腳掌的雙足機器人，由于腿部和地面之間是一個欠驅(qū)動關(guān)節(jié)，該關(guān)節(jié)的運動不 可控，因此基于關(guān)節(jié)軌跡序列的步行規(guī)劃方法已很難適用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種運用相變圖的雙足機器人步行規(guī)劃和控 制方法，
[0005] -種雙足機器人步行規(guī)劃和控制方法，其特征在于它包括以下步驟：
[0006] (1)建立符合雙足機器人等效模型的水平運動方程，確定穩(wěn)態(tài)軌跡的相變圖；
[0007] (2)計算雙足機器人行走的單步步態(tài)參數(shù)，在相變圖中確定期望的單步水平運動 軌跡；
[0008] (3)根據(jù)水平運動軌跡計算雙足機器人行走的落腳點，實現(xiàn)水平運動速度切換，并 實時進行落腳點的計算與調(diào)整；
[0009] (4)根據(jù)落腳點位置計算各關(guān)節(jié)角度，并控制各關(guān)節(jié)完成行走運動；
[0010] 所述相變圖以雙足機器人的水平位置X為橫軸、雙足機器人水平運動速度i為縱 軸。
[0011] 進一步地，它通過計算虛擬水平力并建立機器人身體的所述水平運動方程，并據(jù) 此計算機器人身體水平運動速度和水平位置之間的關(guān)系。
[0012] 進一步地，它根據(jù)人的行走步態(tài)公式來確定雙足機器人行走速度對應(yīng)的單步周期 和步長，建立機器人身體的水平運動方程，并據(jù)此計算機器人身體單步平均水平運動速度 和水平落腳點位置之間的關(guān)系。
[0013] 進一步地，解析所述身體水平運動方程，并根據(jù)勻速穩(wěn)態(tài)步行運動模式，確定期望 的單步初始落腳點位置和單步初始速度，根據(jù)單步周期，在相變圖中繪制成期望速度對應(yīng) 的水平運動軌跡。
[0014] 進一步地，根據(jù)解析的身體水平運動方程，得到行走速度切換時的水平初始落腳 點位置，完成行走速度的切換;根據(jù)機器人當(dāng)前水平落腳點位置、當(dāng)前水平運動速度和當(dāng)前 步剩余時間估計當(dāng)前步的末速度;并根據(jù)估計的末速度實時計算下一步落腳點位置。
[0015] 進一步地，根據(jù)落腳點位置，計算擺動腿各關(guān)節(jié)角度并發(fā)送給關(guān)節(jié)控制器，再換算 成支撐各關(guān)節(jié)力矩發(fā)送給關(guān)節(jié)控制器;關(guān)節(jié)控制器按要求對機器人各關(guān)節(jié)施加控制，最后 完成雙足機器人行走運動。
[0016] 進一步地，它通過虛擬力控制將站立時的雙足機器人等效成一個線性倒立擺系 統(tǒng);所述線性倒立擺系統(tǒng)通過豎直虛擬力為身體質(zhì)心高度設(shè)計閉環(huán)控制率將質(zhì)心控制在恒 定高度，通過虛擬力矩為機器人身體姿態(tài)設(shè)計閉環(huán)控制率，將身體機器人姿態(tài)保持在直立 狀態(tài)，確定虛擬豎直力和虛擬力矩。
[0017] 由于采用本發(fā)明的計算方案，本發(fā)明基于相變圖的運動描述，可以直觀分析雙足 機器人的運動規(guī)律。通過人體步態(tài)公式關(guān)聯(lián)行走速度與單步步長/周期的關(guān)系，可以簡化單 步步長/周期的計算。雙足機器人的姿態(tài)和高度可以通過虛擬力進行閉環(huán)控制，行走速度可 以通過實時的落腳點調(diào)整進行閉環(huán)控制，機器人所有方向的運動狀態(tài)都可以被有效控制， 并以單步周期作為單步開始和結(jié)束的觸發(fā)事件，可以很好對單步末速度進行預(yù)測，便于落 腳點的實時計算與調(diào)整，因此機器人的步行運動具有很強的魯棒性，可以抵消機器人本身 摩擦阻尼等因素的影響，也可以外力擾動和地面不平整擾動時快速恢復(fù)原有的運動狀態(tài)。
【附圖說明】
[0018] 圖la:雙足機器人虛擬力控制模型示意圖。
[0019] 圖lb:雙足機器人對應(yīng)線性倒立擺系統(tǒng)的模型示意圖。
[0020] 圖2:雙足機器人水平運動相變圖。
[0021] 圖3:目標(biāo)速度對應(yīng)的期望水平運動軌跡。
[0022] 圖4:行走速度切換示意圖。
[0023] 圖5:本發(fā)明的流程圖。
【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明技術(shù)方案加以詳細說明。
[0025] 步驟S1:在上位機上為機器人設(shè)定目標(biāo)水平運動速度和身體高度。
[0026] 步驟S2:參考人類行走過程中身體高度和姿態(tài)幾乎維持恒定的特點，通過虛擬力 控制將站立時的無腳掌雙足機器人等效成一個線性倒立擺系統(tǒng)（Linear Inverted Pendulum Model，簡稱:LIPM)，如圖lb所示。LIPM的重要特征之一就是身體質(zhì)心始終保持在 恒定高度Zd、身體姿態(tài)始終保持在直立姿態(tài)。因此，通過豎直虛擬力為身體質(zhì)心高度設(shè)計閉 環(huán)控制率將質(zhì)心控制在恒定高度，通過虛擬力矩為身體姿態(tài)設(shè)計閉環(huán)控制率將身體姿態(tài)保 持在直立狀態(tài)。
[0027] 身體質(zhì)心高度的閉環(huán)控制率為：
[0028]
(!)
[0029] 式中：z和i分別為實際的身體質(zhì)心高度和豎直速度，m為身體質(zhì)量，g為重力加速 度，kzp和kzd分別為豎直閉環(huán)控制率的比例和微分參數(shù)。
[0030] 身體姿態(tài)的閉環(huán)控制率為：
[0031]
(2)
[0032] 式中：9b和或.分別為實際的身體姿態(tài)角和姿態(tài)角速度，kbp和kbd分別為旋轉(zhuǎn)運動閉 環(huán)控制率的比例和微分參數(shù)。
[0033] 步驟S3:在式（1)和式(2)兩個閉環(huán)控制率的作用下，身體的高度和姿態(tài)可以很好 的維持在期望值，因此穩(wěn)定行走規(guī)劃時，身體維持在恒定高度需要的豎直虛擬力大小為身 體受到的重力F z=mg，但方向與重力方向相反;身體維持直立姿態(tài)需要的虛擬力矩為零， =0。在虛擬豎直力和虛擬力矩確定的情況，計算虛擬水平力并建立機器人身體的水平運動 方程為：
[0034]
(3)
[0035] 式中：
[0036]
[0037] LIPM的軌道能量為：
[0038] ⑷
[0039]機器人的軌道能量ELIP在單步期間保持不變，得到身體水平運動速度和水平運動 位置之間的關(guān)系：
[0040]
.(5)<