[发明专利]一种双足跑跳机器人转向控制方法

说明书

本发明公开了一种双足跑跳机器人转向控制方法，该方法包括踝关节力矩控制方法和调节腿长控制方法；所述踝关节力矩控制方法是指通过左右踝俯仰关节在不同支撑相期间施加不同力矩，从而对机器人躯干产生偏转作用，在时间的积分作用下产生偏转角度，从而完成机器人的转向控制；所述调节腿长控制方法指在机器人跑动步态中通过修改左右腿长来实现方向调整。将使得机器人可以抵抗外部扰动带来的转向扰动，以及实现自主转向控制，在整体机构设计上具有更好的简易性和实用性，降低开发成本。

技术领域

本发明涉及一种机器人控制方法，特别是一种双足跑跳机器人转向控制方法。

背景技术

双足机器人因其类人的物理结构使得它可以更好的融入大自然的环境和人的生活环境，其双足结构特点赋予了它类人的行走自由度，离散的落脚点使其可以跨越一定高度的障碍物，具有远超轮式和履带式机器人的机动性和灵活性，比如可以上下阶梯、顺利通过杂乱无章的不平整地面、甚至在面对很高障碍物时通过手足并用方式也可以顺利翻越。因此在服务、救援、以及人机协作等应用领域的前景较为广泛。在服务领域，双足机器人在不改变环境及外部设施的情况下可以更好的适应台阶、不平整路面，迅速适应人类的生活和工作环境，而且双足机器人具有和人相似的形态结构，具备双足运动可以使人共情，带来人文关怀；救援领域双足机器人可以较顺利地通过人类生活的区域，跨越障碍深入到灾害中心进行救援，如地震、塌方现场等；在特种领域，足式结构可以赋予机器人更灵活的运动模式，可以深入野外崎岖地形，执行特种任务，如侦查和勘探等。然而，目前绝大多数双足机器人仍然是通过双足步行实现运动的，但在运动速度上受到较大的限制。然而，就像自然界的动物和人一样，通过跑跳的方式可以有效提升运动的速度，但是在控制方面也带来了诸多挑战，比如跑跳时如何实现机器人的转弯就是一个有趣的研究课题。

跑跳相对于行走具有更快的运动速度和动态性能。这是由于跑跳运动中机器人可以在水平方向提供更大的推力从而实现更加快速的运动，同时在腾空阶段整个身体仍然具有惯性前向速度，因此突破了行走时受到腿长约束的限制而具有更大的跨幅和更好的灵活性。跑跳与行走存在明显的差别。在运动形式上，行走步态始终会有一只脚与面接触，摆动腿在落地时通过脚跟着地，而跑跳则定义为人或动物在运动周期的某时刻足部完全离开地面，通过足的中部着地。因此在跑跳的飞行相，机器人处于无约束的自由翻滚状态，需要在极短的着地支撑相施加精确的力控制作用并调节身体姿态。

目前，可以实现双足跑跳的机器人仍然屈指可数。以MIT腿实验室为代表的科研人员采用液压驱动的方式开发了可以跑跳的双足机器人。1986年，以MIT腿实验室为代表的双足机器人Planar Biped可以看成是世界上第一个成功实现了跑步的平面双足机器人，每条腿部采用点状足和直线腿结构，腿部伸缩和髋关节旋转均由气动驱动，机器人可以实现平面空间约束下的动态稳定跳跃和前向跑动。1989年至1995年，MIT继续研制了三维双足跑跳机器人3D Biped，该机器人的髋关节具有三个自由度，可实现髋关节的前后摆动、左右侧摆和旋转，因此可实现在三维空间内的快速跑跳。2018年，由MIT上述人员创办的波士顿动力公司研制了可以实现跑跳的双足机器人Atlas，最大跑步速度约6-8km/h，甚至可以实现后空翻、跑酷等高难度组合动作。由于液压具有较大的输出功率/质量比优势，因此对机器人重量不太敏感，在机器人具有完整自由度的情况下，也具备较大的运动敏捷性。但是液压也存在缺点，比如价格昂贵、设计和控制复杂、容易漏油且污染环境、以及带动液压泵容易产生较大噪声等问题，因此很多研究人员更倾向于采用电机驱动开发和控制双足机器人。