[发明专利]一种双足机器人下肢结构尺寸的设计方法

权利要求书

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：

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，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,θ_max]，α为θ的最小值，θ_max为最大值；所述θ_max应当满足tanθ_max＝0.5w/l，根据最大值θ_max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，θ_max取值的下限根据如下方法获得：

当θ_max足够小时，机器人的运动方程简化为

机器人简化模型的解析解为

其中θ₀初始角度值，为初始角速度值，令e^Ct＝y，由于y0，推导出

其中因此，前向平面内，机器人质心从θ＝α摆动到θ＝θ_max的时间为

为使机器人在硬件层面来得及完成规划动作，t_d应满足t_d≥T，T为机器人所需最小动作时间；据此求得θ_max的下限；

θ_max取值的上限取为θ_maxp/18，从而根据tanθ_max＝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。