[发明专利]一种双足机器人下肢结构尺寸的设计方法

说明书

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。

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：

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,θ_max]，α为θ的最小值，最大值θ_max应当满足tanθ_max＝0.5w/l，根据最大值θ_max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θ_max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θ_max足够小时，上述运动方程可简化为

上式存在解析解，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y＞0，可推导出