[发明专利]一种基于质心高度补偿的仿人机器人步态生成方法

权利要求书

1.一种基于质心高度补偿的仿人机器人步态生成方法，其特征在于：结合人体自然步态运动规划和3-D直线倒立摆模型下的步态运动规划，包括如下步骤：步骤1)：人体自然步态运动规划的分析；步骤2)：质心高度补偿的分析；所述步骤1)将人体自然步态运动规划简化为3-D直线倒立摆模型进行分析；所述步骤2)在所述步骤1)分析的基础上分析仿人机器人行走时摆动腿的运动对其质心高度的运动轨迹的影响，引入质心高度补偿将仿人机器人行走步态划分为四个阶段，规划其步态生成,所述步骤1)包括如下：

所述人体自然步态：所述3-D直线倒立摆模型将质量固定在髋部，使用3-D直线倒立摆模型生成的仿人行走髋部高度的运动轨迹，显示最大步幅与腿最大伸长时的髋部高度之间的关系，由于最大腿伸长度和髋部高度是不变的，机器人的步态将受到限制；

人在行走过程中，人体髋关节轨迹接近余弦曲线，作为仿人机器人行走时的自然步态的一个轨迹优化点,所述3-D直线倒立摆模型的步态分为单腿支撑和双腿支撑两个阶段：在单腿支撑阶段，机器人动力学建模为一个倒立摆，假设支撑腿为无重力伸缩支腿，质量集中为一个点，无垂直向运动，支撑点的扭矩为零，因此质心自由旋转，基于牛顿-欧拉法，得到3-D直线倒立摆模型与地面之间支承点周围的角动量的动力学方程：

这里，F_gr＝[F_x,F_y,F_z]^T表示地面反作用力产生的扭矩，G_gr＝[0,0,-g]^T代表重力，r_cm＝[x,y,z]^T表示从接触点到质心的矢量，L是质心的线性动量，得到了水平面上的质心轨迹运动方程：

当z_c为常数时，通过求解微分方程得到如下结果：

矢向运动:

横向运动:

这里，(x_i,v_xi)、(x_f,v_xf)和(y_i,v_yi)分别代表质心在矢向面和横向面上的初始和最终位置及速度，t为单腿支撑时间，S(t)＝sinh(t/T_c)和C(t)＝cosh(t/T_c)在固定时间内；

所述步骤2)包括如下：

在单腿支撑阶段，引入质心高度补偿，具体步骤包括如下：

行走姿态指令定义为：

C＝[B_l B_r D_l D_r S_l S_r F_l F_r]

分别表示左/右腿的起始阶段，左/右腿的双支撑阶段，左/右腿的单支撑阶段，左/右腿的最终停止阶段，结合行走姿态指令，通过对机器人进行预处理，可以快速获取下一姿态的步态数据，

基于行走姿态指令生成的原始步态，具体包括如下过程：

1)设置行走参数：

设置行走参数如下表所示：

符号	符号的意义	值
per]]>	单个行走步长周期	1.32s
ssup]]>	单腿支撑时间	1.2s
dsup]]>	双腿支撑时间	0.12s
st]]>	步长	0.2m
st]]>	步宽	0.18m
c]]>	质心高度	0.55m

2)左腿/右腿的起始/结束阶段：

在使用3-D直线倒立摆模型时，起始阶段是非常重要的，直接决定机器人能否成功地由静态变为倒立摆的动态模型，如果起始阶段没有进行技术处理，机器人反馈控制机制将受到挑战，

在X、Y方向采用五次多项式微分，质心的初始速度为零，终点速度设为倒立摆模型时Y方向的最大速度，之后，质心进入3-D直线倒立摆轨迹模式，然后在半个行走步态后进入双支撑阶段，摆动腿的脚轨迹可以规划为余弦函数，如下：

Z(t)＝A+B*cos(2*pi*t/(Tsup/2))

这里，t∈[0,0.5*Tsup]

3)左腿/右腿单支撑阶段：

由于质心在髋关节坐标系中的相对位置是固定的，因此将质心位置视为髋关节位置，在单腿支撑阶段，将半余弦曲线视为周期函数，使用全余弦函数作为Z方向的周期函数，

4)左腿/右腿双支撑阶段：

采用三次多项式微分来计算速度，由于双腿支撑阶段增加了质心在x-y平面上的位移，需要根据相同的比例改变步态的整体长度，

5)总体规划：

根据行走姿态指令，设计了一个完整的步态，故总体行走姿态指令序列定义如下：

B＝[B_r D_r S_l D_l S_r D_r F_l]。