[发明专利]一种基于质心模型的双足机器人步态能耗评估方法

权利要求书

1.一种基于质心模型的双足机器人步态能耗评估方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1：根据双足机器人质量M在躯体的分布位置建立质心模型，并用所述质心模型描述双足机器人运动轨迹；

所述步骤1具体包括：

步骤1.1：根据双足机器人质量M在躯体的分布位置，通过公式(1)建立质心模型：

其中，m_j表示双足机器人的第j个质心，j＝1,2,…,K；

步骤1.2：根据所述双足机器人的质心m_j以及双足机器人运动过程中采样点n时刻的位置分别构建质心向量m和质心位置矩阵R_m(n)，如式(2)和(3)表示：

m＝[m₁ m₂…m_K] (2)；

步骤2：通过双足机器人运动过程中空间位置矢量与质心重力矢量的笛卡尔积构建关节执行器负载转矩方程，并基于关节执行器轴线方位得到关节执行器的轴向负载转矩τ(n)；

所述步骤2具体包括：

步骤2.1：在不失一般性前提下，双足机器人为由L个关节执行器驱动的连杆构成，在双足机器人运动过程中第i个关节执行器的位置为则第i个关节执行器负载转矩如公式(4)表示：

其中，表示第i个关节执行器位置与第j个质心位置之间的空间位置矢量，为第j个质心重力矢量，为第i个关节执行器驱动的连杆对第j个质心的支撑系数，所述支撑系数表示完全支撑、支撑系数表示分担支撑、支撑系数表示不支撑，关节执行器负载转矩表示为所述空间位置矢量与质心重力矢量的笛卡尔积之和；

步骤2.2：双足机器人运动中第i个关节执行器的轴向单位向量为基于公式(4)，则第i个关节执行器轴向负载转矩τ_i(n)如公式(5)表示：

步骤3：双足机器人运动在步态周期N内，根据双足机器人关节执行器角速度ω(n)与轴向负载转矩τ(n)建立能耗指标函数E，所述能耗指标函数E用于评价双足机器人步态能耗；

所述步骤3具体包括：

步骤3.1：在不失一般性前提下，双足机器人运动过程中，第i个关节执行器在采样点n和n-1对应角度分别为q_i(n)和q_i(n-1)，则第i个关节执行器的角速度ω_i(n)如公式(6)表示：

其中，t_s为机器人运动控制系统的采样周期；

步骤3.2：双足机器人运动过程中，关节执行器角速度向量ω(n)和轴向负载转矩向量τ(n)分别表示为：

ω(n)＝[ω₁(n) ω₂(n)…ω_L(n)] (7)；

τ(n)＝[τ₁(n) τ₂(n)…τ_L(n)] (8)；

步骤3.3：双足机器人运动规划的步态周期为N时，由关节执行器角速度ω(n)与轴向负载转矩τ(n)建立能耗指标函数E，如公式(9)表示：

其中，S(n)＝diag(s₁(n),s₂(n),…s_L(n))为L阶对角阵，用于表示角速度向量ω(n)与轴向负载转矩τ(n)的方向关系，若s_i(n)＝0，表示τ_i(n)与ω_i(n)方向相同，即重力推动关节执行器运动，若s_i(n)＝1，表示τ_i(n)与ω_i(n)方向相反，即关节执行器克服重力运动。