[发明专利]一种双足机器人的弹簧负载倒立摆模型及步态规划方法

权利要求书

1.一种双足机器人的弹簧负载倒立摆模型，其特征在于：

所述模型包括两条腿及质心，两条腿的一端均连接于所述质心；所述腿的刚度能够根据双足机器人的步长进行自适应调节；

所述模型还包括踝关节及足部，两条腿的另一端分别通过所述踝关节连接于所述足部；两条腿分别称为支撑腿及摆动腿，并采用i∈[A,B]进行表示，l_i表示腿部长度，k_i表示腿部的等效刚度，触地角θ表示摆动腿落地时与地面的夹角，x_TD表示落脚点的位置；质心的动力学公式为：

式中，m是质心的质量；p_c＝[x_c,z_c]^T是质心位置，g是重力加速度，l₀是腿部原长，||l_i||是腿部的实际长度，是沿腿方向的单位向量，τ_i是作用在踝关节的力矩。

2.如权利要求1所述的双足机器人的弹簧负载倒立摆模型，其特征在于：所述踝关节为一自由度踝关节；所述足部为无质量、有限尺寸的足部。

3.一种双足机器人的步态规划方法，其特征在于，该步态规划方法包括以下步骤：

(1)基于权利要求1-2任一项所述的双足机器人的弹簧负载倒立摆模型将双足机器人的步行周期进行划分；

(2)判断双足机器人所处的步态周期，并根据判断结果采用自适应腿伸缩策略来对双足机器人进行控制；其中，自适应腿伸缩策略包括踝关节的力矩控制和腿部刚度的调节；

(3)将双足机器人的步态规划问题转化成优化问题，并通过优化算法进行优化得到控制参数，进一步通过微分方程求解方法求解得到双足机器人的步态轨迹。

4.如权利要求3所述的双足机器人的步态规划方法，其特征在于：步骤(1)中还包括根据所述模型运用有限状态机将双足机器人的一个步行周期划分为单足支撑期1、双足支撑期和单足支撑期2的步骤。

5.如权利要求4所述的双足机器人的步态规划方法，其特征在于：如果双足机器人处于单足支撑期1，则采用单足支撑控制模式，单足支撑控制模式包括早期单足支撑控制模式及早期摆动控制模式；其中，早期单足支撑控制模式采用以下公式进行控制：

其中，m是质心的质量；g是重力加速度；两条腿采用i∈[A,B]进行表示；作用于A腿踝关节的力矩τ_As采用PD控制；K_p1和K_d1为A腿的控制参数，l_d是在这个阶段A腿能达到的最短腿长，并且根据步长能够自适应调节；是腿长的变化速度；l₀是腿部原长；k_A是A腿的刚度；||l_A||是A腿的实际长度；是沿A腿方向的单位向量；p_c＝[x_c,z_c]^T是质心位置；

早期摆动控制模式采用5阶贝塞尔曲线生成足部轨迹，其采用以下公式进行控制：

其中，t是归一化的时间系数；P_i＝[x_pi,z_pi]是前向平面中的控制点；B(t)＝[x_Bi,z_Bi]是足部轨迹上的点；n为贝塞尔曲线的阶数。