[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

说明书

本发明属于双足机器人步态规划相关技术领域，其公开了一种双足机器人的弹簧负载倒立摆模型及步态规划方法，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。本发明含有有限尺寸足部的改进弹簧负载倒立摆模型具备有限尺寸的足部和主动控制的踝关节，能够有效提高机器人的控制性能和运动性能，可以应用在各类含有主动踝关节和足部的双足或者仿人机器人中；该模型具有腿部刚度可调的特点，能够实现柔顺落脚，减少足地冲击，同时结合自适应腿伸缩策略的步态规划方法，能够提高双足机器人的步长范围。

技术领域

本发明属于双足机器人步态规划相关技术领域，更具体地，涉及一种双足机器人的弹簧负载倒立摆模型及步态规划方法。

背景技术

双足机器人简化模型是一种抽象化机器人主要特征的近似动力学模型。由于双足机器人具有多关节、非线性、强耦合和变结构的特点，使用简化模型进行机器人的控制能够抓住控制关键点，便于进行运动规划，有效降低了控制难度，目前被广泛应用在双足机器人步态规划等方面。

弹簧负载倒立摆模型(Spring-Loaded Inverted Pendulum,SLIP)是一种应用较为广泛的双足机器人简化模型，由一个汇集双足机器人全身质量于一点的质心和两条无质量可伸缩且具有一定刚度的腿组成。弹簧负载倒立摆模型天然具备腿部柔性，能够吸收足底碰撞的冲击，同时在步行过程呈现出和人类相似的地面反作用力和质心轨迹等特征，因此可以用于预测和生成双足机器人跑跳和行走步态。

然而，传统的弹簧负载倒立摆模型是欠驱动模型，由于不具有踝关节和足部，同时双腿弹簧刚度固定，其运动过程仅由模型的物理参数和初始状态决定，因此双足机器人的运动能力和控制性能受到限制，很难适应更加复杂的外界环境。而踝关节和足部在人类站立和行走的过程中起到了支撑、推进和平衡等重要作用，是采用双足直立行走方式系统的关键组成部分。此外，面对不同步行环境时人体腿部刚度能够在一定范围内调节，从而表现出对复杂环境的高鲁棒性。传统的弹簧负载倒立摆模型不具备上述这些特点因而限制了其在双足机器人中的应用。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种双足机器人的弹簧负载倒立摆模型及步态规划方法，其通过将传统弹簧负载倒立摆模型的点状足调换成具有一自由度的踝关节和无质量有限尺寸的足部实现对模型的改进；同时提出基于自适应腿伸缩策略的步态规划方法，结合优化算法优化得到了运动过程中的质心轨迹，实现了可以应用于双足机器人在精确步长条件下的行走控制。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种双足机器人的弹簧负载倒立摆模型，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。

进一步地，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。

进一步地，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。

按照本发明的另一个方面，提供了一种双足机器人的步态规划方法，所述步态规划方法包括以下步骤：