[发明专利]仿人机器人动态奔跑运动在线规划方法

权利要求书

1.仿人机器人动态奔跑运动在线规划方法，其特征在于：

(1)奔跑运动开始时，仿人机器人从静止的双脚支撑状态向单脚支撑的周期奔跑运动状态切换，记作状态切换①，完整的状态切换过程包含双脚支撑期和第一个单脚支撑期，该过程规划的质心高度轨迹为：

其中：状态切换的总时长为T+T_sup，T为双脚支撑期的时长，T_sup为第一个单脚支撑期的时长，为状态切换过程的质心高度轨迹，t为状态切换过程中的任意时刻，表示求解6次多项式方程系数的方程，且q＝0,1,…,6；为双脚支撑期质心高度，z_low为单脚支撑期质心的最低下蹲高度，z_to为起飞时刻质心的高度，为起飞时刻质心的速度，g为重力加速度，且g＝9.81m/s²；

由状态切换过程中的质心高度及其加速度构建的非线性规划问题为：

利用非线性规划求解器求解优化变量ΔT_i、的最优解，进而得到分段3次多项式的系数b_1,j，b_2,j，…,b_N,j，将其代入到y_sw1(t)中，得到状态切换过程中的ZMP轨迹；

其中：ΔT_i为双脚支撑期T内ZMP轨迹第i个分段的时长，为分段点处ZMP的位置，为分段点处ZMP的速度，y_sw1(t)为状态切换①过程y轴方向的ZMP轨迹，y₀为状态切换①双脚支撑期开始时刻ZMP在y轴上的分量，y₁为状态切换①双脚支撑期结束时刻ZMP在y轴上的分量，b_1,j，b_2,j，…,b_N,j为状态切换①过程中每一个分段ZMP轨迹规划的3次多项式的系数，Γ(·)为计算3次多项式系数的函数，Ξ为三对角矩阵，为状态切换①过程的质心轨迹，为状态切换①初始时刻的质心位置，为y轴方向初始的期望质心位置，为状态切换①初始时刻的质心速度，为状态切换①结束时刻的质心速度，为第一个单脚支撑期起飞时刻的参考质心速度；

奔跑运动结束时，仿人机器人从单脚支撑的周期奔跑运动状态向双脚支撑状态切换，记作状态切换③，完整的状态切换过程包含最后一个单脚支撑期和双脚支撑期，该过程规划的质心高度轨迹为：

构建的非线性规划问题为：

进而确定优化变量的最优解，再确定状态切换过程③的ZMP轨迹；

其中：y_sw3(t)为状态切换③过程y轴方向的ZMP轨迹，y₂是状态切换③双脚支撑期开始时刻ZMP在y轴上的分量，y₃是状态切换③双脚支撑期结束时刻ZMP在y轴上的分量；d_1,j，d_2,j，…,d_N,j为状态切换③过程中每一个分段ZMP轨迹规划的3次多项式的系数，为状态切换③过程的质心轨迹，为状态切换③开始时刻期望的质心位置，为状态切换③开始时刻的参考质心速度；

(2)周期奔跑运动中加速/减速切换过程中，记作状态切换②，利用迭代优化确定合适的落脚点，实现对期望速度的准确跟踪

当机器人接收到期望速度指令，任意给定下一个支撑相的初始落脚点，从而得到下一个奔跑步态周期的ZMP轨迹，利用求解对应的质心轨迹c^x；比较质心轨迹衔接点的质心位置误差，若误差的绝对值不大于设定的容差，则初始给定的落脚点即是目标落脚点；若误差的绝对值大于容差，将误差作为反馈量叠加给初始给定的落脚点，对初始给定的落脚点进行更新，将更新后的落脚点作为初始落脚点，重复上述过程，得到合适的目标落脚点位置；其中为修改后的三对角矩阵，为修改后的ZMP轨迹。

2.根据权利要求1所述的仿人机器人动态奔跑运动在线规划方法，其特征在于，所述修改后的三对角矩阵为：

其中：元素元素为第i个控制周期的质心高度，为第i个控制周期的质心高度的加速度，dt为控制周期。