[发明专利]一种双足机器人动力式行走方法

摘要

一种双足机器人动力式行走方法属于机器人行走控制技术领域，其特征在于，所述机器人靠在步态周期T内，0.2s＜T＜0.5s，快速摆动双腿及控制摆动腿的着地碰撞实现类似被动行走的全动力式行走，该机器人靠弯曲摆动腿膝关节创造虚拟斜坡，伸直支撑腿膝关节补充能量，每个步态周期的步态由三个关键帧确定，并由四个参数描述，关键帧之间由一阶导数连续的光滑曲线连接。在实验中，机器人的单个步态达到4.48腿长/秒的相对行走速度，比之前RunBot创造的记录提高29％，而且机器人的多个步态实现了从1.24腿长/秒到3.88腿长/秒的连续变速行走。

主权项

1.一种双足机器人动力式行走方法，其特征在于，依次含有以下步骤：步骤(1)，构造一个双足机器人，其步骤如下：步骤(1.1)，建立躯干与第一大腿以及第二大腿的连接：该躯干与左右同轴放置的第一髋关节电机以及第二髋关节电机的本体分别固定连接，而所述第一髋关节电机的转动输出轴与所述第一大腿连接，所述第二髋关节电机的转动输出轴与所述第二大腿连接，步骤(1.2)，建立所述第一大腿与第一小腿，第二大腿与第二小腿的连接：该所述第一大腿的末端与第一膝关节电机的本体固定连接，该第一膝关节电机的转动输出轴与第一小腿连接，该所述第二大腿的末端与第二膝关节电机的本体固定连接，该第二膝关节电机的转动输出轴与第二小腿连接，步骤(1.3)，在步骤(1.1)、步骤(1.2)中所述的四个电机均采用伺服电机，分别用Ship1、Ship2表示所述第一髋关节电机和第二髋关节电机的旋转角度，分别用Sknee1、Sknee2表示所述第一膝关节电机和第二膝关节电机的旋转角度，并用一个上位机控制所述四个电机，其中：所述Ship1为所述第一大腿与躯干垂直方向的夹角，当该第一大腿的末端位于躯干前方时Ship1＞0，而位于躯干后方时Ship1＜0，所述Ship2为所述第二大腿与躯干垂直方向的夹角，当该第二大腿的末端位于躯干前方时Ship2＞0，而位于躯干后方时Ship2＜0，所述Sknee1为所述第一小腿与第一大腿之间的夹角，当该第一小腿相对于第一大腿向后弯曲时Sknee1＞0，两者平行时Sknee1＝0，所述Sknee2为所述第二小腿与第二大腿之间的夹角，当该第二小腿相对于第二大腿向后弯曲时Sknee2＞0，两者平行时Sknee2＝0，步骤(1.4)，该步骤(1.1)、步骤(1.2)、步骤(1.3)中所述各个电机的控制信号输入端分别与一个上位机的控制信号输出端相连；步骤(2)，在所述上位机内设定一个步态周期T，在T内所述机器人具有以下行走参数，0.2s＜T＜0.5s，取初始值T＝0.3s，所述步态周期T，指从一步开始时刻到碰撞所经历的时间，其中，开始时刻t＝0，是指视作第二大腿的摆动腿离地的瞬间，碰撞是指摆动腿与地面发生碰撞，该碰撞时刻t＝T，表示一个步态周期的结束，下一步态周期开始，此时视为第二大腿的支撑腿变为摆动腿，而前一个步态周期的支撑腿变为摆动腿，所述行走参数包括：θ、α、β，单位为角度，其中：θ，为等效支撑腿与等效摆动腿之间的夹角，所述等效支撑腿用由支撑腿大腿的顶部到该支撑腿小腿末端的连线表示，等效支撑腿用由摆动腿大腿的顶部到该摆动腿小腿末端的连线表示，α，为所述支撑腿大腿与等效支撑腿之间的夹角，决定等效支撑腿的长度，β，为所述摆动腿大腿与等效摆动腿之间的夹角，决定等效摆动腿的长度，当所述等效摆动腿位于等效支撑腿之前时θ＞0，之后时θ＜0，当所述支撑腿的膝关节弯曲时α＞0，支撑腿膝关节伸直时α＝0，当所述摆动腿的膝关节弯曲时β＞0，摆动腿膝关节伸直时β＝0；步骤(3)，在所述上位机中，在所述一个步态周期T内，设置以下三个关键帧：第一关键帧，位于t＝0时，决定机器人一步的初始姿态，其中：θ＝-θ0，θ0为一非负常数，表示t＝0时所述两条等效腿之间的夹角，决定步幅大小，0°＜θ0＜60°，取初始值θ0＝30°，α＝α0，α0为一非负常数，表示t＝0时所述支撑腿大腿相对于等效支撑腿的旋转角度，取初始值α0＝θ0/2，β＝0，表示摆动腿膝关节伸直，第二关键帧，位于t＝T/2时，其中：θ＝0，表示所述等效支撑腿与等效摆动腿平行，α＝α0，与第一关键帧中的α相同，表示等效支撑腿长度在第一关键帧和第二关键帧之间保持不变，β＝β0，β0为一非负常数，表示一步中间时刻摆动腿大腿相对于等效摆动腿的旋转角度，以防止一步行走过程中摆动腿小腿与地面相碰，所述β0在α0+5°＜β0＜α0+25°中选取，设β0＝α0+15°，决定摆动腿小腿末端的抬高高度，第三关键帧，位于t＝T时，决定碰撞时刻的机器人姿态，其中：θ＝θ0，表示碰撞时刻两条等效腿之间的夹角，α＝0，表示支撑腿膝关节伸直，为行走补入能量，β＝α0，表示摆动腿膝关节弯曲，准备与地面碰撞，在t＝T时发生碰撞；步骤(4)，所述上位机依次按以下步骤控制所述机器人行走，行走步数为n，每行走一步用时一个步态周期T：步骤(4.1)，设定：T＝0.3s，以及在所述三个关键帧的时刻t＝0，t＝T/2，t＝T时所述θ、α、β的值，步骤(4.2)，设定Δt为计算步长，i为计算次数，行走时i从0开始，按下式计算每隔Δt时间所述θ、α、β的值：当0≤Δt·imodT＜T/2时，$\left\{\begin{array}{c}\theta =-{\theta }_0\cos \frac{\mathrm{\pi \Delta t}}{T}i\\ \alpha ={\alpha }_0\\ \beta =-\frac{{\beta }_0}{2}\cos \frac{2\mathrm{\pi \Delta t}}{T}i+\frac{{\beta }_0}{2}\end{array}\right.当T/2\le \Delta t·imodT＜T时，$ \left\{\begin{array}{c}\theta =-{\theta }_0\cos \frac{\mathrm{\pi \Delta t}}{T}i\\ \alpha =-\frac{{\alpha }_0}{2}\cos \frac{2\mathrm{\pi \Delta t}}{T}i+\frac{{\alpha }_0}{2}\\ \beta =-\frac{{\beta }_0-{\alpha }_0}{2}\cos \frac{2\mathrm{\pi \Delta t}}{T}i+\frac{{\beta }_0+{\alpha }_0}{2}\end{array}\right.从而得到\theta ＝f\theta (t)，\alpha ＝f\alpha (t)，\beta ＝f\beta (t)三条曲线，其中0\le t\le T，变量\theta 、\alpha 、\beta 关于t的一阶导数连续，步骤(4.3)，在上述上位机中，按下式计算当步数为n时，以所述行走参数\theta 、\alpha 、\beta 为变量，所述机器人中各个电机的旋转角度，以实现双足机器人的行走控制：当n＝1，3，5，7，9...时，$ \left\{\begin{array}{c}{S}_{\mathrm{hip}1}=-\frac{1}{2}\theta +\alpha \\ S_{\mathrm{hip}2}=\frac{1}{2}\theta +\beta \\ S_{\mathrm{knee}1}=2\alpha \\ S_{\mathrm{knee}2}=2\beta \end{array}\right.当n＝2，4，6，8，10...时，$ \left\{\begin{array}{c}{S}_{\mathrm{hip}1}=\frac{1}{2}\theta +\beta \\ S_{\mathrm{hip}2}=-\frac{1}{2}\theta +\alpha \\ S_{\mathrm{knee}1}=2\beta \\ S_{\mathrm{knee}2}=2\alpha \end{array}\right.当n为奇数时，Ship1、Sknee1分别为所述支撑腿髋关节和膝关节的角度，Ship2、Sknee2\; 分别为所述摆动腿髋关节和膝关节的角度，当n为偶数时，Ship2、Sknee2分别为所述支撑腿髋关节和膝关节的角度，Ship1、Sknee1\; 分别为所述摆动腿髋关节和膝关节的角度，也就是说当n由奇数变为该奇数加1所形成的偶数时，作为第一大腿的支撑腿与作为第二大腿的摆动腿在一步行走结束后互换。$$$$