[发明专利]一种具有屈膝行为的双足被动行走步态控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种双足被动行走步态控制方法，尤其是涉及一种具有屈膝行为的双足被动行走步态控制方法。

背景技术

基于被动动力学的机器人双足行走问题是近些年来该领域的热门问题。上世纪80年代末McGeer设计了一种仅依靠重力和自身的动力学特性，即可稳定的走下斜面的被动行走器，奠定了被动行走动力学的基础，随后，许多优秀的基于被动动力学的双足行走机器人被设计出来。与传统双足行走机器人相比，基于被动动力学的双足机器人不需要对关节进行时时的控制和跟踪，因此一方面具有固有的稳定性，不需要任何控制就可以完成周期的行走；另一方面行走的能量消耗非常小。

然而，直到目前为止，传统被动动力学机器人仅能在很小的坡面上稳定地行走，很难完成在较大坡度斜面上的行走。这主要是因为该类机器人的行走非常依赖于本体的机械结构特性，在特定的行走环境中，对机器人的结构、步态规划等方面都需要有严格的要求。

通过对人类行走的观察和分析，发现人类在下坡行走时，支撑腿的屈膝行为能够提高行走对大坡度环境的适应能力，因此对双足机器人行走来说，引入人类膝关节的运动特点能够提高机器人在更大坡面上的行走能力。然而，对于传统的被动动力学机器人，提高在坡面上行走的稳定性只是通常采用控制算法来实现，这样机器人的固有稳定性相对较差，并且控制效率低，能耗大。利用屈膝行为的运动机理来改进机器人坡面上行走能力的研究还未见报导。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种具有屈膝行为的双足被动行走步态控制方法，该方法改进了双足机器人的坡面行走能力，增强了双足机器人行走的固有稳定性，使得双足被动行走步态在较大坡度上也具有很好的稳定性，能够稳定行走的坡度范围显著提高。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种具有屈膝行为的双足被动行走步态控制方法，该方法用于控制双足机器人在坡面上行走，通过髋关节以及两个大腿和两个小腿组成的行走模型实现，所述的大腿连接髋关节，所述的小腿通过膝关节连接大腿，构成摆动腿和支撑腿，所述的控制方法包括以下步骤：

1)以摆动腿触地后转换为支撑腿的时刻作为周期步态的开始时刻，此时原支撑腿转换为摆动腿；

2)摆动腿向前自由摆动直至摆动腿的膝关节碰撞，此时锁紧摆动腿的膝关节；

3)摆动腿继续向前自由摆动，同时支撑腿以支点为轴转动一定角度后，解锁支撑腿的膝关节；

4)当摆动腿自由摆动至与地面碰撞时，该摆动腿转换为支撑腿，原支撑腿换转为摆动腿，重新开始新的周期。

所述的行走模型为五质点四杆行走模型，五个质点分别为髋关节、两个大腿和两个小腿的质量中心，四杆分别为两个大腿和两个小腿。

所述的行走模型的状态可以表示为：式中，q₀、q₁、q₂、q₃分别为支撑腿小腿、支撑腿大腿、摆动腿大腿、摆动腿小腿相对于行走斜面法线的夹角。

步骤3)中支撑腿转动的角度大于行走坡面的坡度，并小于两倍的行走坡面坡度。

与现有技术相比，本发明通过设计具有屈膝行为的双足被动行走步态，改进了双足机器人的坡面行走能力，增强了双足机器人行走的固有稳定性，使得双足被动行走步态在较大坡度上也具有很好的稳定性，能够稳定行走的坡度范围显著提高。

附图说明

图1为本发明的周期步态的示意图；

图2为本发明的控制流程图；

图3为五质点四杆行走模型的示意图；

图4为在膝关节碰撞后的屈膝行为过程示意图；

图5为坡度r＝0.2(rad)时整个周期步态的示意图；

图6为坡度r＝0.2(rad)时各个部位的角度(a)、角速度(b)关于时间的变化关系图，图中为无量纲结果，其中时间速度

图7为本发明在不同坡度斜面上基于屈膝行为行走的稳定性和q^*的关系，其中阴影区域为稳定行走区域，白色区域为不稳定区域；

图8为传统被动行走步态(a)与基于屈膝行为行走步态(b)的行走过程图，该模型从与周期解有1％误差的初始状态开始行走。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例