[发明专利]融合平衡策略的下肢机器人动力学仿真平台及仿真方法

权利要求书

1.一种融合平衡策略的下肢机器人动力学仿真平台，其特征在于，采用模块化设计，包括机器人动力学模型模块、拟人步态规划模块和平衡模块，其中：

所述机器人动力学模型模块用于构建虚拟被控对象，其包括实体子模块、刚性变换子模块和转动关节子模块，所述实体子模块包括虚拟被控对象的各个部位，所述刚性变换子模块用于确定虚拟被控对象各个部位之间的相对位置，所述转动关节子模块用于构建连接虚拟被控对象各个部位的转动关节，其包括主动关节子模块和被动关节子模块，主动关节子模块用于构建连接躯干、大腿、小腿和足部矢状面内屈伸的主动关节，被动关节子模块用于构建虚拟被控对象的小腿和足部间的踝关节内外翻被动关节；行走时当踝关节达到或超过内外翻的极限角度时，踝关节内外翻被动关节自动提供力矩进行限位，防止踝关节过度内外翻；以此，由实体子模块和刚性变换子模块确定虚拟被控对象的各个部位及其之间的相对位置，并由转动关节子模块按此相对位置对虚拟被控对象的各个部位进行连接，完成虚拟被控对象的构建；

所述拟人步态规划模块和所述平衡模块均与所述机器人动力学模型模块相连，所述拟人步态规划模块用于生成虚拟被控对象的期望关节角度，使虚拟被控对象按期望关节角度进行行走；所述平衡模块根据虚拟被控对象躯干的倾角、角速度和角加速度计算辅助力矩，然后为虚拟被控对象提供辅助力矩，从而限制虚拟被控对象的质心过度运动，使虚拟被控对象在行走时保持平衡；

所述主动关节子模块通过所述拟人步态规划模块生成的期望关节角度计算各主动关节力矩，所述主动关节子模块共设有两套，其中一套主动关节子模块利用关节逆动力学关系计算各主动关节力矩，另一套主动关节子模块通过自定义控制算法计算各主动关节力矩；

该仿真平台具有动力学测试仿真和控制算法测试仿真两种仿真模式：进行动力学测试仿真时，仿真平台自动选用包含关节逆动力学关系的主动关节子模块进行主动关节力矩计算；进行控制算法测试仿真时，仿真平台自动选用包含自定义控制算法的主动关节子模块进行主动关节力矩计算。

2.如权利要求1所述的融合平衡策略的下肢机器人动力学仿真平台，其特征在于，还包括用户交互界面。

3.如权利要求1或2所述的融合平衡策略的下肢机器人动力学仿真平台，其特征在于，该仿真平台基于Matlab中的Simulink构建而成。

4.一种融合平衡策略的下肢机器人仿真方法，采用如权利要求1-3任一项所述的仿真平台实现，其特征在于，包括如下步骤：

S1 通过机器人动力学模型模块构建虚拟被控对象：由实体子模块构成虚拟被控对象躯干、大腿、小腿和足部，由刚性变换子模块确定躯干、大腿、小腿和足部的相对位置，由转动关节子模块构成的连接躯干、大腿、小腿和足部的转动关节，转动关节分为由主动关节子模块构成的主动关节和由被动关节子模块构成的被动关节；

S2 拟人步态规划模块通过预设的期望轨迹时间序列生成期望的关节角度，并传输给主动关节子模块，所述主动关节子模块进而根据期望的关节角度计算得到虚拟被控对象行走时的主动关节力矩，使虚拟被控对象按此主动关节力矩进行行走；

S3 平衡模块为虚拟被控对象提供辅助力矩，使虚拟被控对象行走时保持平衡，从而进行步行仿真。

5.如权利要求4所述的融合平衡策略的下肢机器人仿真方法，其特征在于，所述S3中通过虚拟被控对象躯干的倾角、角速度和角加速度来计算辅助力矩。