[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

说明书

本发明属于下肢机器人仿真领域，并具体公开了一种融合平衡策略的下肢机器人动力学仿真平台及仿真方法，该仿真平台采用模块化设计，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，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，转动关节子模块包括主动关节子模块和被动关节子模块；拟人步态规划模块和平衡模块均与机器人动力学模型模块相连，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，平衡模块用于限制虚拟被控对象的质心过度运动；该仿真平台的构建简单高效，并融合平衡策略，满足下肢机器人步态仿真对平衡的需求，模块化设计便于不同仿真功能的快速切换。

技术领域

本发明属于下肢机器人仿真领域，更具体地，涉及一种融合平衡策略的下肢机器人动力学仿真平台及仿真方法。

背景技术

具有人体行走特征的下肢机器人，如双足机器人、下肢外骨骼机器人等，是当前机器人研究的热点之一。步态控制是这类机器人研究的重要内容，其中，平衡是步态控制的首要前提。机器人平衡步态控制与动力学、步态规划、控制算法等内容密切相关，由于动力学仿真可以对步态规划、控制算法等进行测试，成本低且无安全风险，因此，虚拟仿真平台在下肢机器人研究中发挥着无可替代的作用。

然而，目前常用的机器人系统仿真软件，如Adams、V-Rep等，其主要功能是基于物理引擎进行多体动力学仿真，但由于下肢机器人还涉及到步态规划、步态相位检测、自动控制等多个领域，在上述软件中构建下肢机器人多功能仿真平台较为困难；若采用上述软件进行下肢机器人动力学仿真，研发人员还需要针对实际下肢机器人的硬件(驱动、传感器等)重新设计开发相应的程序模块，以实现对应的功能，开发效率不高；并且步态控制需维持平衡，因此机器人步态控制的仿真在常规动力学仿真的基础上，还需要对平衡做特殊考虑，增加行走的平衡策略。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种融合平衡策略的下肢机器人动力学仿真平台及仿真方法，其目的在于，在下肢机器人动力学仿真平台中增加平衡模块限制虚拟被控对象的质心过度运动，并以此作为平衡策略，结合机器人动力学模型模块和拟人步态规划模块，实现下肢机器人仿真，且仿真平台构建简单高效，模块化设计便于不同仿真功能的快速切换。

为实现上述目的，按照本发明的一方面，本发明提出了一种融合平衡策略的下肢机器人动力学仿真平台，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；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；所述平衡模块用于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。

作为进一步优选的，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。

作为进一步优选的，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。

作为进一步优选的，还包括用户交互界面。