[发明专利]一种双足仿人机器人在斜坡上行走的步态规划方法

权利要求书

1.一种双足仿人机器人在斜坡上行走的步态规划方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1)：基于虚拟地面法的双足仿人机器人在斜坡上的动力学模型，具体过程包括：斜坡上的传统二维直线倒立摆模型、斜坡上基于虚拟地面法的二维直线倒立摆模型、斜坡上基于虚拟地面法的三维直线倒立摆模型和斜坡上基于虚拟地面法的直线倒立摆模型的仿人机器人的质心运动；所述步骤2)：通过不对称直线倒立摆方法实现双足仿人机器人在斜坡上任意方向的稳定且动态行走。

2.根据权利要求1所述的一种双足仿人机器人在斜坡上行走的步态规划方法，其特征在于，所述步骤1)具体包括如下：

所述斜坡上的传统二维直线倒立摆模型的爬坡双足仿人机器人，力F限制双足仿人机器人的质心沿约束线移动；

所述斜坡上基于虚拟地面法的二维直线倒立摆模型：传统二维直线倒立摆模型中的x-y平面与地面坐标不平行，需要进行坐标旋转变换才能得到零力矩点，使用虚拟地面法，就像机器人在水平的平地上行走一样，但是重力方向会随着坡度的变化而变化；

倒立摆锤的输入包括支点处的扭矩τ和沿支腿的拉伸力F，使用拉格朗日方法，动力学运动方程可以写成：

这里，τ＝0，F＝Mgcosα/cosθ，质心以恒定的高度z＝z_c进行移动，运动方程可以写成如下：

得到微分方程：

所述斜坡上基于虚拟地面法的三维直线倒立摆模型，拉伸力F可以分解为x、y和z方向的分量，即：

为了使质心限制在与x-y平面平行的平面上，设置因此，质心的运动学方程为：

零力矩点方程得到如下：

斜坡上一个步长内基于虚拟地面法的直线倒立摆模型的质心运动，斜坡三维直线倒立摆模型下质心运动表示为：

在双腿支撑时间间隔[0,T]内，质心在矢向面和横向面的最终状态为：

矢向运动：

横向运动：

这里，和分别代表质心在矢向面和横向面上的初始和最终位置及速度；S和C分别定义为sinh(t/T_c)和cosh(t/T_c)，

为了改变双足仿人机器人在斜坡上行走时的方向，其它步态信息需要如下：

3.根据权利要求1所述的一种双足仿人机器人在斜坡上行走的步态规划方法，其特征在于，所述步骤2)具体包括如下：

在传统的基于直线倒立摆模型中，引入不对称直线倒立摆模型具体步骤包括如下：

将双足仿人机器人的质心高度限制在不对称直线倒立摆模型的一个平面，如下式所示：

z＝k_xx+k_yy+z_c

将双足仿人机器人的质心在限定的平面内运动，约束平面的法向量应垂直于双足仿人机器人的加速度，如下式所示：

因此，力F计算如下：这里，k_x＝sinθ·tanα，θ是双足仿人机器人在斜坡上的转弯角度，因此，双足仿人机器人的质心运动方程如下：

z＝k_xx+z_c

不对称直线倒立摆模型下的双足仿人机器人的质心运动轨迹，如下式所示：

在双腿支撑时间间隔[0,T]，质心在矢向面和横向面的最终状态为：

矢向运动：

横向运动：

这里，和分别代表质心在矢状面和横向面上的初始和最终位置及速度；S和C分别定义为sinh(t/T_c)和cosh(t/T_c)，

为了改变双足仿人机器人在斜坡上行走方向，步态生成器可以表达如下：