[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

说明书

本发明公开了一种双足仿人机器人在斜坡上行走的步态规划方法。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；步骤2，在所述步骤1的基础之上，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。本发明通过虚拟地面法和不对称直线倒立摆方法，使得双足仿人机器人在斜坡上的任意方向以更小的着陆冲击稳定且动态的行走，并获得在斜坡上稳定实用的行走步态。

技术领域

本发明涉及机器人运动学建模领域，特别是一种双足仿人机器人在斜坡上行走的步态规划方法。

背景技术

全尺寸双足仿人机器人在各种环境中具有良好的适应性，有望为人类的日常生活和工作提供帮助。仿人机器人的腿部设计更适合在有障碍物或不连续高度变化的地形上移动。然而，这也是对仿人机器人动态平衡的挑战。如何使双足仿人机器人在地面上更快、更稳定地行走，是近几十年来长期研究的热点。然而，为了使双足仿人机器人具有较强的适应人类生活环境的能力，许多研究都集中在双足机器人在斜坡、楼梯甚至未知的崎岖地形上行走。此外，许多研究学者对斜坡上行走的仿人机器人步态生成优化和智能稳定控制算法进行了研究。以往关于仿人机器人在斜坡上行走的研究，包括使用3D线性倒立摆模型，并没有给出仿人机器人的零力矩点和转弯行走步态模式的明确表达式。此外，在大多数研究中，只考虑了仿人机器人沿俯仰方向的倾斜，而对于在斜坡上转弯的仿人机器人，其着陆冲击的降低还没有得到很好的研究。在真实的环境中，斜坡可能不是平坦的，因此机器人需要具有不同方向行走的能力，以避开障碍物或地形。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种通过虚拟地面法和不对称直线倒立摆方法，使得双足仿人机器人在斜坡上的任意方向以更小的着陆冲击稳定且动态的行走，并获得在斜坡上稳定实用的行走步态的双足仿人机器人在斜坡上行走的步态规划方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种双足仿人机器人在斜坡上行走的步态规划方法，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。

进一步的，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：