[发明专利]一种双足机器人行走实时步态的AZR调节方法

权利要求书

1.一种双足机器人行走实时步态的AZR调节方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1：利用机器人离线系统测算数据构建在线数据库，所述在线数据库包括机器人步长集合S、AZR集合H、行走步态集合G及能耗集合E；

步骤2：给定机器人目标行程距离d和期望AZR位置r_AZR，规划能耗最低的步长序列

步骤3：取出机器人每步长和AZR变量η_i，查询在线数据库，得到步态控制的电机角度序列g_i；

步骤4：按照机器人行走中脚步压力集合F_i，计算实时ZMP轨迹r_ZMP(n)，基于r_ZMP(n)和r_AZR(n)，获得Y轴方向的偏差值e_i；

步骤5：利用所述Y轴方向的偏差值e_i，采用PI校正方法获得AZR变量η_i的修正值η_i+1，并根据所述修正值η_i+1以及步长s_i+1查询在线数据库，在线优化双足机器人的步态轨迹；

步骤2具体包括：

步骤2.1：所述步长序列包括起始步、停止步和多个循环步s_m，多个所述循环步s_m步长相等，根据机器人运动规则，定义所述起始步包括s₁和s₂，所述停止步包括s_c-1和s_c，令s₁＝s_c、s₂＝s_c-1，且起始步与停止步的总长度取1～2倍循环步s_m的步长；

步骤2.2：给定机器人目标行程距离d，已知循环步s_m的步长，通过公式(1)计算所述起始步s₁和s₂步长：

其中，d_b为起始步与停止步的总长度；c为总步数；

步骤2.3：给定期望AZR位置r_AZR，从步长集合S中取循环步长s_m，形成步长序列S_m，所述步长序列S_m的能耗函数如公式(2)表示；

其中，η为AZR位置r_AZR对应面积AZR变量值，表示循环步s_m的能耗，表示起始步s₁的能耗，表示停止步s_c的能耗，和是表示机器人行走起始和停止过程中，摆动脚在身前和身后运动距离不相等时的等效循环步长为s₁和s₂的能耗；

步骤2.4：结合公式(2)，取最优循环步长所述最优循环步长对应形成能耗最低的步长序列所述能耗最低的步长序列满足公式(3)所示约束条件；

其中，表示s_m取步长集合S中第k个值时计算的能耗值，k＝1,2,…,L，L是步长集合S的元素数目；

步骤4具体包括：

步骤4.1所述实时ZMP轨迹r_ZMP(n)表示为：

r_ZMP(n)＝[x_ZMP(n) y_ZMP(n) 0]^T (4)；

其中，x、y分别表示机器人前、侧方向；

结合公式(4)，机器人行走第i步，由采样点n时刻的机器人脚底压力传感器取值集合F_i(n)，计算实时ZMP轨迹r_ZMP(n)，如公式(5)表示：

其中，和f_i^j(n)∈F_i(n)，分别为第j个传感器在x轴方向和y轴方向的位置和压力，c_n是传感器的数量；

所述步骤4还包括：

步骤4.2：取双足机器人每步时间T_S为控制周期，所述双足机器人每步时间T_S表示为：

T_S＝N·t_s (6)；

其中，N为双足机器人步态周期；

步骤4.3：定义机器人运动的占空比为σ≡2N₁/N，根据采样点n的取值，判断机器人的运动状态；

若N₁＜n≤N₂，双足机器人处于单支撑阶段SSP；

若1≤n≤N₁,N₂＜n≤N，双足机器人处于双支撑阶段DSP；

其中，N₁＝σN/2，N₂＝N-N₁，n＝1,2,…,N；

步骤4.4：当双足机器人处于双支撑阶段DSP时，r_ZMP(n)位于期望AZR区域；

当双足机器人处于单支撑阶段SSP时，要求运动X轴方向x_ZMP(n)单调增，且x_ZMP(N₁+1)≥x_AZR(N₁+1)、x_ZMP(N₂)≤x_AZR(N₂)；

所述步骤5具体包括：

步骤5.1：建立传递函数为增量式的PI模型，所述AZR变量η_i的修正值η_i+1如公式(8)表示：

η_i+1＝η_i+Δη_i+1 (8)；

其中，增量Δη_i+1如公式(9)表示：

其中，k_P是比例系数，T_I是积分时间常数，T_S是控制周期；

步骤5.2：根据所述修正值η_i+1以及步长s_i+1查询在线数据库，得到控制双足机器人行走第i+1步的步态轨迹g_i+1，g_i+1如公式(10)表示：

其中，q为机器人关节电机的角度，m是关节电机的数目，N是步态周期。