[发明专利]双足机器人行走非单周期步态控制方法

摘要

本发明属于机器人行走控制技术领域，尤其涉及一种双足机器人行走非单周期步态控制方法，目的在于通过参数摄动将非单周期步态控制为单周期步态，包括将基于髋部串联弹性驱动器的带上身双足机器人行走的每一步依次分为两个驱动阶段和一个自由摆动阶段；确定目标不动点及标称参数，设定行走的第一、第二驱动阶段时长为摄动参数，并确定最大、最小摄动量，建立搜索网格；通过判断第一驱动阶段时长经过摄动的可能最小取值是否大于等于计算网格中所有结点的预测输出并挑选最优参数摄动所用的时间，若是，则通过建立庞加莱映射快速估计模型来更新控制参数；若否，则通过建立部分步快速估计模型和庞加莱映射快速估计模型来更新控制参数。

主权项

一种双足机器人行走非单周期步态控制方法，其特征在于，包括：步骤1、在带上身双足机器人的上身和双腿之间分别安装串联弹性驱动器，所述串联弹性驱动器由电机与线性扭转弹簧串联而成，电机固定在上身，电机的转动输出端与扭转弹簧的一端连接，连接处与上身的夹角定义为电机驱动角度，扭转弹簧的另一端与腿相连；在双腿的脚底分别安装有开关式传感器；步骤2、将机器人行走时的双腿分别定义为摆动腿和支撑腿，将机器人行走时的每一步依次分为两个驱动阶段和一个自由摆动阶段；第一阶段：上一步的摆动腿即当前步的支撑腿与地面发生碰撞时，两个电机开始匀速转动，支撑腿对应的电机驱动角度从正的预设驱动角度变为零，摆动腿对应的电机驱动角度从零变为负的预设驱动角度；此阶段为定角速度驱动过程，电机驱动角速度由标称参数决定，与参数摄动无关；第二阶段：支撑腿对应的电机停止转动，摆动腿对应的电机反向匀速转动，摆动腿对应的电机驱动角度从负的预设驱动角度变为正的预设驱动角度；第三阶段：两个电机均停止转动，直到摆动腿与地面发生碰撞后返回到第一阶段，摆动腿和支撑腿互换角色；步骤3、设定行走方法的三个控制参数：第一阶段驱动时长t₁、第二阶段驱动时长t₂以及预设驱动角度Φ来作为标称参数，此标称参数下步态发生分岔，同时确定此标称参数下的目标不稳定不动点；步骤4、将第一阶段驱动时长t₁和第二阶段驱动时长t₂作为摄动参数，并确定最大摄动量和最小摄动量，建立搜索网格，确定网格形状和结点分布；步骤5、判断第一阶段驱动时长经过摄动的可能最小取值是否大于等于计算网格中所有结点并挑选最优参数摄动所用的时间，若是，则执行步骤A1，若否，则执行步骤B1；步骤A1、建立庞加莱映射快速预测模型；步骤A2、设定机器人的初始状态，令机器人开始行走；初始状态由初始时刻支撑腿、摆动腿和上身的角度以及这三个角度所对应的角速度构成，是一个6维向量；步骤A3、在摆动腿落地瞬间之后测量机器人状态并执行第一阶段的定角速度驱动；步骤A4、使用庞加莱映射快速预测模型，从步骤A3测量机器人状态出发，快速预测所有网格结点参数下庞加莱映射的输出，即行走一步后机器人的状态；步骤A5、采用庞加莱映射输出的预测结果和目标不动点的差的二范数作为评价指标，在网格的结点中挑选指标最小者，将其作为最优参数摄动，标称参数与最优参数摄动之和来更新状态机中的控制参数；步骤A6、摆动腿脚底开关式传感器感应到摆动腿落地后，当前步结束，下一步开始，重复步骤A3到步骤A6；步骤B1、建立使用从一步开始经过时间t′后的状态和当前步参数来预测下一步初始状态的部分步快速预测模型，以及由初始状态和每个结点对应参数来预测下一步初始状态的庞加莱映射快速预测模型；步骤B2、设定机器人的初始状态，用标称参数初始化参数P，令机器人开始行走；步骤B3、将参数P设置为当前步使用参数，传递给状态机并执行；步骤B4、在当前步开始经过时间t′时，测量机器人状态，并以该状态和当前步参数P使用部分步快速预测模型预测下一步初始状态，并从此预测出发，使用庞加莱映射快速预测模型，预测所有网格结点对应参数下的庞加莱映射输出；步骤B5、采用步骤B4中的庞加莱映射输出的预测结果和目标不动点的差的二范数作为评价指标，并挑选最优参数摄动，将标称参数与最优参数摄动之和设置为参数P，作为下一步参数；步骤B6、摆动腿脚底开关式传感器感应到摆动腿落地后，当前步结束，下一步开始，重复步骤B3到B6。