[发明专利]一种仿人机器人斜坡步行模式的在线生成的方法

权利要求书

1.一种仿人机器人斜坡步行模式的在线生成的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）建立仿人机器人在斜面上的桌子-小车模型；

（2）将步骤1建立的桌子-小车模型转化为系统状态方程；

（3）在线生成斜坡步行模式；

（4）根据步骤3得到的质心轨迹得到仿人机器人在斜面上步行的关节角度，左右腿分别依次为腰关节、踝关节、膝关节和髋关节，从而控制仿人机器人的伺服驱动器，保证仿人机器人在斜面上的稳定行走。

2.根据权利要求1所述仿人机器人斜坡步行模式的在线生成的方法，其特征在于，所述步骤（1）中，首先定义双足机器人近似为不计质量的桌子及在其水平面上行走的质量为m的小车；小车的运动状态决定地面对桌子的压力中心，即小车的运动改变ZMP；然后定义一个固定坐标系，其原点为机器人处于初始状态时正下方斜面上的那个点，其x轴沿斜面指向前方，y轴沿斜面指向右边，z轴垂直斜面指向上方；在此坐标系下，设定小车坐标为（x,y,Zc），对应该时刻的ZMP坐标为（Px,Py,0）；同时，小车在x方向的位置，速度，加速度分别为x，                                                ，，小车在y方向的位置，速度，加速度分别为y，，，且设桌子对小车的力在x，y和z方向分别为,,，小车对桌子的力为,,；最后，通过以下子步骤建立在斜面上（与平面成度）行走的仿人机器人的桌子-小车模型：

（1.1）对小车进行受力分析：

    x方向：，

    y方向： ，                            

    z方向：；

    从以上三式可以得到：，

    ，

    ；

（1.2）对桌子进行受力分析：

    ；

    代入的值可以得到：

    ；  

即：；

从上面三式可推得：

；

；

   因为机器人在斜面上步行时，应保证身体与地面保持垂直，所以此时质心高度不再是，而是，， 用替代可得仿人机器人在斜面上质心与ZMP之间的关系：

           ，             

  。

3.根据权利要求1所述仿人机器人斜坡步行模式的在线生成的方法，其特征在于，所述步骤（2）中，定义小车加速度对时间的微分为系统输入变量，以此为输入，ZMP用p来表示，定义为系统输出变量，则可根据以下子步骤分别得到x方向和y方向的系统状态方程：

（2.1）x方向上的系统状态方程：

，

 ；                            

将规划ZMP的x方向平移  得到：

；

利用采样时间对连续系统方程（x方向）进行离散化：

；   

（2.2）y方向上的系统状态方程：

          ，

    ；                                   

利用采样时间对连续系统方程（y方向）进行离散化：

。

4.根据权利要求1所述仿人机器人斜坡步行模式的在线生成的方法，其特征在于，所述步骤（3）包括以下子步骤：

（3.1）由仿人机器人规划的ZMP为与步骤二中所述的系统状态方程输出的进行比较，得到误差，，然后进行反馈校正，最终使趋向于零；为了到达这一目标，考虑性能指标极小化的问题：

        ；

其中：    ，

，

；

，，是正的加权系数，是期望输出；

（3.2）根据预观控制理论，可以通过使用未来N步目标参考值的输入进行极小化：

        ；

其中：，

，

，

，

，

，，，，；

，，是正的加权系数， P是用Riccati方程求得的，是期望输出；

（3.3）把输入控制量u分别代入步骤二中x和y方向上系统状态方程，得到质心的轨迹。