[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

说明书

技术领域

本发明属于机器人领域，尤其涉及一种仿人机器人斜坡步行模式的在线生成的方法。

背景技术

机器人是随着现代科技的发展而出现的综合学科，而仿人机器人是机器人研究中的重要分支，其涉及到机器人制造中的各个领域，如自主行为控制、人工智能、动态管理、机械设计等，因此仿人机器人在一定程度上代表着机器人研究的最高水平。 

仿人机器人要应用在各个领域，关键且首要问题是稳定行走。针对这一问题，已有不少学者做了研究，其中，1972年由Vukobratovic和Stepanenko在一篇关于仿人机器人控制的论文开头提出的零力矩点（ZMP zero-moment point）在如今仿人机器人步态控制和规划领域都得到了广泛的应用。而仿人机器人在行走中，很容易碰到上下坡的情况，要保证其稳定性，就要求在控制规划中考虑到这一情况，只有这样，才能使机器人具有更高的环境适应性。

中国专利号CN101323325发明了一种以被动行走为基础，通过在支撑腿前摆过程中伸直支撑腿膝关节逐步提高机器人的重心，补入重力势能的方法。该方法提高了机器人的行走速度，但由于运用的是开环控制，因此在稳定性方面有所欠缺。

中国专利号CN101847009A发明了一种系统化的步态能效优化方法，解决了高能耗产生的机器人实用化障碍，并有效的降低了机器人能耗并保证了其稳定性。此方法较为复杂，且没有考虑机器人在行走过程中地面未必平整等问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术上的问题，提供一种仿人机器人斜坡步行模式的在线生成的方法，本发明环境适应性强，工程实用性强。

本发明解决该技术问题采用的技术方案是，一种仿人机器人斜坡步行模式的在线生成的方法，包括如下步骤：

（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。

其中，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：

            ，             

  。

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：

；