[发明专利]基于能量最优的双足被动行走步态控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及双足机器人行走步态控制方法，尤其是涉及一种基于能量最优的双足被动行走步态控制方法。

背景技术

双足步行机器人技术是21世纪的热点研究课题之一。自上世纪70年代初，第一台双足步行机器人WAP-1诞生以来，人们一直在不断地尝试制造出更加与人类行走类似的双足步行机器人。2011年10月，美国Boston Dynamics公司发布了Petman机器人，该机器人具有人类的体形和尺寸，能够非常稳定地自由行走、移动和做各种模仿人类的动作，其行走步态自然，稳定，但Petman存在的问题是行走时消耗的能量非常大，不像人类的行走一样高效。

然而从自然进化的角度来看，生物在行走的过程中，应当以消耗的单位能量最少作为步态的选择原则。90年代初，学者发现一种双足被动行走方式，该类行走器能够仅依靠重力和自身的动力学特性在斜面上实现稳定的行走。近些年来，很多机构和学者利用被动动力学原理设计了一系列的双足行走机器人，通过高级的控制算法和轨迹规划方法，如采用虚拟重力场、能量和角度不变控制策略等，实现了在平地上的稳定行走。该类机器人的行走步态自然，具有内在固有的稳定性；由于在行走过程中需要的能量输入较少，能量效率很高。可见由于被动行走所具有的这些特性，该行走原理为实现真正的类人行走提供了的很好的研究思路。

但是目前基于被动动力学的双足机器人的研究大多集中在提高稳定性的高级控制算法方面，并没有充分地利用被动行走具有的良好特性，对于如何实现行走过程中的能量效率最优化的研究还非常少。尤其在国内，虽然多家科研机构设计了各种引入被动动力学的优秀双足行走机器人，但对于以能量消耗为优化目标，设计高效率行走步态的方法还从未见报导。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于能量最优的双足被动行走步态控制方法，该控制方法充分利用被动动力学行走所具有的能量效率极高的优点，解决传统被动动力学行走的步态控制问题，提高了双足机器人行走的能量利用效率。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于能量最优的双足被动行走步态控制方法，该方法包括以下步骤：

1)建立双足被动行走的模型，用于描述双足被动行走的过程；

2)提取需要优化的模型参数，包括周期行走的初始状态、行走步长、周期时间、行走过程中的关节力矩和关节角速度；

3)设定行走步态的约束条件，根据周期性的被动行走步态特征对行走过程进行约束；

4)根据模型参数计算行走过程中的能量消耗，计算公式为：

COT=∫0lstepΣ|τl*ul|Mtotal*g*lstepdt]]>

式中，COT为单位能量消耗，t_step为周期时间，τ为关节力矩、u为的关节角速度、M_total为总质量，g为重力加速度，l_step为步长；

5)采用序列二次规划(Sequential Quadratic Porgramming，SQP)的方法对模型参数进行优化，得到在能量消耗最小的情况下模型参数之间的关系，控制双足被动行走步态。

步骤1)中双足被动行走的模型包括连续相的动力学方程表达及离散相的数学表述。

步骤3)的约束条件包括步长、速度、周期行走的初始状态和结束状态一致以及模型的对称性。