[发明专利]一种含腰部结构的双足机器人设计以及反馈控制方法

权利要求书

1.一种含腰部结构的双足机器人设计方法，包括以下步骤：

步骤一，配置双足机器人整体自由度，所述整体自由度包括下肢自由度和腰部自由度；

步骤二，设计双足机器人结构参数，使之满足如下单足支撑平衡条件：

其中F₃为支撑腿地面作用力，M₁为支撑腿质量，M₂为非支撑腿质量，M₃为躯干质量，g为重力加速度，θ₁为腰部调节躯干最大偏转角，L₂为腰部宽度，L₄为躯干质心距离腰部中心高度；

步骤三，基于腰部调整的灵敏度参数对所述结构参数进行评估和优化。

2.如权利要求1所述的双足机器人设计方法，其特征在于：步骤一中，所述下肢自由度包括双脚踝俯仰和滚转4个自由度、双膝俯仰2个自由度、双髋俯仰和滚转4个自由度，所述腰部自由度包括腰部俯仰、滚转、偏航4个自由度。

3.如权利要求1所述的双足机器人设计方法，其特征在于：步骤三中，所述基于腰部调整的灵敏度参数定义为：

其中S_F为正面腰部调整的灵敏度参数，β为躯干控制输出滚转角度，θ为测量腰部平板的滚转角；S_L为侧面腰部调整的灵敏度参数，β’为躯干控制输出俯仰角度，θ’为测量腰部平板的俯仰角。

4.如权利要求3所述的双足机器人设计方法，其特征在于，步骤三中，基于腰部调整的灵敏度参数对所述结构参数进行评估和优化具体包括：

若所述正面腰部调整的灵敏度参数S_F和侧面腰部调整的灵敏度参数S_L的值均处于合格范围(1.0～1.6)内，则结构参数合理；

若所述正面腰部调整的灵敏度参数S_F或侧面腰部调整的灵敏度参数S_L的值小于1.0，则结构参数设计错误，需重新设计；

若所述正面腰部调整的灵敏度参数S_F或侧面腰部调整的灵敏度参数S_L的值大于1.6，则通过增加躯干质量M₃，以及适当增加躯干质心距离腰部中心高度L₄，降低S_F和S_L值至合格范围。

5.一种含腰部结构的双足机器人的反馈控制方法，包括以下步骤：

步骤一，利用IMU惯性测量单元实时测量机器人的腰部平板的仰俯角和滚转角；

步骤二，保持双足机器人下肢的规划轨迹不变，只对腰部关节进行实时反馈控制，使重心投影点始终落在脚掌支撑多边形范围内，其中，腰部关节的驱动控制模型为：

正面方向：β_n＝θ_n+arcsin(sinαsinθ_n(L₁/L₄+M₁(3L₁-L₃)/(2M₃L₄)))

其中下标n表示第n次采样时刻，θ_n为IMU惯性测量单元测量腰部平板的滚转角，α为规划步态踝关节极限转角，M₁为支撑腿质量，M₃为躯干质量，L₁为腿长，L₃为摆动腿长，L₄为躯干质心距离腰部中心高度，β_n为躯干控制输出滚转角度；

侧面方向：β_n'＝θ_n'+arcsin(sinθ_n'(M₁+M₃)L₁/(L₄M₃))

其中θ_n'为IMU惯性测量单元测量腰部平板的俯仰角，M₁为支撑腿质量，M₃为躯干质量，L₁为腿长，L₄为躯干质心距离腰部中心高度，β_n'为躯干控制输出俯仰角度。

6.如权利要求5所述的反馈控制方法，其特征在于：步骤一中，所述IMU惯性测量单元安装于腰部平板的中间位置；所述腰部平板和上下半身用驱动结构连接，其中上半身和腰部平板通过具有滚转俯仰两自由度的腰部结构连接，下半身和腰部平板通过具有转向自由度的腰部结构连接。