[发明专利]一种降低行走能耗的仿人机器人质心轨迹规划方法

说明书

本发明公开了一种降低行走能耗的仿人机器人质心轨迹规划方法，根据膝关节俯仰角度θ_knee、踝关节俯仰角度θ_ankle和髋关节俯仰角度θ_hip，在质心的约束条件下，分别计算出膝关节、踝关节和髋关节的转速、角加速度取极小值时的质心高度；对求解出的质心高度进行加权处理得到优化的质心高度。本发明的技术方案能够通过优化机器人行走时的质心轨迹解决机器人行走运动的高能耗问题。

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种降低行走能耗的仿人机器人质心轨迹规划方法。

背景技术

仿人机器人被期望运用于许多场合，因此需要具备多种运动模态。高速行走能力是多模态仿人机器人最基本的一项运动能力。但是，实现多模态仿人机器人的高速行走时腿部需要的较大的关节转速及扭矩，关节处需要较大功率电机，很难再市面上找到合适的电机，需要自行研发。如果，通过机器人质心的轨迹的优化使关节转速、扭矩降低，机器人所需能耗降低，电机选型难度降低，机器人研发成本降低。

现有技术中的一种两足机器人步态能效优化方法。首先通过规划得到双足机器人下肢的行走轨迹，再基于能效优化得到机器人的理想步态，最后通过单关节控制器来控制机器人，从而解决两足机器人行走过程中的高能耗问题，能够在保持稳定的条件下降低机器人行走能耗。但是该方案仅用于降低机器人上体能耗，而机器人行走只要耗能是下肢，所以能耗降低程度有限。

另外，一种低功耗双足步行移动系统及其步行控制方法。设计了一套双足步行移动系统，利用逻辑状态判断单元检测机器人行走状态，从而控制安装在膝关节的制动装置的开闭，同时在髋关节处施加一个间断的、参数化的开环振荡力矩，从而使得摆动大腿带动摆动小腿自然地向前迈步，充分利用双足行走被动特性和自稳定特性，步态自然节能。但是该方法中机器人足部为圆弧形，无法自行站立，机器人无法进行站立作业，应用场合较局限

一种二足步行机器人的行走机构。该发明包括前腿、后腿、前脚、后脚、一个可双向旋转的驱动电机、凸轮、前单向转轮及后单向转轮。该二足步行机器人的行走机构结构简单、能减轻机器人重量、能减少能耗。但是该设计仅能实现行走功能，应用场合较局限。

一种可变刚度柔性关节设计。该发明主要包括可变柔性关节驱动器、2D差分驱动关节机构，结构简单，易于安装，能依据人类能耗分布实现驱动力矩再分配。但是对于带有柔性机构的机器人建模及控制难度较高，算法较复杂。

发明内容

为了解决现有技术中的不足，提出了一种降低行走能耗的仿人机器人质心轨迹规划方法，通过优化机器人行走时的质心轨迹解决机器人行走运动的高能耗问题。

本发明所采用的技术方案如下：

一种降低行走能耗的仿人机器人质心轨迹规划方法，包括以下步骤：

根据膝关节俯仰角度θ_knee、踝关节俯仰角度θ_ankle和髋关节俯仰角度θ_hip，在质心的约束条件下，分别计算出膝关节、踝关节和髋关节的转速、角加速度取极小值时的质心高度；对求解出的质心高度进行加权处理得到优化的质心高度。

进一步，所述膝关节俯仰角度θ_knee表示为：其中，A为大腿长度，B为小腿长度，z_c为机器人质心高度，t为时间，为髋关节与踝关节间直线距离，r_z为质心到脚底板在z方向的垂直距离，r_z＝z_c-z_ankle，z_ankle为踝关节到脚底板的高度，r_y为质心与踝关节的距离在前进方向上的垂直距离，且z_ankle和r_y是已知规划值。

进一步，所述踝关节俯仰角度θ_ankle表示为：

其中，