[发明专利]一种双足机器人步态生成与优化方法

权利要求书

1.一种双足机器人步态生成与优化方法，其特征在于，在有限状态机中，根据双足机器人的状态的目标位姿构建双足机器人的步态库；设定触发机器人各状态之间相互切换条件；在每个状态切换过程中，利用关节三次插值法对支撑腿的运动轨迹进行规划，利用高斯伪谱法对摆动腿的运动轨迹进行优化；最终由有限状态机生成双足机器人多种不同运动模式的步态；所述切换条件包括人为触发、时间触发和事件触发，所述时间触发，为设定状态之间的持续时间，所述事件触发为机器人摆动腿是否触地；

所述双足机器人的状态包括：机器人双脚站立在地面上的初始状态、仅右脚支撑的状态、左脚触地的状态、左脚支撑的状态、右脚触地的状态和腾空状态。

2.根据权利要求1所述的一种双足机器人步态生成与优化方法，其特征在于，所述关节三次插值法的过程为：设两个状态的目标角度与角速度分别为θ₁,θ₂和状态之间持续时间为T，当前状态持续时间为t时，三次插值后的当前参考角度θ和角速度为：

其中，，s＝t/T。

3.根据权利要求1所述的一种双足机器人步态生成与优化方法，其特征在于，所述高斯伪谱法对摆动腿的运动轨迹进行优化的方法为：

S1，构建机器人摆动腿的动力学方程：其中，M是关节空间的惯性矩阵，C是科氏力、离心力与重力的合力矢量，q_sw是摆动腿髋关节与膝关节的角度，为摆动腿髋关节与膝关节的角速度，τ_sw为驱动力矩；

S2，对摆动腿的动力学方程进行变形，得到：建立非线性状态方程其中，

S3，建立评价函数：其中，x_e是末位时刻的状态，S、Q、R为权重矩阵；

S4，把动力学方程在高斯点上进行离散，用N个高斯点T₁,T₂,…,T_N和初始端点T₀上的离散状态构造拉格朗日插值多项式去近似状态的时间历程：

其中，x(T)为真实的状态时间历程，X(T)为由拉格朗日插值多项式近似得到的状态时间历程；L_i(T)为拉格朗日插值基函数，i＝0,1,…,N，

S5，获得性能指标、边界条件和不等式约束，

φ(X₀,t₀,X_f,t_f)＝0

C(X_k,U_k,T_k；t₀,t_f)≤0

其中，为初末状态约束条件，t₀为开始时间，t_f为结束时间，X₀为t₀时刻的状态时间历程，X_f为t_f时刻的状态时间历程，w_k为高斯积分权重，g为分段积分函数即动力学方程的积分，T_k为高斯点，X_k＝X(T_k)是T_k高斯点时的系统状态；U_k＝U(T_k)是系统输入，k＝0,1,…,N；φ表示优化的边界条件。

4.根据权利要求3所述的一种双足机器人步态生成与优化方法，其特征在于，对摆动腿的脚部末端位置进行约束，摆动腿的脚部末端在竖直方向的位置应该大于0。

5.根据权利要求4所述的一种双足机器人步态生成与优化方法，其特征在于，利用所述高斯伪谱法对摆动腿的运动轨迹优化，需要同时满足设定的全身动力学约束条件。