[发明专利]双足机器人在前进方向受到外部推力扰动时的步态规划与控制方法

说明书

本发明提供一种双足机器人在前进方向受到外部推力扰动时的步态规划与控制方法。当机器人含有欠驱动脚踝，或脚踝处于力控模式时，机器人受到的外部扰动可通过踝关节自由度(或其它与之相关的变量)的状态变化体现出来。基于该思路，本发明所提供的步态规划与控制方法对机器人的踝关节采用力控模式，然后选取支撑腿脚踝、支撑腿髋关节间的连线与竖直方向的夹角θ作为机器人的状态变量对机器人的状态进行表征，并基于简化倒立摆模型对机器人的状态进行实时估计和计算。基于本发明所提供的方法，无需对机器人受到的外部推力信息进行测量，即可实现实时反馈和控制。

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种双足机器人在前进方向受到外部推力扰动时的步态规划与控制方法。

背景技术

双足机器人在步行过程中不可避免地会受到各种外部扰动的影响，如何实现双足机器人在外部扰动下的稳定行走，对于它们的实际应用具有非常重要的意义。从已公开的一些仿真以及实验结果来看，双足机器人目前抗扰动能力依然较弱，鲁棒性仍然较差，特别是当双足机器人在前进方向受到外部推力扰动时，很容易发生失稳摔倒。

目前，国内外研究人员考虑双足机器人在外部推力扰动下的步态规划与控制问题时，常假设推力信息已知或可测量(包括推力的幅值以及作用位置等)，然后再通过补偿控制或者跟踪控制的方法来实现稳定步行，例如文献《On the adaptation of dynamicwalking to persistent external forcing using hybrid zero dynamics control》、《Event-Based Stabilization of Periodic Orbits for Underactuated 3-D BipedalRobots With Left-Right Symmetry》以及最近发表的《不确定性扰动下3-D双足机器人动态步行的鲁棒控制研究》。然而，在实际应用中，双足机器人受到的推力信息，特别是作用位置信息，很难被准确感知。在此情形下，往往难以实现有效的补偿控制或者跟踪控制，尤其是存在被动动态的情形。

发明内容

为克服上述问题，本发明提供一种双足机器人在前进方向受到外部推力扰动时的步态规划与控制方法。当机器人含有欠驱动脚踝，或脚踝处于力控模式时，机器人受到的外部扰动可通过踝关节自由度(或其它与之相关的变量)的状态变化体现出来。基于该思路，本发明所提供的步态规划与控制方法对机器人的踝关节采用力控模式，然后选取一个合适的状态变量对机器人的状态进行表征，并基于简化倒立摆模型对机器人的状态进行实时估计和计算。基于本发明所提供的方法，无需对机器人受到的外部推力信息进行测量，即可实现实时反馈和控制。

本发明的技术目的通过以下技术方案实现：

一种双足机器人在前进方向受到外部推力扰动时的步态规划与控制方法，包含以下步骤：

步骤一，根据给定的机器人初始状态和末状态，规划出机器人的初始步态。其中，在初始步态下，支撑腿膝关节自由度处于锁死状态，支撑腿踝关节俯仰自由度的驱动力矩为零，以提高步行能效。

步骤二，基于简化倒立摆模型，对机器人的状态进行实时估计和计算：

首先，将机器人简化为倒立摆模型，倒立摆质心位于机器人支撑腿髋关节处，并将支撑腿脚踝与支撑腿髋关节间的连线作为虚拟腿，虚拟腿长为l，虚拟腿与竖直方向的夹角为θ。

然后，选取角度θ作为机器人的状态变量，获取机器人的当前状态并计算机器人当前步态与初始步态下θ对应的角速度偏差

其中为机器人当前步态下角度θ所对应的角速度，为机器人初始步态下所对应的角速度。可通过对如下方程进行数值积分来获得：