[发明专利]一种基于质心高度补偿的仿人机器人步态生成方法

说明书

本发明公开了一种基于质心高度补偿的仿人机器人步态生成方法，结合人体自然步态运动规划和3‑D直线倒立摆模型下的步态运动规划。包括如下步骤：步骤1，人体自然步态运动规划的分析；步骤2，质心高度补偿的分析；所述步骤1将人体自然步态运动规划简化为3‑D直线倒立摆模型进行分析；所述步骤2在所述步骤1分析的基础上分析仿人机器人行走时摆动腿的运动对其质心高度的运动轨迹的影响，引入质心高度补偿来解决这一问题，将仿人机器人行走步态划分为四个阶段，规划其步态生成。本发明通过质心高度补偿方法，可有效解决仿人机器人行走时摆动腿对其质心高度的影响，并获得稳定实用的步态。同时，减少了3‑D直线倒立摆模型误差的影响。

技术领域

本发明涉及机器人运动学建模领域，特别是一种基于质心高度补偿的仿人机器人步态生成方法。

背景技术

对仿人机器人的研究仍然是机器人学领域中的一个热门课题，许多研究者已经针对多种仿人机器人关于动态双足步行方法进行了研究，并取得了迅速的进展和可靠的研究成果，掌握两足动物运动学理论背景仍然很重要。通常，两足动物行走模式的生成可以分为两类。一种，采用简化的机器人动力学模型。由于控制器对被控对象知之甚少，这种方法依赖于反馈控制。另一种，则预先得到机器人精确的动力学模型，以产生稳定的步态。这两种方法也各有其利弊。传统的3-D直线倒立摆模型近似地将三维空间机器人视为一个包含质心的倒立摆，在单腿摆动时，由简化的无质量腿连接质心和支撑点。由于忽略了摆动腿运动的影响，期望的质心与实际的质心之间必然存在一定的误差。目前为止，还没有研究人员对机器人髋部高度的设计进行全面的分析和测试。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种结合人体自然步态运动规划和3-D直线倒立摆模型下的步态运动规划，通过质心高度补偿方法，解决仿人机器人行走时摆动腿对其质心高度的影响，并获得稳定实用的步态，解决由3-D直线倒立摆模型误差所造成的期望质心与实际质心之间影响的问题的基于质心高度补偿的仿人机器人步态生成方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种基于质心高度补偿的仿人机器人步态生成方法，结合人体自然步态运动规划和3-D 直线倒立摆模型下的步态运动规划。包括如下步骤：步骤1，人体自然步态运动规划的分析；步骤2，质心高度补偿的分析；所述步骤1将人体自然步态运动规划简化为3-D直线倒立摆模型进行分析；所述步骤2在所述步骤1分析的基础上分析仿人机器人行走时摆动腿的运动对其质心高度的运动轨迹的影响，引入质心高度补偿来解决这一问题，将仿人机器人行走步态划分为四个阶段，规划其步态生成。

进一步地，所述步骤1包括如下：

SS00人体自然步态，为了简化模型和减少计算量，3-D直线倒立摆模型将质量固定在髋部，使用3-D直线倒立摆模型生成的仿人行走髋部高度的运动轨迹，显示最大步幅与腿最大伸长时的髋部高度之间的关系。由于最大腿伸长度和髋部高度是不变的，机器人的步态将受到限制；

SS01人在行走过程中，人体髋关节轨迹接近余弦曲线，这可以作为仿人机器人行走时的自然步态的一个轨迹优化点。

SS02 3-D直线倒立摆模型，3-D直线倒立摆模型的步态分为单腿支撑和双腿支撑两个阶段。在单腿支撑阶段，机器人动力学可以简单地建模为一个倒立摆。假设支撑腿为无重力伸缩支腿，质量集中为一个点，无垂直向运动。支撑点的扭矩为零，因此质心可以自由旋转。基于牛顿-欧拉法，可以得到3-D直线倒立摆模型与地面之间支承点周围的角动量的动力学方程：

这里，F_gr＝[F_x,F_y,F_z]^T表示地面反作用力产生的扭矩，G_gr＝[0,0,-g]^T代表重力，r_cm＝[x,y,z]^T表示从接触点到质心的矢量，L是质心的线性动量，得到了水平面上的质心轨迹运动方程：