[发明专利]一种双足机器人偏摆力矩补偿方法

权利要求书

1.一种双足机器人偏摆力矩补偿方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：

(1)将双足机器人模型抽象为多连杆模型，基于机器人动力学分析方法，建立机器人步行过程力矩平衡方程，并求解ZMP位置；

(2)根据机器人ZMP稳定性判据条件，结合步骤(1)建立的平衡方程，得到机器人运动过程中的偏摆力矩；

(3)当偏摆力矩超过地面和双足机器人足部的最大摩擦力矩时需要对偏摆力矩进行补偿，具体过程为：取时间间隔Δt＝T/n，T表示运动周期，n表示离散点的数目，对偏摆力矩M_z进行采样，获得离散力矩M＝[M₁、M₂、……、M_n]^T，建立机器人上半身关节运动的角轨迹与离散力矩的映射关系，基于时间-角位置多项式插值方法，结合设置的边界条件，对双足机器人的腰部扭转角度或者双臂摆动角度进行设计，实现对偏摆力矩的补偿效果。

(4)根据能量消耗函数对偏摆力矩补偿结果进行评估；具体如下：

(4.1)针对头部配备图像采集的双足机器人，只进行双臂摆动角度设计，在周期运动阶段所消耗的能量函数如下：

其中，n表示离散点的数目，Δt＝T/n表示在整个运动周期的采样时间间隔，I₂为机器人双臂绕肩关节轴中心的惯性矩，m_armz表示手臂的质量，l_armz表示手臂的长度，l表示机器人髋关节的间距，M_j表示第j个采样时刻对应的偏摆力矩，c_i为手臂摆动阶段对应的单位线位置。

(4.2)针对头部未配备图像采集的双足机器人，在周期运动阶段所消耗的能量函数如下：

设计腰部扭转角度时，周期运动阶段所消耗的能量函数为：

其中，n表示离散点的数目，Δt＝T/n表示在整个运动周期的采样时间间隔，I₁为机器人上半身整体绕腰关节中心轴的惯性矩，M_j表示第j个采样时刻对应的偏摆力矩。

设计双臂摆动角度时，周期运动阶段所消耗的能量函数为：

其中，n表示离散点的数目，Δt＝T/n表示在整个运动周期的采样时间间隔，I₂为机器人双臂绕肩关节轴中心的惯性矩，M_j表示第j个采样时刻对应的偏摆力矩，c_i为手臂摆动阶段对应的单位线位置。

比较ΔE₁和ΔE₂的能量消耗大小，选择最佳的偏摆力矩补偿方式。

(5)判断步骤(4)的能量函数计算结果是否满足偏摆力矩补偿要求，若是，则完成偏摆力矩补偿，若否，返回步骤(3)，重新设计腰部扭转角度或者双臂摆动角度，并改变相应的边界约束条件，直至实现所设计的运动形式满足偏摆力矩补偿要求。

2.根据权利要求1所述的一种双足机器人偏摆力矩补偿方法，其特征在于：步骤(1)中所建立的力矩平衡方程，可根据机器人动力学分析进行求解，结合机器人实际连杆物理模型，可获得其力矩平衡方程为：

其中，m_i表示编号为i的连杆质量，r_i，和M_ci分别表示连杆i的质心位置矢量、加速度矢量和力矩。p为支撑脚与地面接触点的位置矢量，g为重力加速度向量，T_p为地面对机器人的力矩，k为机器人连杆总数。

3.根据权利要求1所述的一种双足机器人偏摆力矩补偿方法，其特征在于：在步骤(3)中，对于机器人偏摆力矩的采样过程，应根据其传感器的实际传输速度，来决定采样频率的大小，为最大限度获得机器人实际运动阶段所产生的偏摆力矩，取采样时间间隔为传感器数据发送的时间间隔。

4.根据权利要求1所述的一种双足机器人偏摆力矩补偿方法，其特征在于：在步骤(3)中，针对时间-角位置多项式插值方法，多项式次数的高低与边界条件的数目相对应，为避免次数过高导致的龙格现象，其边界条件应选择性约束。