[发明专利]一种仿生双足机器人及其稳定步态规划方法

说明书

本发明提供了一种仿生双足机器人及其稳定步态规划方法。机器人由机电控制箱和两条分别具有三个自由度的机械腿，以及一个关节偏航组件构成；关节偏航组件控制机器人的转向运动；机械腿包括大腿部、小腿部和缓冲蹄足；大腿部采用四边形串联机构，髋关节处设置髋关节滚动电机、髋关节俯仰电机、膝关节俯仰电机三个电机；小腿采用轻质碳纤维结构，被动控制；缓冲蹄足借鉴蹄行式生物足部特点设计。且本发明将机器人简化为弹簧‑负载倒立摆模型进行动力学分析及步态规划，采用庞加莱截面与吸引域特征相结合的方法评价步态稳定性，并获取稳定步态的最优参数，保证其运动状态下的鲁棒性。机器人具有行走灵活、响应迅速、高效节能的特点。

技术领域

本发明属于双足机器人领域，具体涉及一种仿生双足机器人及其稳定步态规划方法。

背景技术

自然界中所有陆生高等动物共有三种主要的后肢行走方式：跖行式(脚掌走路)、趾行式(脚趾走路)、蹄行式(脚指甲走路)。

跖行式即是用脚掌在走路，这种行走方式要求跖骨着地，成为扁平的脚掌，行走时，趾骨，跖骨，跗骨会依次接触地面。人、猴子、猩猩、熊、兔子、小熊猫以及大、小鼠等啮齿类动物都是这种行走方式。这种行走方式由于足部与地面接触部分的零件太多，附肢远端的载荷过重，导致行走时阻力较大，跑动的很慢。但它的好处也有很多的，首先是稳定性强，扁平的脚掌让下盘更加的稳固，两只后腿就足以支撑起整个身体的重量，走起路来是相当的稳当。

趾行式即是用脚趾头在走路，趾行式动物的跖骨没有变为贴地的脚背，而是向上抬起，只用几个脚趾头(趾骨)来支撑身体和行走，类似于人类穿着高跟鞋走路，而且还是鞋跟特别高的那种。与跖行式动物相比，趾行式动物由于跖骨的上抬，拥有了另一个巨大优势：腿长，步幅很大(跖骨上抬，升级，变成为腿的一部分：一节又瘦又长的新腿)。由于只用了脚趾站立，“足”部构造更加简单轻便，与地面接触面积更小，阻力更小，步幅更大，趾行式动物跑动起来要比跖行式更为轻快、移动方面也更为迅速，比如猎豹的奔跑时速就可以达到115公里。

蹄行式，哺乳动物中的奇蹄目和偶蹄目，比如羊、牛和猪等的行走方式。从骨骼方面来说，蹄行的行走方式更加特别，连跖骨都不再着地了，而是“趾甲”着地，为了满足这一需求，蹄行动物的趾甲在进化道路上变得坚固而宽厚，形成我们说的蹄子。虽然脚趾踮地(趾行式)要比脚掌走路(跖行式)跑动速度更快，但要是论长程竞速的话，它们都还是比不上那些用脚指甲走路的蹄行式。蹄行式，不仅速度更优，而且腿型更长。这种最大限度把屁股以下部分全部都给变成腿的构造使得一只典型的蹄行式食草动物(比如马、鹿等)往往有着丰硕而健壮的臀部与轻盈而强韧的下肢，高爆发、高持久，简直就是为了运动而生，瞪羚的最高时速就可以高达100公里，而且耐力超强。

如图1所示，蹄行动物，如鹿的后腿结构，向后突出的骨节是跗骨，蹄子是特化后的趾甲，而蹄子往上是逐渐变细的一小节(高度愈合的跖骨)，然后是变粗的关节，再往上则是长长的“小腿”(跖骨)。将这种结构用于双足机器人的腿部仿生设计，即设计一种蹄形足双足机器人，为机器人更快速的运动提供设计思路。

双足机器人领域，现有技术中有仿人机器人(跖行式)，鸵鸟式机器人(趾行式)，但没有蹄行式机器人。专利110254553A公开了一种全形态式仿鸵鸟高速跑跳机器人，采用了趾行式结构。专利CN109606492A公开了一种基于涵道推进系统的双足跳跃机器人，该机器人跳跃腿在踝关节、膝关节和髋关节都设置用于控制运动的伺服电机，足部采用大接触面积的脚掌(跖行式)。这种机器人虽然实现了大尺度跳跃、复杂地形平稳落地，但足部与地面接触部分的零件太多，机器人附肢远端的载荷过重，且自重较大，导致行走时阻力较大，跑动速度受限。CN215155133U公开了一种双足机器人，腿部同样采用平行四边形串联结构，但仅在大腿根部(髋关节)设置腿部驱动件，足部采用轮式结构，采用位于腰部、转动轴线与腿部垂直的飞轮保持机器人的运动平衡。这种结构在髋关节仅设置一个电机驱动，不利于受力缓冲，机器人行走时晃动和抖动幅度大，且功率损耗较大，不利于效率提升。专利CN111516773A公开了一种具有多种运动模式的可重构双足机器人，可以实现双足和四足运动模式切换，但依然采用跖行式双足结构。