[发明专利]双足机器人动力式行走方法

摘要

双足机器人的动力式行走方法属于机器人行走方法技术领域，其特征在于，是一种在开环控制条件下能万向行走的双足机器人动力式行走方法，在上位机控制下，按照前进、侧摆和侧移、以及旋转行走三种不同的动力行走方式，分别控制安装在所述双足机器人髋关节、膝关节、踝关节的伺服电机。根据每个周期下每个计算步长Δt内运动角度与行走次数之间的关系计算每个步长下的不同运动方式时的角度，并据此来控制各个所述伺服电机的转角，来满足动力式平稳行走的条件，相应地提出了设定状态下各个关节运动角度的控制方法。本发明具有能万向地平稳行走的优点。

主权项

1.双足机器人动力式行走方法，是一种动力式前进行走方法，其特征在于，依次含有以下步骤：步骤(1)，按以下步骤构造一个双足机器人：步骤(1.1)，建立驱干(1)与第一大腿(6)、驱干(1)与第二大腿(7)的连接：该驱干(1)与第一旋转电机(2)、第二旋转电机(3)的本体固定连接，所述第一旋转电机(2)的输出轴与所述第一大腿(6)轴向转动连接，所述第二旋转电机(3)的输出轴与所述第二大腿(7)轴向转动连接，所述驱干(1)与第一侧摆电机(4)、第二侧摆电机(5)的本体固定连接，再把所述第一侧摆电机(4)的输出轴与所述第一大腿(6)左右摆动连接，把所述第二侧摆电机(5)的输出轴与所述第二大腿(7)左右摆动连接，步骤(1.2)，建立所述第一大腿(6)与第一小腿(12)、所述第二大腿(7)与第二小腿(13)的连接：所述第一大腿(6)的下端与第一前摆电机(8)的输出轴前后转动连接，所述第一小腿(12)的上端与第二前摆电机(10)的输出轴前后转动连接，再将所述第一前摆电机(8)与所述第二前摆电机(10)的本体固定连接，所述第二大腿(7)的下端与第三前摆电机(9)的输出轴前后转动连接，所述第二小腿(13)的上端与第四前摆电机(11)的输出轴前后转动连接，再将所述第三前摆电机(9)与所述第四前摆电机(11)的本体固定连接，步骤(1.3)，建立所述第一小腿(12)与第一脚板(16)、所述第二小腿(13)与第二脚板(17)的连接：所述第一小腿(12)的下端与第三侧摆电机(14)的本体固定连接，再将所述第三侧摆电机(14)的输出轴与所述第一脚板(16)左右摆动连接，所述第二小腿(13)的下端与第四侧摆电机(15)的本体固定连接，再将所述第四侧摆电机(15)的输出轴与所述第二脚板(17)左右摆动连接，步骤(1.4)，用S_rotate1表示所述第一旋转电机(2)的旋转角度，S_rotate2表示所述第二旋转电机(3)的旋转角度，用S_hipLat1表示所述第一侧摆电机(4)侧摆角度，S_hipLat2表示所述第二侧摆电机(5)的侧摆角度，用S_hipSag1表示所述第一前摆电机(8)的前摆角度，S_hipSag2表示所述第三前摆电机(9)的前摆角度，用S_knee1表示所述第二前摆电机(10)的前摆角度，S_knee2表示所述第四前摆电机(11)的前摆角度，用S_ankle1表示所述第三侧摆电机(14)的侧摆角度，S_ankle2表示所述第四侧摆电机(15)的侧摆角度，步骤(1.5)，把步骤(1.1)到步骤(1.4)中各电机的控制信号输入端分别与一个上位机的控制信号输出端相连，所述各电机均为伺服电机；步骤(2)，在所述上位机内设定一个步态周期T，所述步态周期T是指每一步的开始时刻t＝0到碰撞时刻t＝T所经历的时间，t＝0表示所述第二大腿(7)的摆动腿离地的瞬间，t＝T标志一个步态周期结束，下一个步态周期开始，此时，所述第二大腿(7)的摆动腿变为支撑腿，而步态周期T时的支撑腿变为摆动腿，在所述步态周期T内所述双足机器人具有以下行走参数：θ，为等效支撑腿(18)与等效摆动腿(19)之间的夹角，单位为度，所述等效支撑腿(18)是指在t＝0时刻从所述驱干(1)到作为支撑腿的第一小腿(12)末端之间的虚拟等效腿，所述等效摆动腿(19)是指在t＝0时刻从所述驱干(1)到作为摆动腿的第二小腿(13)末端之间的虚拟等效腿，α，为在t＝0时刻起支撑作用的第一大腿(6)与所述等效支撑腿(18)之间的夹角，单位为度，β，为在t＝0时刻起摆动作用的第二大腿(7)与所述等效摆动腿(19)之间的夹角，单位为度，当所述等效摆动腿(19)位于所述等效支撑腿(18)之前时，所述θ>0，之后时θ<0，当起支撑作用的第一大腿(6)的膝关节弯曲时，所述α>0，伸直时α＝0，当起摆动作用的第二大腿(7)的膝关节弯曲时，所述β>0，伸直时β＝0，步骤(3)，所述双足机器在前进运动中，所述上位机按以下步骤控制该双足机器人进行动力式行走：步骤(3.1)，在一个所述步态周期内，设定以下三个关键帧：第一关键帧，位于t＝0时刻，为初始姿态，此时：θ＝-θ₀，θ₀为一个非负常数，决定步幅大小，0°≤θ₀≤60°，初始时θ₀＝30°，α＝α₀，α₀为一个非负常数，初始时，α₀＝θ₀/2，β＝0°，第二关键帧，位于t＝T/2时刻，θ＝0°，表示所述等效支撑腿(18)平行于所述等效摆动腿(19)，α＝α₀，β＝β₀，β₀为一个非负常数，α₀+5°<β₀<α₀+25°，在t＝T/2时设定β₀＝α₀+15°，决定所述摆动时第二小腿(13)末端的抬高高度，第三关键帧，位于t＝T时，决定碰撞时刻双足机器人的姿态，此时，θ＝θ₀，α＝0°，表示所述第一大腿(6)的膝关节伸直，为行走补入能量，β＝α₀，表示所述第二大腿(7)的膝关节弯曲，准备在t＝T时发生碰撞，步骤(3.2)，所述上位机依次按以下步骤控制所述双足机器人行走，行走步数为n，每行走一步用一个步态周期T：步骤(3.2.1)，设定Δt为计算步长，i为计算次数，行走时i从0开始，所述上位机按下式计算每隔Δt时间所述θ，α，β之值，θ=-θ0cosπΔtTi,α=α0,β=-β02cos2πΔtTi+β02,]]>当时θ=-θ0cosπΔtTi,α=-α02cos2πΔtTi+α02,β=-β0-α02cos2πΔtTi+β0+α02,]]>当时步骤(3.2.2)，所述上位机按下式计算当步数为n时行走参数θ，α，β在所述步骤(3.2.1)所得到的参数值下，所述双足机器人的S_hipSag1、S_hipSag2、S_knee1、S_knee2：ShipSag1=-12θ+α,ShipSag2=12θ+β,Sknee1=2α,Sknee2=2β,]]>当n＝1，3，5，7，9…时ShipSag1=12θ+α,ShipSag2=-12θ+β,Sknee1=2β,Sknee2=2α,]]>当n＝2，4，6，8，10…时