双足机器人节能步态规划算法

摘要

为提高双足机器人的步行性能,提出基于五质心倒立摆模型的节能步态规划算法.算法包括步态参数优化算法和步态合成算法.步态参数优化算法允许身体做三维运动,以有限阶傅里叶级数的系数表征特定步长下机器人身体的运动空间.通过离散化这些系数,使运动空间网格化.进而对网格交点进行逆动力学计算,划分出满足允许零力矩点区域要求的种子集合.算法以电机的负荷转矩和角速度的乘积为能耗指标函数,在每个种子的邻域迭代计算.按照最大梯度原则逐次逼近函数极小值,此时的电机角度序列作为对应步长下的解,存入数据库.步态合成算法按照步行距离,规划由起始步、中间步和停止步构成的完整行走轨迹.按照行走步长,从数据库读取腿关节电机的角度序列,并依据双足机器人行走中反馈的零力矩点,对序列进行修改.为验证算法有效性,进行了动态仿真实验和现实环境中双足步行实验.实验结果与固定身体高度或允许身体垂直运动的算法对比,证明步态算法具有明显的节能效果.该算法实现低能耗和高鲁棒性的折中,较好地解决具有高度非线性特征的双足机器人行走问题,为煤矿救援机器人的开发开辟一种新途径.