足式机器人步态控制

2023-11-25 14:57

足式机器人是指具有多个腿足的机器人,其通过这些腿足进行运动、平衡和执行任务。足式机器人包括机器狗、人形机器人、轮足机器人等,具备步行、奔跑、和其他多样化的运动能力,使它们能够在复杂或不规则的地形中移动,适用于各种应用领域,包括巡检、救援、军事和工业等。足式机器人的发展一直是科学技术领域的一大亮点,其步态控制技术是人机交互和机器人应用中的关键问题之一。普蓝机器人将刊出一系列原创文章,来阐述人形机器人步态控制的理论原理。此为**篇文章来分析足式机器人的步态相位。

(1)步态相位定义

步态相位是指在运动过程中不同关节的动作之间的时间关系。换言之,相位确定了机器人各个关节运动的同步和协调关系。步态相位分为支撑态相位和摆动腿相位。支撑态是步态周期中机器人腿部接触地面的阶段,其特点是需要维持稳定的姿态以支撑机器人的质量。摆动态是步态周期中机器人腿部远离地面的阶段,其任务是提升腿部、重心移动从而准备迎接下一次支撑。图1以人形机器人为例来说明步态相位的定义。



(2)步态相位的变化

在此以图1来说明步态相位的变化。

右脚支撑态:(a)右脚脚后跟触地时刻开始,即为右脚支撑态的开始,右脚开始支撑身体(同时左脚未离开地面);(b)左脚离开地面,左脚开始摆动态,右脚独自支撑身体;(c)重心前移至右脚正上方;(d)左脚触地,左脚结束摆动态,开始支撑态;(e)右脚离开地面,结束支撑态。

右脚摆动态:(a)右脚脚尖离开地面,开始摆动态,重心移至左脚;(b)重心移至左脚正上方;(c)右脚脚后跟触地,结束摆动态,开始支撑态。

上面说明了人体正常步态的相位变化,其它小跑步态、跳跃步态、快跑步态与上述描述类似。

(3)步态相位的控制

以图1为例,一个完整的步态运动过程包括支撑态和摆动态,用一个变量phase来描述。右脚脚后跟触地时刻,phase变量起始为0,而后随着步态的变化逐渐增大。右脚脚后跟再次触地,phase变量为1。完成了一个步态过程。

支撑态用StanceSubphase(2*1矩阵)来描述。右脚脚后跟触地时刻,右脚的StanceSubphase为0。右脚脚尖离开地面,右脚的StanceSubphase为1。右脚处于支撑态的大部分时间内,左脚处于摆动态,其间左脚的StanceSubphase为0。摆动态用SwingSubphase(2*1矩阵)来描述。右脚离开地面时刻,右脚的SwingSubphase为0,其后逐渐增大。右脚脚后跟触地时刻,右脚的SwingSubphase为1。右脚处于摆动态时,左脚为支撑态,因此左脚的SwingSubphase一直为1。如图2所示。



根据Phase、StanceSubphase、SwingSubphase变量的取值,即可知道当前步态的状态。当支撑态变量非零时,通过实时测量机器人倾角和加速度,使用PID控制保持支撑腿的稳定性,并使用足底力传感器获取地面反力信息,用于调整支撑腿的姿态。当摆动态非零时,机器人腿部远离地面,需要根据贝塞尔曲线实时生成足底轨迹。

本文通过对步态相位的深入分析,了解到支撑态和摆动态的交替变化,以及相应的控制策略。下一篇文章,我们将介绍步态控制中的贝塞尔足迹规划。

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