i)+Kp δ Pi快速计算出当前步 应该摄动的参数口"①^并更新状态机中的参数。第一自由摆动阶段结束，从T。时刻起以摄 动后参数
为角速度，开始匀速转动电机带动驱动杆拉伸弹簧，驱动到Τ。- τ 时刻锁定电机，完成为机器人本步行走补充能量。从机器人前行方向右侧看去，支撑腿电机 逆时针转动，摆动腿电机顺时针转动。机器人进入第二自由摆动阶段直至摆动腿与地面碰 撞。下一步行走中重复进行以上操作，经过数步的摄动参数行走，非单周期步态被控制到单 周期步态。
[0091] 首先，我们给出用本方法抑制分岔的实例。选择Κ = 11，设置目标轨道的参数Τ。 =0，τ = 〇. Is, Φ* = 0. 7854rad，机器人出现分岔步态，即一步大一步小的2倍周期行走 步态。从一个在不实施摄动的情况下，经过前29步产生稳定的2倍周期行走步态，2个2倍 周期不动点在庞加莱截面上的状态如图5(b)所示。我们在第30步开始实施本发明方法， 反馈增益为Kf= [3. 8, 4. 68,-0.3]，Kp= 0.473,图6(a)~（b)显示了触地瞬间的支撑腿 角度Θ st和从第30步开始施加的摄动量Φ i (i = 30, 31，32,. . .，49)。步态在十步内快速 从2倍周期收敛到单周期，而且摄动量减小到零，即步态稳定在单周期轨道上。
[0092] 本方法同样可以控制混沌步态。选择弹性系数Κ = 16,其他参数同分岔的实例， 机器人进入混沌步态。我们在第30步开始实施本发明方法，反馈增益与抑制分岔的实例完 全相同。图7(a)~（b)显示了触地瞬间的支撑腿角度0st和从第30步开始施加的摄动量 。混沌的步态在十步内收敛到单周期，且摄动量趋近于零，可认为步态稳定在单周期轨 道。
[0093] 需要说明的是，以上两个实例采用了相同的反馈增益。实际上，对于可行走范围内 的所有非单周期，无需反复计算不动点并根据线性化模型设计控制器，仅使用该组反馈增 益即可将所有非单周期步态在有限步数内控制到单周期步态。由于混沌的产生，非单周期 可行走的弹性系数最大为17. 2,使用本发明方法实现单周期稳定行走后，可设置的弹性系 数范围扩大，行走速度可以进一步提高，图8中的虚线表示本方法控制的步态。图9是本发 明所述基于延迟反馈的双足机器人行走非单周期步态控制方法流程图。
[0094] 本发明所述方法很好地应用了参数摄动影响系统的动力学特性，通过设计一种特 殊形式的延迟反馈控制器，镇定原本不稳定的单周期轨道。这种方法使用方便，对参数变化 的适应性强，应用在双足行走机器人平地行走的非单周期步态上，能够在数步内实现单周 期步态。
[0095] 以上，仅为本发明所述方法在一种双足机器人上的实施案例，但本发明方法的保 护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明方法揭露的技术范围内， 可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明方法的保护范围之内，比如使用类似的机器 人模型，使用其他庞加莱映射估计方法，或使用经过加权的范数等作为评价指标等变化。因 此，本发明方法的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。
【主权项】
1. 一种基于延迟反馈的双足机器人行走非单周期步态控制方法，其特征在于，包括： 步骤1、机器人包括一对内腿和一对外腿，将它们通过铰链连接成髋部结构体，能自由 摆动，在两对腿的脚底均设有开关式传感器，传感器信号输出端与控制器信号输入端相连， 两对腿上分别安装电机，电机转动轴分别与驱动杆相连，相邻内外腿的两个驱动杆的另一 端以线性弹簧连接，弹簧的形变由腿的姿态以及电机输出共同决定； 步骤2、将机器人行走时的内腿和外腿分别定义为摆动腿和支撑腿，将机器人行走时的 每一步依次分为第一摆动阶段、驱动杆摆动阶段、第二摆动阶段； 第一阶段：上一步摆动腿与地面发生碰撞时后进入第一摆动阶段，电机角度保持锁定， 驱动杆相对于腿的角度固定不变，模型在弹簧弹力的作用下利用自身的惯性自由摆动向前 行走T。时长； 第二阶段：驱动杆摆动阶段电机开始匀速转动，当前步支撑腿电机转动带动驱动杆向 前拉伸弹簧，摆动腿电机带动驱动杆向后拉伸弹簧，转动速率相同，此阶段结束后电机停止 转动，支撑腿和摆动腿的驱动杆从负的预设驱动角度变为正的预设驱动角度，从机器人前 进方向右侧看去，由髋部到竖直方向开始逆时针转动所得角度为正； 第三阶段：第二摆动阶段两电机均没有动作，电机角度锁定，模型在弹簧弹力的作用下 利用自身的惯性自由摆动直到摆动腿与地面发生碰撞，当前步结束； 步骤3、机器人行走过程中的控制参数包括从一步开始到驱动杆开始转动经过的时间 长度T。，单位为秒；驱动杆开始摆动到摆动结束所持续的时间长度τ，单位为秒；驱动杆摆 动幅度Φ，单位为弧度；确定一个控制参数作为摄动参数Ρ后，保持其他控制参数的值不 变； 步骤4、确定庞加莱截面，并截取机器人行走过程中的一系列状态，将第i步的该状态 记为Sy建立前后两步在庞加莱截面上的状态之间映射：si+1= Step (s ;，ρ;)，其中ρ;为摄动 参数P在第i步行走中经过摄动后的参数值； 步骤5、确定目标控制参数组合，其中摄动参数ρ的数值记为标称参数ρ%确定其对应 的目标单周期不动点s%即机器人单周期步态时在庞加莱截面上穿过相同位置的状态； 步骤6、建立单周期不动点处的线性化模型，在已确定的单周期不动点处对模型线性 化：式中A为不动点处的Jacobian矩阵，b为反映摄动后的摄动参数ρ对状态的影响的梯 度矩阵，S Sl为第i步状态与不动点的差值，δ p i为第i步的摄动量； 步骤7、确定状态和摄动参数延迟反馈控制器的反馈增益Kf、反馈增益Kp;基于步骤4 中的线性化模型，设计延迟反馈控制器：步骤8、确定最大摄动量的限制值； 步骤9、设定机器人的初始状态及控制参数，传递给状态机执行，令机器人行走； 步骤10、测量机器人在庞加莱截面上的状态Sl，根据步骤6确定的反馈增益Kf、反馈增 益κρ和设计的延迟反馈控制器得到当前步的摄动量δ p i= K f ( δ Si_ δ Si D+Kp δ Pi i，计算 出当前步的摄动参数Pi = P、δ Pi，更新状态机中的参数； 步骤11、若步骤10中得到的当前步的摄动参数Pl未超出最大摄动量的限制，控制器依 照电机的控制方式开始驱动电机，执行摄动参数，使P达到P1;若P 1超出限制，则执行标称 参数P%使参数P达到P% 步骤12、驱动杆摆动阶段结束后电机角度锁定，当摆动腿的开关式传感器感应到摆动 腿落地后，当前步结束；下一步开始，重复步骤10~步骤12,控制机器人步态。2. 根据权利要求1所述一种基于延迟反馈的双足机器人行走非单周期步态控制方法， 其特征在于，所述摄动参数P为驱动杆摆动幅度Φ，抑制分岔的最大摄动量的限制值为0. 3 弧度，消除混沌的最大摄动量的限制值为〇. 1弧度。3. 根据权利要求1所述一种基于延迟反馈的双足机器人行走非单周期步态控制方 法，其特征在于，所述庞加莱截面截取机器人的摆动腿与地面发生碰撞时的状态，状态向量 t，由第i步此状态时支撑腿与竖直垂线的夹角％、摆动腿与竖直垂线 的夹角&,.、支撑腿的角速度七以及摆动腿的角度组成。4. 根据权利要求1所述一种基于延迟反馈的双足机器人行走非单周期步态控制方法， 其特征在于，所述反馈增益Kf、反馈增益κρ确定的具体步骤为： 利用庞加莱截面状态数据，通过类周期点回复方法和最小二乘法求出不动点处的 Jacobian矩阵Α和摄动参数对状态影响的梯度矩阵b，线性化系统和摄动参数构成η+1维 的摄动系统：设置矩阵Α。的所有η+1个特征值为零，通过特征多项式的系数匹配求得矩阵[cT d]中 的所有元素，则控制器的反馈增益Kf= cT(A-In) \反馈增益Kp= d-Kfb。5. 根据权利要求1所述一种基于延迟反馈的双足机器人行走非单周期步态控制方法， 其特征在于，所述反馈增益Kf、反馈增益κρ确定的具体步骤为：从零开始试探性地给出一 组反馈增益；观察这组反馈增益的步态控制效果，若非单周期步态收敛速度慢，增大反馈增 益；若无法控制单周期步态则减小反馈增益；反复试探直至找到符合要求的反馈增益。
【专利摘要】本发明属于机器人行走控制领域，具体涉及一种基于延迟反馈的双足机器人行走非单周期步态控制方法。其特征在于，在机器人行走的控制参数中确定一个摄动参数p；确定庞加莱截面及目标不动点和其对应的标称参数；建立单周期不动点处的线性化模型；确定延迟反馈控制器的反馈增益Kf、反馈增益Kp；确定最大摄动量的限制值；设定机器人的初始状态及控制参数，求得前步的摄动参数值pi，若摄动参数pi未超出最大摄动量的限制，执行摄动参数；若pi超出限制，则执行标称参数p*；当摆动腿落地后，当前步结束，进行下一步的控制。本发明仅采用一组恒定的状态反馈增益就能通过参数摄动使步态逐步收敛，快速稳定到期望不动点，实现单周期步态，扩大了机器人可行走的参数范围。
【IPC分类】B62D57/032
【公开号】CN105329333
【申请号】CN201510810189
【发明人】赵明国, 闫石, 邓卡
【申请人】清华大学
【公开日】2016年2月17日
【申请日】2015年11月20日