基于气动人工肌肉驱动的足式机器人足部轨迹规划方法

本发明涉及机器人控制领域，尤其涉及一种基于气动人工肌肉驱动的足式机器人足部轨迹规划方法。

背景技术：

1、近年来，气动肌肉逐渐应用于各领域的机器人，由气动肌肉驱动的机器人具有极高的机动性和惊人的功率密度，可以灵活地与人、环境密切接触，改善整体系统的顺应性和安全性，从而实现舒适友好的人机交互控制。

2、但是由于气动人工肌肉特殊的工作原理，往气动人工肌肉内部注入高压缩气体产生驱动力的方式会带来一些复杂的固有特性，如高度非线性、复杂迟滞效应和时变特性等，使其控制问题更加显著，更具挑战性。并且气动人工肌肉驱动机器人的相关研究目前处于早期阶段，仍然存在许多重要的开放性控制问题需要解决。

3、在足式机器人领域，足部轨迹对足式机器人的运动性能起着重要作用，其决定了足部与地面的相互作用，足部轨迹不合适会导致冲击力不好，极大地影响足式机器人的连续性、稳定性和效率。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于气动人工肌肉驱动的足式机器人足部轨迹规划方法，提高了足式机器人的运动能力。

2、本发明采用如下技术方案：一种基于气动人工肌肉驱动的足式机器人足部轨迹规划方法，包括如下步骤：

3、s1、初始化新型气动人工肌肉，并安装于足式机器人的每个足部上，通过控制人工肌肉的膨胀和收缩，产生力量，驱动足式机器人的运动；

4、s2、基于贝塞尔曲线规划足式机器人足部轨迹，所述足部轨迹采用四条五阶贝塞尔曲线规划，通过定义约束条件，得到完整足部轨迹所需控制点的含参坐标；

5、s3、结合粒子群优化算法确定足部轨迹参数，更新每个粒子的速度与位置信息，得到足式机器人足部轨迹的最优解，配合新型气动人工肌肉的控制，最小化足式机器人足部接触地面时轨迹的抖动和冲击。

6、进一步地，采用与足部个数相同数量的基于六边形折纸结构的新型气动人工肌肉控制足式机器人的运动，新型气动人工肌肉形态为六边形折纸模型构成的圆柱形结构，通过控制气体的压力和流动，实现人工肌肉的膨胀和收缩，从而产生力量和运动，生成足部轨迹；

7、进一步地，足部轨迹采用四条五阶的贝塞尔曲线规划，四条五阶贝塞尔曲线，分别代表的轨迹是：足式机器人的一条足部从抬起点到后伸最高点、从后伸最高点到前伸最高点、从前伸最高点到落地点、从落地点到上一步的抬起点。

8、通过定义定义在新型气动人工肌肉控制下足式机器人足部的约束条件，设定虚拟腿在后伸最高点（pep）、前伸最高点(aep)角速度接近于0，且在抬起点与落地点的收缩速度接近0，得到一个完整足部轨迹所需控制点的含参坐标。

9、进一步地，结合粒子群优化算法确定足部25个轨迹参数，不断更新位置和速度信息，得到足部轨迹的最优解，以配合新型气动人工肌肉的控制，最小化脚部接触地面时轨迹的抖动和冲击。

10、本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

11、1、本发明提出的基于六边形折纸结构的新型气动人工肌肉，能够在低输入压力下迅速扩大体积并产生高牵引力和牵引运动。另外，折纸模型能够变换形态，不同于气囊型气动肌肉的单向膨胀收缩，其能够形成多角度折叠，有助于足式机器人在复杂的地形变换姿态行进。

12、2、本发明在使用新型气动肌肉控制足部运动的基础上，结合贝塞尔曲线与粒子群优化算法于一体规划足部轨迹，确定脚部轨迹参数，能最小化脚部接触地面时轨迹的抖动和冲击，本发明提高了足式机器人的运动能力，能够有效推动气动人工肌肉驱动机器人的相关研究，尤其是在足式机器人方面的应用。

技术特征：

1.一种基于气动人工肌肉驱动的足式机器人足部轨迹规划方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于气动人工肌肉驱动的足式机器人足部轨迹规划方法，其特征在于，所述新型气动人工肌肉数量与足式机器人的足部数量相同，由六边形折纸模型的基本单元在轴向和径向上反复排列叠加后形成，用于形成多角度折叠，外轮廓视为圆柱体；

3.根据权利要求2所述的基于气动人工肌肉驱动的足式机器人足部轨迹规划方法，其特征在于，所述新型气动人工肌肉，内部包括充气驱动致动器和真空驱动致动器，分别位于每条气动肌肉的两端，控制气体的压力和流动，实现人工肌肉的膨胀和收缩，使六边形折纸模型结构的气动肌肉重新排列，产生力量，驱动足式机器人的运动；

4.根据权利要求3所述的基于气动人工肌肉驱动的足式机器人足部轨迹规划方法，其特征在于，六边形折纸模型基本单元的二面角为面abc与面bcd的夹角，通过如下公式确定：

5.根据权利要求1所述的基于气动人工肌肉驱动的足式机器人足部轨迹规划方法，其特征在于，步骤s2基于贝塞尔曲线规划足式机器人足部轨迹，方法如下：

6.根据权利要求5所述的基于气动人工肌肉驱动的足式机器人足部轨迹规划方法，其特征在于，步骤s2.2中规划四条五阶贝塞尔曲线生成足式机器人的足部轨迹，包括如下子步骤：

7.根据权利要求5所述的基于气动人工肌肉驱动的足式机器人足部轨迹规划方法，其特征在于，所述四条五阶贝塞尔曲线，分别代表的轨迹是：足式机器人的一条足部从抬起点到后伸最高点、从后伸最高点到前伸最高点、从前伸最高点到落地点、从落地点到上一步的抬起点。

8.根据权利要求5所述的基于气动人工肌肉驱动的足式机器人足部轨迹规划方法，其特征在于，步骤s2.3定义在新型气动人工肌肉控制下足式机器人足部的约束条件，具体包括：

9.根据权利要求8所述的基于气动人工肌肉驱动的足式机器人足部轨迹规划方法，其特征在于，步骤s3中，使用粒子群优化算法确定x1-x25的参数值，每个粒子的位置代表了一个脚的轨迹，25个参数x1-x25代表了粒子的25个维度。

10.根据权利要求1所述的基于气动人工肌肉驱动的足式机器人足部轨迹规划方法，其特征在于，步骤s3中，基于粒子群优化算法，得到足部轨迹的最优解，方法包括如下子步骤：

技术总结本发明公开了一种基于气动人工肌肉驱动的足式机器人足部轨迹规划方法，采用基于六边形折纸的新型可变刚度轴向膨胀气动人工肌肉实现足式机器人的运动控制，形成该控制下的足部轨迹，然后采用贝塞尔曲线规划足部轨迹，并结合粒子群优化算法确定足部轨迹参数，以最小化脚部接触地面时轨迹的抖动和冲击。本发明方法能够在较低的输入压力下产生非常高的牵引力和牵引运动，并降低足式机器人在触地时足部相对于地面的相对速度，有助于减少冲击能量损失、减少峰值力、减少脚部滑动，提高足式机器人的稳定性和抗干扰能力。技术研发人员：杜晓玲,钱伟行,赵杰,张浩诚,仇筱,包琪玮,张喆一,刘心淳受保护的技术使用者：南京师范大学技术研发日：技术公布日：2024/6/11