双足轮腿机器人跳跃运动规划与仿真

摘要

针对双足轮腿机器人在非结构化地形中适应能力不足、越障性能受限的问题，对机器人跳跃阶段进行了轨迹规划，使其可以利用跳跃动作来实现越障功能。首先，基于并联五连杆结构，采用几何法建立单腿运动学模型，推导虚拟腿长与关节角度映射关系及变化率；其次，引入虚拟模型控制(virtual model control, VMC),将机构简化为可变长度虚拟弹簧杆件，利用虚功原理实现力与力矩动态映射。进而提出双质量弹簧倒立摆(double-mass spring-loaded inverted pendulum, DM-SLIP)模型，将跳跃分为起跳、上升、下降、着地四阶段，优化起跳与着地阶段的弹簧参数，并采用3次多项式插值规划质心轨迹，结合PD控制与重力前馈计算腿部支撑力。最后在Simscape中建立仿真模型，以0.25 m障碍进行测试。结果表明，虚拟腿长跟踪误差保持在0～14.2%,连续跳跃过程中机身姿态能快速稳定，速度与力矩均收敛，验证了所提方法的有效性。

关键词

双足轮腿机器人 / 虚拟模型控制 / 轨迹规划 / 跳跃运动 / 运动学建模