(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210793666.1 (22)申请日 2022.07.05 (71)申请人 平顶山学院 地址 467000 河南省平 顶山市新城区未来 路南段 (72)发明人 尹凯阳　薛亚许　赵换丽　金艳涛　 马正森　李鹏飞　李宝增　代克杰　 卞和营　张文叶　 (74)专利代理 机构 洛阳九创知识产权代理事务 所(普通合伙) 41156 专利代理师 狄干强 (51)Int.Cl. B25J 9/16(2006.01) (54)发明名称 一种双足机器人直立平衡的踝关节仿生控 制方法及控制模块 (57)摘要 一种双足机器人直立平衡的踝关节仿生控 制方法及控制模块， 涉及到双足机器人平衡控制 领域， 其依据双足机器人某时刻的踝关节角度 θfoot、 双足机器人质量中心的运动速度vc和加 速度ac信息， 经过仿生学建模， 计算得到当前状 态下的踝关节期望作用力矩τq， 之后由踝关节 驱动器动作产生踝关节期望作用力矩， 以调节双 足机器人的发力动作使其保持直立平衡。 本发明 在仿生学基础上， 并结合双足机器人自身参数所 建立的， 不依赖于双足机器人所处的外部环境， 因此其自适应性和鲁棒性均得到了保障； 同时， 依据双足机器人的运动参数和自身状态参数进 行瞬时调节， 反馈更加及时和精准， 调控平衡的 效果也更好。 权利要求书3页 说明书9页 附图6页 CN 115008469 A 2022.09.06 CN 115008469 A 1.一种双足机器人直 立平衡的踝关节仿生控制方法， 其特 征在于， 包括如下步骤： 1)获取双足机器人某时刻的踝关节角度θfoot、 双足机器人质量中心的运动速度vc和加 速度ac信息， 并以此信息计算出双足机器人的背屈肌肉群激活量a1和跖屈肌肉群激活量a2； 2)依据步骤1)的背屈肌肉群激活量a1和跖屈肌肉群激活量a2， 计算当前状态下的背屈 肌肉群作用力Fm1和跖屈肌肉群作用力Fm2； 3)依据背屈肌肉群作用力Fm1和跖屈肌肉群作用力Fm2， 计算得到当前状态下的踝关节期 望作用力矩 τq； 4)踝关节驱动 器动作产生步骤3)的踝关节期望作用力矩， 以调节双足机器人的发力动 作使其保持直 立平衡。 2.根据权利要求1所述的一种双足机器人直立平衡的踝关节仿生控制方法， 其特征在 于， 所述步骤1)中， 计 算双足机器人的背屈肌肉群激活量a1和跖屈肌肉群激活量a2是通过虚 拟肌肉分层激活模型实现的， 所述虚拟肌肉分层激活模型包括姿态补偿通道、 肌肉牵张反 射通道和激活分量融合单元， 其中， 双足机器人质量中心的运动速度vc和加速度ac信息输入 姿态补偿通道中， 与姿态信号延迟时间λ一并经增益模型II运算处理得到姿态补偿肌肉激 活分量aa； 所述双足机器人踝关节角度 θfoot输入肌肉牵张反射通道中， 与肌肉牵张反射延迟 时间δ一并经增益模型 Ⅰ运算处理得到肌肉牵张反射激活分量al； 所述激活分量融合单元 中， 分别为姿态补偿肌肉激活分量aa和肌肉牵张反射激活分量al赋予时变权重II和时变权 重Ⅰ后， 融合得到踝关节肌肉激活量a。 3.根据权利要求2所述的一种双足机器人直立平衡的踝关节仿生控制方法， 其特征在 于： 所述姿态补偿通道中， 运 算处理得到姿态补偿肌肉激活分量aa的公式为 aa(t)＝kpvc(t‑λ )+kdac(t‑λ )    (1) 式中， kp和kd分别为双足机器 人在t时刻的质量中心运动速度vc和加速度ac的增益参数， kp为0.2‑1.5， kd为0.01‑0.3； λ为姿态信号延迟时间， 取值 为100‑250ms。 4.根据权利要求2所述的一种双足机器人直立平衡的踝关节仿生控制方法， 其特征在 于： 所述肌肉牵张反射 通道中， 运 算处理得到肌肉牵张反射激活分量al的公式为 al(t)＝plΔlm(t‑δ )+dvvm(t‑δ )    (2) 式(2)中， lm为双足机器人虚拟肌肉肌纤维长度， 其计算公式为 lm＝K( θfoot‑θmax)+C    (3) 式(3)中， K和C均为常数： K＝rfρ， C＝K sin( θopt‑θmax)+lopt， rf为踝关节相关肌肉的作用 半径， ρ 为肌肉肌纤维的羽化角， lopt为肌肉输出最大作用力时的肌纤维长度， θopt为肌肉输 出最大作用力时的踝关节角度， θmax为肌肉作用力臂达 到最大时的踝关节角度值； vm为双足机器人虚拟肌肉肌纤维伸缩速率， 其计算公式为 式(4)中， K与式(3)中的K相同， 为踝关节角速度)； 式(2)中， Δlm为肌纤维长度变化量， 其计算公式为Δlm＝lm‑l0， l0平衡时的虚拟肌肉肌 纤维长度； 式(2)中， pl为肌纤维长度变化量， 其取值范围为0.01 ‑0.08； dv为肌纤维伸缩速率的增 益参数， 其取值范围为0.0 01‑0.008。权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115008469 A 25.根据权利要求2所述的一种双足机器人直立平衡的踝关节仿生控制方法， 其特征在 于， 所述激活分量融合单 元， 融合得到踝关节肌肉激活量a的具体操作为： ①计算肌纤维长度变化 量Δlm； ②将Δlm和双足机器人的质量中心运动速度vc按照下式进行归一 化处理； 式(5)中， L为肌肉肌纤维长度变化量Δlm的归一化结果， V为质量中心运动速度vc的归 一化结果； ③通过下式计算时变权 重II和时变权 重Ⅰ 式(6)中， wl为时变权 重Ⅰ， wc为时变权 重II； ④通过下式融合得到踝关节肌肉激活量a 式(7)中， al(t)为t时刻肌 肉牵张反射激活分量， aa(t)为姿态补偿肌肉激活分量， a0初 始化预激活值， 取0.01。 6.根据权利要求2所述的一种双足机器人直立平衡的踝关节仿生控制方法， 其特征在 于， 利用所述虚拟肌肉分层激活模型计算模拟人体的背屈肌肉群激活量a1和跖屈肌肉群激 活量a2的操作为： 将背屈肌肉群 的参数和跖屈肌肉群 的参数输入虚拟肌肉分层激活模型， 从而计算得到背屈肌肉群激活量a1和跖屈肌肉群激活量a2。 7.根据权利要求1所述的一种双足机器人直立平衡的踝关节仿生控制方法， 其特征在 于， 所述步骤2)中计算当前状态下的背屈肌 肉群作用 力Fm1和跖屈肌 肉群作用 力Fm2的具体 操作为： 构建虚拟肌肉力学模型， 用于模拟踝关节跖屈肌肉和背屈肌肉的收缩机制， 再分别 将背屈肌肉群的参数和跖屈肌肉群的参数代入虚拟肌肉力学模型中， 计算当前状态下的背 屈肌肉群作用力Fm1和跖屈肌肉群作用力Fm2。 8.根据权利要求7所述的一种双足机器人直立平衡的踝关节仿生控制方法， 其特征在 于， 所述虚拟肌肉力学模型的核心为公式(8)， 通过公式(8)计算得到虚拟肌肉作用力FMF； FMF＝a(t)Fmaxfl(lm)fv(vm)    (8) 式(8)中， a(t)为虚拟肌肉激活量， Fmax为虚拟肌肉最大等长收缩力， 虚拟肌肉最大等长 收缩力Fmax对于每个虚拟肌肉来说， 是 常数， 其取值根据生物学研究数值 得到； fl(lm)为虚拟 肌肉作用力与肌纤维长度lm间的作用关系函数， fl(lm)为钟形函数曲线， 其 函数式为： 权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115008469 A 3