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: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;
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;
每个六边形折纸模型的基本单元由两个等腰三角形ABD和BCD组成,基本单元的轴向阵列数为M,径向阵列数为N,等腰三角形ABD和BCD的斜边长度为b和高度为h,从等腰三角形基侧长度a和基底角α得到:;
基于六边形折纸模型的基本单元的轴向阵列数M、径向阵列数N、基侧长度a、基底角α后,得到气动肌肉的初始配置;
六边形折纸模型基本单元的二面角为面ABD与面BCD的夹角,通过如下公式确定:;
其中,β为二面角,N为径向阵列数;
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;
六边形折纸模型基本单元的二面角将发生改变,当充气压力增加时,二面角变大,充气气体所做的功被转化为气动人工肌肉的弹性能量和输出功:;
其中,F为气动人工肌肉的输出力,dH为末端位移,dV为内腔体积的变化,dE为弹性势能的变化,P为充气压力;
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;
基于贝塞尔曲线规划足式机器人足部轨迹,方法如下:S2.1、将足部轨迹分为一个站立阶段ST和一个摆动阶段SW,摆动阶段分为三个子阶段:跟随FT、伸展PR和摆动腿回缩SR;定义足部四个过渡点,包括:抬起点、后伸最高点、前伸最高点、落地点;
S2.2、以足式机器人每条腿的最高点为原点,在极坐标系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:S201、定义n次贝塞尔曲线,表示为:
;
式中, 代表贝塞尔曲线的控制点,u 代表贝塞尔曲线的参数, 是n次Bernstein基函数,且满足:
;
其中, , 为排列组合符号;
S202、引入时间系数a,将阶段持续时间t映射到贝塞尔曲线的参数u中:;
其中,a是时间系数 , 是足式机器人足部从贝塞尔曲线的第一个点移动到最后一个点所需的阶段持续时间;
S203、对n次贝塞尔曲线求一阶导数:
;
使贝塞尔曲线上第一个点和最后一个点与第一个控制点和最后的控制点重合,通过前或最后两个控制点的位置和时间系数,控制贝塞尔曲线开始或结束的速度;
S204、以足式机器人每条腿的最高点为原点,在极坐标系中规划四条五阶贝塞尔曲线生成的足部轨迹,定义足部轨迹的控制点坐标为:;
其中, 表示足部轨迹第j段的第i个控制点的坐标, 表示脚部轨迹第j段的第i个控制点的极角和直径, ,分别表示控制点和相位指数;
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:设定虚拟腿在后伸最高点、前伸最高点角速度接近于0,在抬起点与落地点的收缩速度接近0,同时约束摆动腿的摆动率与抬起时的水平速度,生成完整足部轨迹所需控制点的坐标,具体包括:S301、根据虚拟腿在后伸最高点pep、前伸最高点aep角速度接近于0,得到约束条件:;
其中, 、 分别表示虚拟腿在跟随阶段的第4个和第5个控制点的极角, 、 、、 分别表示虚拟腿在伸展阶段的第0个、第1个、第4个、第5个控制点的极角, 、 分别表示虚拟腿在回缩阶段的第0个和第1个控制点的极角;
根据虚拟腿在抬起点与落地点的收缩速度接近0,得到约束条件:;
其中, 、 分别表示虚拟腿在跟随阶段的第0个和第1个控制点的直径, 、 分别表示虚拟腿在站立阶段的第4个和第5个控制点的直径, 、 分别表示虚拟腿在站立阶段的第0个和第1个控制点的直径, 、 分别表示虚拟腿在回缩阶段的第4个和第5个控制点的直径;
S302、引入步长L和腿部最高点与地面的距离H到足部轨迹规划中,计算抬起和落地时虚拟腿的角度和长度:;
其中, 、 分别表示抬起时虚拟腿的角度和长度, 、 分别表示落地时虚拟腿的角度和长度;
S303、约束摆动腿的摆动率与抬起时的水平速度:;
其中, 、 分别表示回缩与跟随阶段的时间系数; 表示虚拟脚的水平速度;
表示虚拟腿在回缩阶段的第4个控制点的极角; 、 分别表示虚拟腿在跟随阶段的第0个和第1个控制点的极角;
用于减小切向足部速度为零时的收缩摆动,从而减小冲击力和冲击损失,所述切向足部速度为足部在垂直于腿的方向上的速度大小;
S304、生成完整的足部轨迹所需控制点的含参坐标:;
其中,x1‑x25为未确定的参数, 分别表示全部足部轨迹中跟随阶段、伸展阶段、回缩阶段、站立阶段所需的控制点的坐标; 分别表示回缩阶段、伸展阶段、伸展阶段、跟随阶段、站立阶段、站立阶段的时间系数;
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;
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;
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;
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:S3.1、随机初始化每个粒子,评估每个粒子是否达到了步骤S2.3中定义的在新型气动人工肌肉控制下足式机器人足部的约束条件;
S3.2、如没有达到,更新每个粒子的速度与位置,速度更新公式为:;
位置更新公式为:
;
其中,i=1,2,...,N表示粒子的索引,N表示粒子群的大小,d=1,2,...,d表示粒子的维度,k表示迭代次数;ω是惯性权重,c1和c2是个体和群体学习因子,r1和r2是介于0和1之间的随机数, 和 分别表示粒子i在第k次迭代中的速度和位置向量, 和 分别表示粒子i在第k次迭代中的历史最优个体位置和历史最优群体位置;
S3.3、再次评估,通过对足式机器人足部轨迹进行多次迭代优化,使粒子的适应度值稳定在预期的数值范围内,优化足部轨迹,得到足式机器人足部轨迹的最优解。