專利名稱：一種消除雙足仿人機(jī)器人上身姿態(tài)晃動的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及雙足機(jī)器人行走或者作業(yè)的控制方法，特別是雙足機(jī)器人行走或者作 業(yè)時(shí)消除上身晃動的控制方法。
背景技術(shù)：
仿人機(jī)器人(以下簡稱機(jī)器人)跟人一樣，是靠兩條腿的行走實(shí)現(xiàn)移動的。它的 雙腿結(jié)構(gòu)跟人類似，較傳統(tǒng)的輪式和履帶式機(jī)器人有更好的機(jī)動性，尤其是在凹凸不平的 地面、樓梯以及與地面僅有離散不連續(xù)的接觸點(diǎn)的場合更體現(xiàn)出優(yōu)越性。但是雙足機(jī)器人 有本質(zhì)不穩(wěn)定的特點(diǎn)，容易摔倒。為了使機(jī)器人行走，需要給定機(jī)器人的行走軌跡，即動態(tài)步態(tài)，包括關(guān)節(jié)機(jī)器人各 個(gè)關(guān)節(jié)的角度。機(jī)器人的動態(tài)步態(tài)是一種固有的、周期的運(yùn)動，是依據(jù)雙足機(jī)器人整體動 力學(xué)產(chǎn)生的。由于約束條件的耦合性和動力學(xué)方程的復(fù)雜性，動態(tài)步態(tài)計(jì)算需要一個(gè)優(yōu)化 過程。因此，動態(tài)步態(tài)一般通過離線計(jì)算方法來實(shí)現(xiàn)。也就是說，動態(tài)步態(tài)一般是在假設(shè)雙 足機(jī)器人模型和周圍環(huán)境已知的情況下生成的。實(shí)際上，雙足機(jī)器人行走現(xiàn)實(shí)環(huán)境不可能 與設(shè)定的環(huán)境和條件完全相同，由于機(jī)器人周圍環(huán)境的變化或產(chǎn)生了未知狀況，如果機(jī)器 人機(jī)械地按照預(yù)先規(guī)劃好的動態(tài)步態(tài)完全執(zhí)行，不對所規(guī)劃的動態(tài)步態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)修正和控 制，很可能會產(chǎn)生不穩(wěn)定甚至摔倒等異常現(xiàn)象。因此，必須根據(jù)當(dāng)前的環(huán)境信息和機(jī)器人當(dāng) 前的自身狀態(tài)，對規(guī)劃的動態(tài)步態(tài)進(jìn)行修正，進(jìn)行實(shí)時(shí)步態(tài)控制，克服環(huán)境的改變與不確定 性，使機(jī)器人能在實(shí)際環(huán)境中穩(wěn)定行走。仿人機(jī)器人的步行周期分為單腳支撐期和雙腳支撐期，單腳支撐期主要進(jìn)行擺腿 運(yùn)動，雙腳支撐期主要進(jìn)行移腰運(yùn)動，因此機(jī)器人上身的運(yùn)動不論在其前后方向還是左右 方向，其速度都不是恒定的。再加上由于機(jī)器人向前移動時(shí)腿的擺動，腳著地時(shí)對機(jī)器人的 沖擊，造成了機(jī)器人上身的劇烈晃動，影響到整個(gè)機(jī)器人的穩(wěn)定性；同時(shí)，機(jī)器人的上肢在 作業(yè)時(shí)，由于負(fù)載或者手臂的作業(yè)姿態(tài)等的變化、擾動，都會造成上身的晃動，在很大程度 上影響了機(jī)器人手臂作業(yè)的穩(wěn)定性。申請?zhí)枮?00810171980. 6的中國專利中公開了一種調(diào)節(jié)仿人機(jī)器人上身姿態(tài)的 方法，該方法根據(jù)姿態(tài)傳感器測出的姿態(tài)傾角，調(diào)節(jié)仿人機(jī)器人的髖關(guān)節(jié)，保持上身姿態(tài)到 規(guī)劃值。該方法調(diào)節(jié)髖關(guān)節(jié)，對機(jī)器人擺動腿的著地時(shí)間影響很大，并且該方法建立的模型 不適用于具有腰部的仿人機(jī)器人上身姿態(tài)的控制。該方法的計(jì)算公式采用積分算法，當(dāng)機(jī) 器人實(shí)際的姿態(tài)偏離規(guī)劃的姿態(tài)時(shí)，就調(diào)節(jié)髖關(guān)節(jié)，直到二者相等，該方法無法消除上身的 晃動。^ifei:"Realization of Stretch-legged Walking of the Humanoid Robot，，巾， 仿人機(jī)器人的膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動事先給定，仿人機(jī)器人腰關(guān)節(jié)的作用是給機(jī)器人下肢增加自由 度，以滿足下肢逆運(yùn)動學(xué)的求解。該方法的腰關(guān)節(jié)的兩個(gè)自由度的目的是補(bǔ)充減少的膝關(guān)節(jié)的自由度，通過逆運(yùn)動 學(xué)求解出腰關(guān)節(jié)的角度，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的直膝行走，在論文中沒有提及用腰關(guān)節(jié)給上身消除
權(quán)利要求
一種消除雙足仿人機(jī)器人上身姿態(tài)晃動的控制方法，所述機(jī)器人具有腰部、姿態(tài)傳感器，以及計(jì)算機(jī)伺服控制系統(tǒng)，其特征在于，所述方法包括如下步驟生成所述機(jī)器人的規(guī)劃步態(tài)；通過所述姿態(tài)傳感器測量所述機(jī)器人上身的傾角及角速度；根據(jù)所述傾角及角速度計(jì)算所述腰部的關(guān)節(jié)的修正量；根據(jù)所述修正量調(diào)節(jié)所述關(guān)節(jié)，以消除機(jī)器人上身姿態(tài)晃動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述腰部的關(guān)節(jié)具有俯仰和滾轉(zhuǎn)兩個(gè)自由度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述修正量采用如下方法計(jì)算 Δ θ w ⑴=Kp* ( θ b。dy—ref- θ body) +Kv/ (s+a) * ω其中Δ θ w是機(jī)器人腰關(guān)節(jié)的修正量，Kp是比例反饋系數(shù)，Kv是速度反饋系數(shù)，eb。dy 是機(jī)器人上身的規(guī)劃姿態(tài)，θ b。dy是機(jī)器人上身的實(shí)際姿態(tài)，ω是機(jī)器人上身的實(shí)際角速 度，s是拉普拉斯變換的變量，a是低通濾波系數(shù)。 經(jīng)過離散化得到實(shí)時(shí)修正量Δ θψ(ηΤ)計(jì)算如下
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述動態(tài)步態(tài)通過離線計(jì)算方法實(shí)現(xiàn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4之一所述的方法，其特征在于，所述姿態(tài)傳感器是陀螺儀和加速 度計(jì)。
6.一種雙足仿人機(jī)器人，包括腰部，其具有關(guān)節(jié)；姿態(tài)傳感器，其用于測量所述機(jī)器人的上身的傾角及角速度；計(jì)算機(jī)伺服控制系統(tǒng)，其用于控制機(jī)器人的關(guān)節(jié)跟隨給定目標(biāo)值運(yùn)動；步態(tài)生成部，其用于生成所述機(jī)器人的規(guī)劃步態(tài)；修正量計(jì)算部，其根據(jù)所述傾角及角速度計(jì)算所述腰部的關(guān)節(jié)的修正量；關(guān)節(jié)調(diào)節(jié)部，其根據(jù)所述修正量調(diào)節(jié)所述關(guān)節(jié)，以消除機(jī)器人上身姿態(tài)晃動。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的機(jī)器人，其特征在于，所述腰部的關(guān)節(jié)具有俯仰和滾轉(zhuǎn)兩個(gè) 自由度。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的機(jī)器人，其特征在于所述修正量采用如下方法計(jì)算 Δ θ w ⑴=Kp* ( θ b。dy—ref- θ body) +Kv/ (s+a) * ω其中Δ θ w是機(jī)器人腰關(guān)節(jié)的修正量，Kp是比例反饋系數(shù)，Kv是速度反饋系數(shù)，eb。dy 是機(jī)器人上身的規(guī)劃姿態(tài)，θ b。dy是機(jī)器人上身的實(shí)際姿態(tài)，ω是機(jī)器人上身的實(shí)際角速 度，s是拉普拉斯變換的變量，a是低通濾波系數(shù)； 經(jīng)過離散化得到實(shí)時(shí)修正量Δ θψ(ηΤ)計(jì)算如下
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的機(jī)器人，其特征在于，所述步態(tài)生成部通過離線計(jì)算方法生 成所述步態(tài)。
10.根據(jù)權(quán)利要求6-9之一所述的機(jī)器人，其特征在于，所述姿態(tài)傳感器是陀螺儀和加 速度計(jì)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種消除雙足仿人機(jī)器人上身姿態(tài)晃動的控制方法，所述機(jī)器人具有腰部及姿態(tài)傳感器，所述方法包括如下步驟生成所述機(jī)器人的規(guī)劃步態(tài)；通過所述姿態(tài)傳感器測量所述機(jī)器人上身的傾角及角速度；根據(jù)所述傾角及角速度計(jì)算所述腰部的關(guān)節(jié)的修正量；根據(jù)所述修正量調(diào)節(jié)所述關(guān)節(jié)，以消除機(jī)器人上身姿態(tài)晃動。該方法只是調(diào)節(jié)腰關(guān)節(jié)，不影響機(jī)器人的著地時(shí)間，在機(jī)器人整個(gè)行走工程或者作業(yè)過程中均起作用。
文檔編號G05D1/08GK101943912SQ20101026991
公開日2011年1月12日 申請日期2010年9月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月2日
發(fā)明者余張國, 張偉民, 李敬, 許威, 陳學(xué)超, 馬淦, 黃強(qiáng) 申請人:北京理工大學(xué)