專利名稱：欠驅(qū)動兩足步行機器人水平行走時的側(cè)向控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機器人控制技術(shù)領(lǐng)域，具體講是一種欠驅(qū)動兩足步行機器人水平行走時的側(cè)向控制方法。
背景技術(shù)：
目前，欠驅(qū)動兩足步行機器人的研究主要集中在平面型機器人，機器人需要借助外力維持側(cè)向平衡。欠驅(qū)動兩足步行機器人要自由行走，就必須同時解決前項和側(cè)向的穩(wěn)定問題，實現(xiàn)3D行走控制。目前3D行走是采用髖關(guān)節(jié)來控制側(cè)向平衡，由于髖關(guān)節(jié)控制側(cè)向運動調(diào)節(jié)能力小，在大中干擾的情況下，容易側(cè)向摔倒，魯棒性差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，克服以上現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供一種側(cè)向運動調(diào)節(jié)能力大，在大中干擾的情況下，不容易側(cè)向摔倒，魯棒性好的欠驅(qū)動兩足步行機器人水平行走時的側(cè)向控制方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是，提供一種欠驅(qū)動兩足步行機器人水平行走時的側(cè)向控制方法，當(dāng)機器人直立狀態(tài)時，過機器人的質(zhì)心的垂線與機器人此時行走的水平面相交于一交點，當(dāng)機器人側(cè)向擺動，即質(zhì)心側(cè)向擺動時，每個擺動瞬時機器人的質(zhì)心和交點均確定一直線，那么定義側(cè)傾角為直線與垂線的夾角；不同側(cè)向干擾作用下，定義模糊控制器的側(cè)傾角模糊變量位于垂線右側(cè)的側(cè)傾有三種情況，分別為右小干擾、右中干擾、右大干擾，位于垂線左側(cè)的側(cè)傾有三種情況，分別為左小干擾、左中干擾、左大干擾；在機器人的兩髖關(guān)節(jié)的左右對稱點的正上方安裝有可在I2與1工確定的平面內(nèi)擺動的平衡桿，平衡桿左右方向的長度大于兩足間距；側(cè)向控制步驟為(1)設(shè)定側(cè)傾角給定值α d ；(2)由傳感器按采樣周期實時采樣側(cè)傾角α ；(3)在每個采樣周期將α與α d進行比較，得到誤差e，e由α d減去α確定，接著，模糊控制器根據(jù)誤差e進行模糊控制，模糊控制過程是，若e的絕對值小于給定閥值，那么維持平衡桿現(xiàn)有位置不變，否則模糊控制器控制平衡桿處的電機運轉(zhuǎn)，電機驅(qū)動平衡桿上下擺動。采用上述方法后，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下顯著優(yōu)點及有益效果因為本發(fā)明通過控制平衡桿上下擺動來控制側(cè)向平衡，而平衡桿左右方向的長度大于兩足間距， 這樣，以平衡桿與機器人的安裝點為界的平衡桿的左右兩部分的質(zhì)心離機器人質(zhì)心較遠， 因此平衡桿的上下擺動能夠獲得較大的繞機器人的質(zhì)心向左或向右扭轉(zhuǎn)態(tài)勢，換句話說， 在側(cè)向平面內(nèi)，繞機器人的質(zhì)心具有較大的逆時針或順時針扭轉(zhuǎn)態(tài)勢，利用了雜技演員走鋼絲手持平衡桿以保持平衡的原理，所以本發(fā)明欠驅(qū)動兩足步行機器人水平行走時的側(cè)向控制方法具有側(cè)向運動調(diào)節(jié)能力大，在大中干擾的情況下，不容易側(cè)向摔倒，魯棒性好的優(yōu)點ο作為改進，所述給定閥值為5，這樣，更有利于機器人側(cè)向快速鎮(zhèn)定。作為進一步改進，所述傳感器安裝在質(zhì)心所在位置，這樣的安裝方式簡單，不會改變機器人的質(zhì)心位置，使得測量側(cè)傾角度更加準確。作為進一步改進，所述右小干擾、右中干擾、右大干擾的范圍分別定義為
、(10,30], (25，45]，所述左小干擾、左中干擾、左大干擾的范圍分別定義為
、 (-10，-30]、(-25，-45]，這樣，更有利于機器人側(cè)向快速鎮(zhèn)定。作為進一步改進，所述平衡桿為直桿，其中點位于兩髖關(guān)節(jié)的左右對稱點的正上方，且中點與安裝在機器人上的電機的轉(zhuǎn)軸連接，這種結(jié)構(gòu)簡單，性價比高，更有利于本發(fā)明的實施。


圖1是本發(fā)明欠驅(qū)動兩足步行機器人水平行走時的側(cè)向控制方法的原理方框圖。圖2是本發(fā)明欠驅(qū)動兩足步行機器人水平行走時的側(cè)向控制方法的模糊控制器的輸入輸出原理圖。圖3是本發(fā)明欠驅(qū)動兩足步行機器人水平行走時的側(cè)向控制方法的誤差的隸屬度函數(shù)的曲線圖。圖4是本發(fā)明欠驅(qū)動兩足步行機器人水平行走時的側(cè)向控制方法的誤差導(dǎo)數(shù)的隸屬度函數(shù)的曲線圖。圖5是本發(fā)明欠驅(qū)動兩足步行機器人水平行走時的側(cè)向控制方法的模糊控制器輸出的控制量的隸屬度函數(shù)的曲線圖。圖6是本發(fā)明欠驅(qū)動兩足步行機器人水平行走時的側(cè)向控制方法的右傾瞬時平衡桿左邊部分下降右邊部分上升的結(jié)構(gòu)示意圖。圖7是本發(fā)明欠驅(qū)動兩足步行機器人水平行走時的側(cè)向控制方法的左傾瞬時平衡桿左邊部分上升右邊部分下降的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。當(dāng)機器人直立狀態(tài)時，過機器人的質(zhì)心的垂線I1與機器人此時行走的水平面(比如水平地面、水平桌面等等)相交于一交點K，當(dāng)機器人側(cè)向擺動，即質(zhì)心側(cè)向擺動時，每個擺動瞬時機器人的質(zhì)心和K均確定一直線I2，那么定義側(cè)傾角α為12與1工的夾角，見圖6 或7 ；不同側(cè)向干擾作用下，定義模糊控制器的側(cè)傾角模糊變量位于I1右側(cè)的側(cè)傾有三種情況，分別為右小干擾PS、右中干擾ΡΜ、右大干擾PL，位于I1左側(cè)的側(cè)傾有三種情況，分別為左小干擾NS、左中干擾匪、左大干擾NL ；在機器人的兩髖關(guān)節(jié)的左右對稱點的正上方安裝有可在I2與I1確定的平面內(nèi)擺動的平衡桿，平衡桿左右方向的長度大于兩足間距。本例中，控制對象為欠驅(qū)動兩足步行機器人，重量40kg，身高120cm，平衡桿為直桿，其中點位于兩髖關(guān)節(jié)的左右對稱點的正上方40cm處，且中點與安裝在機器人上的電機的轉(zhuǎn)軸連接，平衡桿左右長度各長30cm。具體結(jié)構(gòu)如附圖6或7所示。側(cè)向控制步驟為
(1)在取值范圍[_5，5]中任取一值作為側(cè)傾角給定值α d ；(2)由傳感器按采樣周期實時采樣側(cè)傾角α，采樣周期按需設(shè)定即可，沒有特別要求；(3)在每個采樣周期將α與α d進行比較，得到誤差e，e由α d減去α確定，接著，模糊控制器根據(jù)誤差e進行模糊控制，模糊控制過程是，若e的絕對值小于給定閥值，那么維持平衡桿現(xiàn)有位置不變，否則模糊控制器控制平衡桿處的電機運轉(zhuǎn)，電機驅(qū)動平衡桿上下擺動，例如，右傾時，平衡桿左邊部分下降，右邊部分上升，提供一個與傾斜方向相反的扭轉(zhuǎn)態(tài)勢，見圖6，同理，左傾時，平衡桿左邊部分上升，右邊部分下降，提供一個與傾斜方向相反的扭轉(zhuǎn)態(tài)勢，見圖7。在取值范圍W，5]中任取一值作為給定閥值。上述步驟的原理方框圖如圖1所示。本例采用的模糊控制如下模糊控制器對誤差e及誤差導(dǎo)數(shù) 進行模糊化、模糊控制規(guī)則運算、反模糊化，從而得到模糊控制輸出。電機控制量由模糊控制規(guī)則確定。模糊控制器的輸入輸出原理圖見圖2。其中，e 為誤差， 為誤差導(dǎo)數(shù)，u為電機的控制量。誤差e、誤差導(dǎo)數(shù) 的模糊量分別為E、EC,定義如下E= {負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}= {NL,NM，NS，Z0, PS, PM, PL}EC= {負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}= {NL,NM，NS，Z0, PS, PM, PL}誤差e、誤差導(dǎo)數(shù) 的模糊化采用三角型隸屬度函數(shù)，見圖3和圖4。圖3中μ (e) 表示誤差的隸屬度值，圖4中//( )表示誤差導(dǎo)數(shù)的隸屬度值。模糊控制規(guī)則參見表1，Ζ0為模糊控制的零位，并定義ZO e [-5，5]，反模糊化采用重心或最大隸屬度法，控制量u的隸屬度函數(shù)見圖5，圖中μ (u)表示隸屬度值。表1模糊控制規(guī)則權(quán)利要求
1.一種欠驅(qū)動兩足步行機器人水平行走時的側(cè)向控制方法，其特征在于，當(dāng)機器人直立狀態(tài)時，過機器人的質(zhì)心的垂線I1與機器人此時行走的水平面相交于一交點K，當(dāng)機器人側(cè)向擺動，即質(zhì)心側(cè)向擺動時，每個擺動瞬時機器人的質(zhì)心和K均確定一直線I2，那么定義側(cè)傾角α為I2與I1的夾角；不同側(cè)向干擾作用下，定義模糊控制器的側(cè)傾角模糊變量位于I1右側(cè)的側(cè)傾有三種情況，分別為右小干擾PS、右中干擾ΡΜ、右大干擾PL，位于I1左側(cè)的側(cè)傾有三種情況，分別為左小干擾NS、左中干擾匪、左大干擾NL ；在機器人的兩髖關(guān)節(jié)的左右對稱點的正上方安裝有可在I2與1工確定的平面內(nèi)擺動的平衡桿，平衡桿左右方向的長度大于兩足間距；側(cè)向控制步驟為(1)設(shè)定側(cè)傾角給定值αd ；(2)由傳感器按采樣周期實時采樣側(cè)傾角α；(3)在每個采樣周期將α與Cid進行比較，得到誤差e，e由αd減去α確定，接著，模糊控制器根據(jù)誤差e進行模糊控制，模糊控制過程是，若e的絕對值小于給定閥值，那么維持平衡桿現(xiàn)有位置不變，否則模糊控制器控制平衡桿處的電機運轉(zhuǎn)，電機驅(qū)動平衡桿上下擺動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的欠驅(qū)動兩足步行機器人水平行走時的側(cè)向控制方法，其特征在于，在取值范圍[_5，5]中任取一值作為側(cè)傾角給定值ad。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的欠驅(qū)動兩足步行機器人水平行走時的側(cè)向控制方法，其特征在于，所述側(cè)傾角給定值a d為O。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的欠驅(qū)動兩足步行機器人水平行走時的側(cè)向控制方法，其特征在于，在取值范圍W，5]中任取一值作為給定閥值。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的欠驅(qū)動兩足步行機器人水平行走時的側(cè)向控制方法，其特征在于，所述給定閥值為5。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的欠驅(qū)動兩足步行機器人水平行走時的側(cè)向控制方法，其特征在于，所述傳感器安裝在質(zhì)心所在位置。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的欠驅(qū)動兩足步行機器人水平行走時的側(cè)向控制方法，其特征在于，所述右小干擾PS、右中干擾PM、右大干擾PL的范圍分別定義為w，20]、(15，40]、(35， 60]，所述左小干擾NS、左中干擾匪、左大干擾NL的范圍分別定義為
、(-15，-40]、 (-35，-60]。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的欠驅(qū)動兩足步行機器人水平行走時的側(cè)向控制方法，其特征在于，所述右小干擾PS、右中干擾PM、右大干擾PL的范圍分別定義為
、(5，20]、(15， 30]，所述左小干擾NS、左中干擾匪、左大干擾NL的范圍分別定義為
、(-5，-20]、 (-15，-30]。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的欠驅(qū)動兩足步行機器人水平行走時的側(cè)向控制方法，其特征在于，所述右小干擾PS、右中干擾PM、右大干擾PL的范圍分別定義為
、(10，30]、(25， 45]，所述左小干擾NS、左中干擾NM、左大干擾NL分別為
、(-10，-30]、(-25，-45]。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的欠驅(qū)動兩足步行機器人水平行走時的側(cè)向控制方法，其特征在于，所述平衡桿為直桿，其中點位于兩髖關(guān)節(jié)的左右對稱點的正上方，且中點與安裝在機器人上的電機的轉(zhuǎn)軸連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種側(cè)向運動調(diào)節(jié)能力大，在大中干擾的情況下，不容易側(cè)向摔倒，魯棒性好的欠驅(qū)動兩足步行機器人水平行走時的側(cè)向控制方法，當(dāng)機器人直立狀態(tài)時，過機器人的質(zhì)心的垂線與機器人此時行走的水平面相交于一交點，當(dāng)機器人側(cè)向擺動，每個擺動瞬時機器人的質(zhì)心和交點均確定一直線，定義側(cè)傾角為直線與垂線的夾角；側(cè)向控制步驟為(1)設(shè)定側(cè)傾角給定值；(2)實時采樣側(cè)傾角；(3)側(cè)傾角與側(cè)傾角給定值比較得到誤差，接著，模糊控制器根據(jù)誤差e進行模糊控制，模糊控制過程是，若e的絕對值小于給定閥值，那么維持平衡桿現(xiàn)有位置不變，否則模糊控制器控制平衡桿處的電機運轉(zhuǎn)，電機驅(qū)動平衡桿上下擺動。
文檔編號G05D1/08GK102156479SQ201110050179
公開日2011年8月17日 申請日期2011年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月24日
發(fā)明者張智煥 申請人:浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院