CN101164820A - 一种单腿跳跃机器人的平衡控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种单腿跳跃机器人的平衡控制方法，使用身体姿态测量装置测量机器人身体的姿态，身体姿态测量装置不仅输出机器人身体的二个方向的倾斜角，同时也输出二个方向的角速度，身体姿态测量装置的姿态测量只在每次跳起后的一个固定时刻测量，解算装置根据跳跃周期解算出触地时刻的身体姿态，同时解算出所需要的摆动足的摆动角度值，摆动执行机构在整个跳跃周期内的进行调整，使之在触地时，摆动足的支反力使身体恢复平衡。其控制调整过程不是连续的，每一个跳跃周期只要进行一次，因此有充裕的调整时间，可以消除调整的延误问题。同时能考虑身体角速度对平衡的影响，使控制更加准确。
Description
本发明涉及一种可以自由行走的运输工具，特别是一种使用单足跳跃方式行走的、适应崎岖道路的机器人。
对于单腿跳跃机器人，保持身体平衡是关键它的技术。现在已有的单腿跳跃机器人，例如美国卡耐基梅隆大学学生所设计的机器人，它利用装于机器人身体上的四个红外传感器构成身体姿态测量装置，通过测量四个传感器到地面的距离来解算身体的姿态(二个方向的倾角)，利用这二个身体姿态角控制摆动足的摆动角度，使之在触地时，实现平衡所要求方向的作用反力，使身体恢复到所要求姿态。该方案存在以下二个不足：
1.由于摆动足的摆动角度是由身体姿态测量装置测量的实时身体倾角解算的，对于平衡所要求的作用反力方向，与触地瞬间的身体姿态有关，因此摆动足的摆动角度调整必须是实时的，调整过程的延时都将带来调整的误差。现在的摆角调整机构，很难减少调整的延时。对于较小的单腿跳跃机器人，由于每次跳跃的高度较小，留空时间较短，调整延时的影响更大。
2.同样由于摆动足的摆动角度是由身体姿态测量装置测量的实时身体倾角解算的，没有考虑身体在跳跃过程中的角速度，由于身体具有转动惯量，在实际工作时，角速度的影响甚至比角度更大，因此，其平衡所要求的作用反力方向应该考虑角速度影响。
本发明的设计意图是找出一种单腿跳跃机器人的平衡控制方法，其控制调整过程不是连续的，每一个跳跃周期只要进行一次，因此有充裕的调整时间，可以消除调整的延误问题。同时能考虑身体角速度对平衡的影响，使控制更加准确。
本发明论述的单腿跳跃机器人的平衡控制方法，使用身体姿态测量装置测量机器人身体的姿态，根据测得的身体姿态数据解算摆动足的摆动角度值，使之在触地时，摆动足的支反力使身体恢复平衡，本发明的特别之处在于：身体姿态测量装置不仅输出机器人身体的二个方向的倾斜角，同时也输出二个方向的角速度，身体姿态测量装置的姿态测量只在每次跳起后的一个固定时刻测量，解算装置根据跳跃周期解算出触地时刻的身体姿态，同时解算出所需要的摆动足的摆动角度值，摆动执行机构在整个跳跃周期内的进行调整。
本发明的工作原理如下：
1.在身体跳跃离地一个固定时刻，身体姿态测量装置可以给出当时的身体倾角Фx0和Фy0，转动角速度ωx和ωy。由于机器人在跳起离开地面后，是一个只受重力的刚体，其运动过程是简单的。通过跳跃周期，可以预测到落地时刻的时间间隔T，从而可解算出落地时刻的身体倾角Фx1和Фy1，其关系式为：
ФX1＝ФX0+ωxT
ФY1＝ФY0+ωyT’
在离地后，机器人没有外力矩的作用，角速度不变，依然是。
2.在得到落地的机器人身体姿态参数(Фx1、Фy1、ωx和ωy)后，根据控制律，调整摆动足落地时相对于垂线的角度Θx和Θy。
3.当触地时，摆动足受地面一个作用力P，不仅使弹跳，而且使机器人受一个绕质心的力矩，产生的冲量矩减小机器人倒下的角速度，修正身体倾角。
附图1为本发明触地时角度和受力示意图，图中，Z轴为铅锤轴，X和Y为水平的两个方位轴，相互垂直。Ф为身体与铅锤轴的夹角，其中，在触地时刻，在X轴方向的夹角为Фx1，在Y轴方向的夹角为Фy1；在测量时刻，在X轴方向的夹角为Фx0，在Y轴方向的夹角为Фy0。摆动足相对于铅锤轴的夹角为Θ，其中，在触地时刻，在X轴方向的夹角为Θx，在Y轴方向的夹角为Θy。L为摆动足足长，R为机器人质心到摆动关节的距离。P为落地时地面的支反力。
对于摆动足角度的控制律，可以是使摆动足落地时相对于垂线的角度Θx和Θy等于零，美国卡耐基梅隆大学学生所设计的机器人的控制律就是这样，它随动控制使摆动足一直保持垂直地面，这样的控制律计算简单。
对于摆动足角度的控制律，也可以使用与身体姿态的倾角和角速度之来控制，其摆动角度为身体姿态倾角和角速度的线性函数，表达为下面的函数：
ΘX＝αФX+βωX
ΘY＝αФY+βωY
式中：α为角度补偿系数，β为角速度补偿系数。
角度补偿系数α和角速度补偿系数β根据机器人质心到摆动关节的距离R与摆动足足长L，机器人质量M和转动惯量J来取值。当机器人质量M大约为5kg，转动惯量J大约1kg-m2，R/L大约0.05时，α的取值范围为-0.01-0.1，β的取值范围为0.1-0.5(秒)都可以正常工作。当取值绝对值较大时，收敛容易，但容易振荡，抗干扰性不好。当取值绝对值较小时，收敛慢，但抗干扰性好。
对于摆动足角度的控制律，还可以采用如下的方法：
●通过姿态测量装置测量机器人身体的姿态，通过计算表示为落地时身体的最大倾角Ф1和最大倾角相对于X轴的方位角θ1。
●摆动足关节只能在一个方向上摆动，并受到控制，控制的摆动角度为Θ，同时关节可以受控绕身体旋转，控制的旋转角度为ψ。
在机器人落地前，摆动足转动，使摆动足关节转动到最大倾角方向。同时，控制摆动足的摆动角度，使落地后的支反力修正身体的倾斜。这时摆动角的控制律可以改写为：
●对于摆动足关节的转动：控制使之转动到方位角θ1方向，即：ψ＝θ1。
●对于摆动足关节的摆动：控制摆动角度Θ满足Θ＝αФ1+βω1，系数α和β的含义如前所述，取值范围也如前所述。
本发明所使用的姿态测量装置可以使用美国卡耐基梅隆大学学生所设计的四个红外传感器构成身体姿态测量装置，通过测量四个传感器到地面的距离来解算身体的姿态，通过在第二个时间的测量，通过两次测量的角度差来解算出角速度值。
Claims (3)
1.一种单腿跳跃机器人的平衡控制方法，使用身体姿态测量装置测量机器人身体的姿态，根据测得的身体姿态数据解算摆动足的摆动角度值，使之在触地时，摆动足的支反力使身体恢复平衡，本发明的特别之处在于：身体姿态测量装置不仅输出机器人身体的二个方向的倾斜角，同时也输出二个方向的角速度，身体姿态测量装置的姿态测量只在每次跳起后的一个固定时刻测量，解算装置根据跳跃周期解算出触地时刻的身体姿态，同时解算出所需要的摆动足的摆动角度值，摆动执行机构在整个跳跃周期内的进行调整。
2.根据权利要求1所述的单腿跳跃机器人的平衡控制方法，其特别之处在于：摆动足角度使用与身体姿态的倾角和角速度相关的线性函数来控制。
3.根据权利要求1所述的单腿跳跃机器人的平衡控制方法，其特别之处在于：通过姿态测量装置测量机器人身体的姿态，通过计算表示为落地时身体的最大倾角Ф1和最大倾角相对于X轴的方位角θ1，摆动足关节只能在一个方向上摆动，并受到控制，控制的摆动角度为Θ，同时关节可以受控绕身体旋转，控制的旋转角度为ψ。在机器人落地前，摆动足转动，使摆动足关节转动到最大倾角方向，同时控制摆动足的摆动角度。
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| CNA2006101496601A CN101164820A (zh) | 2006-10-16 | 2006-10-16 | 一种单腿跳跃机器人的平衡控制方法 |
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| CNA2006101496601A Pending CN101164820A (zh) | 2006-10-16 | 2006-10-16 | 一种单腿跳跃机器人的平衡控制方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN103895727A (zh) * | 2014-04-16 | 2014-07-02 | 北京理工大学 | 一种活塞驱动式跳跃机器人 |
| CN106725299A (zh) * | 2015-11-19 | 2017-05-31 | 成都中医药大学 | 动态平衡功能测试仪 |
| CN108556951A (zh) * | 2017-12-08 | 2018-09-21 | 香港中文大学（深圳） | 自适应的电驱动的单腿机器人及其控制方法 |
| CN111288115A (zh) * | 2020-01-22 | 2020-06-16 | 深圳市优必选科技股份有限公司 | 一种缓冲装置及缓冲控制方法 |
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2006
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| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20080423 |