CN101414189A - 仿人机器人稳定行走的上身姿态控制的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿人机器人稳定行走的上身姿态的控制方法和装置，属于自动化控制领域。所述方法包括：判断当前时刻机器人的脚的状态，所述脚的状态为支撑状态或摆动状态；根据所述脚的状态计算当前时刻所述机器人的髋关节的修正值；根据所述修正值计算所述髋关节的伺服参考值。所述装置包括：判断模块、第一计算模块和第二计算模块。本发明通过调节髋关节来调整上身姿态，以达到机器人行走稳定的目的，不需要具体的机器人数学模型，适用范围广，计算简单，补偿时延小，实时保持机器人上身动态平衡的效果。

Description

仿人机器人稳定行走的上身姿态控制的方法和装置

技术领域

本发明涉及自动化控制领域，特别涉及一种仿人机器人稳定行走的上身姿态控制的方法和装置。

背景技术

仿人机器人(以下简称机器人)，又称双足机器人，跟人类一样，是靠两条腿的行走实现移动的。它的双腿结构跟人类似，较传统的轮式机器人和履带式机器人有更好的机动性，尤其是在凹凸不平的地面、楼梯以及与地面仅有离散不连续接触点的场合更体现出优越性。

为了使机器人行走，需要预先设定机器人的行走轨迹(动态步态)。机器人的动态步态是一种固有的、周期的运动，是依据双足机器人整体动力学产生的。由于约束条件的耦合性和动力学方程的复杂性，动态步态计算需要一个优化过程。但是，动态步态一般只能通过离线计算方法来实现，也就是说，动态步态一般是在假设双足机器人模型和周围环境已知的情况下生成的。实际上，双足机器人行走的现实环境不可能与设定的环境和条件完全相同，一旦机器人周围环境发生变化，如果机器人机械地按照预先规划好的动态步态完全执行，不对规划的动态步态进行实时修正和控制，很可能会产生不稳定甚至摔倒等异常现象。因此，必须根据当前的环境信息和机器人当前的状态，对规划的动态步态进行修正，克服环境的改变与不确定性，使机器人能在实际环境中稳定行走。

现有技术中，对双足机器人进行稳定控制往往采用基于ZMP(Zero Moment Point，零力矩点)补偿的控制方法，见日本专利出版物NO.1993-305586，主要是通过改变机器人的上身和修正机器人足部位置来实现ZMP补偿。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：

基于ZMP补偿的控制方法，机器人模型精度制约补偿效果，需要对机器人的数学模型进行计算，不易求解，而且计算量大，补偿时延大，不利于实时性控制。

发明内容

为了简化计算，减小时延，扩大适用范围，本发明实施例提供了一种仿人机器人稳定行走的上身姿态控制的方法和装置。所述技术方案如下：

一种仿人机器人稳定行走的上身姿态控制的方法，所述方法包括：

判断当前时刻机器人的脚的状态，所述脚的状态为支撑状态或摆动状态；

根据所述脚的状态计算当前时刻所述机器人的髋关节的修正值；

根据所述修正值计算所述髋关节的伺服参考值，所述伺服参考值用于驱动所述髋关节调节所述机器人的上身姿态。

一种仿人机器人稳定行走的上身姿态控制的装置，所述装置包括：

判断模块，用于判断当前时刻机器人的脚的状态，所述脚的状态为支撑状态或摆动状态；

第一计算模块，用于根据所述判断模块判断的脚的状态，计算当前时刻所述机器人的髋关节的修正值；

第二计算模块，用于根据所述第一计算模块得到的修正值计算所述髋关节的伺服参考值，所述伺服参考值用于驱动所述髋关节调节所述机器人的上身姿态。

本发明实施例提供的技术方案的有益效果是：

通过调节髋关节来调整上身姿态，以达到上身平衡的目的，不需要机器人具体的数学模型，适用范围广，计算简单，时延小，能够实时保持机器人上身的动态平衡。

附图说明

图1是本发明实施例1提供的仿人机器人稳定行走的上身姿态控制的方法流程图；

图2是本发明实施例1提供的机器人步行控制器结构示意图；

图3是本发明实施例1提供的仿人机器人稳定行走的上身姿态控制的方法详细流程图；

图4是本发明实施例2提供的仿人机器人稳定行走的上身姿态控制的装置结构示意图；

图5是本发明实施例2提供的判断模块结构示意图；

图6是本发明实施例2提供的第一计算模块结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

参见图1，本实施例提供了一种仿人机器人稳定行走的上身姿态控制的方法，该方法通过调节髋关节实现仿人机器人的稳定行走，包括：

步骤101：判断当前时刻机器人的脚的状态，脚的状态为支撑状态或摆动状态；

步骤102：根据脚的状态计算当前时刻该机器人的髋关节的修正值；

步骤103：根据该修正值计算该髋关节的伺服参考值，该伺服参考值用于驱动该髋关节调节该机器人的上身姿态。

本实施例通过调节髋关节来调整上身姿态，以达到仿人机器人稳定行走的目的，不需要具体的机器人数学模型，适用范围广，计算简单，补偿时延小，能够实时保持机器人上身的动态平衡。

图2所示的仿人机器人步行控制器结构图，仿人机器人包括上身1、髋关节2、膝关节3、踝关节4、脚5、脚踝处的力传感器6及其连接件。控制器采用双结构，由起前馈作用的动态步态值θ_h0(t)和起局部反馈作用的修正值Δθ_h(t)构成，由二者得出的伺服参考值θ_h(t)输入伺服驱动器，控制仿人机器人行走。其中，动态步态值θ_h0(t)是在已知仿人机器人模型和周围环境的情况下预先生成的髋关节的角度，修正值Δθ_h(t)是当仿人机器人的上身实际姿态与上身规划姿态出现偏差时，为了克服环境不确定性生成的髋关节角度的实时修正量，伺服参考值θ_h(t)是髋关节的驱动角度。下面结合图2和图3，详细说明仿人机器人稳定行走的上身姿态控制的方法。

步骤201：脚踝处的力传感器6获取机器人的脚5与地面之间接触力F_foot。

步骤202：根据获取的接触力F_foot判断脚的状态，若接触力F_foot大于零，则当前时刻脚的状态为支撑状态，否则，当前时刻脚的状态为摆动状态。

步骤203：若是支撑状态，(步骤203a)计算上身1实际姿态角与上身1规划姿态角之间的偏差，对偏差积分得到修正值，(步骤203b)动态步态值加上该修正值所得的值作为髋关节2的伺服参考值。修正值具体可以采用如下公式进行计算：

${\mathrm{\Δ\θ}}_h\left(t\right)={\∫}_0^t{K}_c*{\mathrm{\Δ\θ}}_{\mathrm{body}}\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(1\right)$

其中，Δθ_body(t)为t时刻机器人的上身实际姿态角与上身规划姿态角之间的偏差。上身实际姿态角，是通过陀螺仪测得的当前时刻机器人上身的实际倾角；上身规划姿态角，是预先设定的机器人上身的倾角，可以作为已知量。K_c是系数，且0<K_c<1。

伺服参考值为：

θ_h(t)＝θ_h0(t)+Δθ_h(t)                  (2)

其中，动态步态值θ_h0(t)是预先规划好的，可以作为已知量，再加上(1)中得到的当前时刻t的修正值Δθ_h(t)就可以计算出伺服参考值θ_h(t)。

另外，髋关节角度，是髋关节从初始零位转过的角度。髋关节角度既有大小，又有方向性。初始零位，是机器人行走之前的初始状态位。在本实施例中，动态步态值和伺服参考值都属于髋关节角度。

在具体定义机器人的上身姿态倾角时，可以设定竖直方向为参考方向，上身和参考方向的角度偏差定义为上身姿态倾角。上身姿态倾角也是既有大小，又有方向性。在本实施例中，上身实际姿态角和上身规划姿态角都属于上身姿态倾角。

步骤204：若是摆动状态，(步骤204a)对前期积累的偏差按一定比例进行积分得到修正值，(步骤204b)动态步态值加上该修正值所得的值作为髋关节2的伺服参考值。修正值具体可以采用如下公式进行计算：

Δθ_h(t)＝(1-K_r)Δθ_h(t-T)      (3)

其中，T为计算机控制的采样周期，K_r为预先设定的比例积分系数，0<Kr<1，其它符号的含义与式(1)及(2)相同，这里不再赘述。

伺服参考值为：

θ_h(t)＝θ_h0(t)+Δθ_h(t)        (4)

其中，各符号的含义与式(2)相同，这里不再赘述。

步骤205：伺服驱动器根据伺服参考值θ_h(t)驱动髋关节，调整机器人上身姿态。

例如：地面出现异常，机器人上身比规划姿态前倾，此时，应该髋关节一个修正量Δθ_h(t)，使机器人适当后倾，从而保持机器人上身的平衡。对于后倾、左倾、右倾等异常情况的处理，均与前倾相同，这里不再赘述。

分别对机器人的左右脚，执行步骤201-205，就可以实时地调整机器人的上身姿态，保持机器人上身的动态平衡。

本实施例通过调节髋关节来调整上身姿态，以达到上身稳定的目的，不需要机器人具体的数学模型，适用范围广，计算简单，补偿时延小，能够实时保持机器人上身的动态平衡。

实施例2

参见图4，一种仿人机器人稳定行走的上身姿态控制的装置，其特征在于，所述装置包括：

判断模块401，用于判断当前时刻机器人的脚的状态，脚的状态为支撑状态或摆动状态；

第一计算模块402，用于根据该判断模块401判断的脚的状态，计算当前时刻该机器人的髋关节的修正值；

第二计算模块403，用于根据该第一计算模块402得到的修正值计算该髋关节的伺服参考值，该伺服参考值用于驱动该髋关节调节该机器人的上身姿态。

具体地，

参见图5，该判断模块401包括：

获取单元401a，用于获取该机器人的脚与地面之间接触力；

判断单元401b，用于判断若该获取单元401a获取的接触力大于零，当前时刻该脚的状态为支撑状态，否则，当前时刻该脚的状态为摆动状态。

参见图6，该第一计算模块402包括：

第一计算单元402a，用于若当前时刻该脚的状态为支撑状态时，该修正值 ${\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_h\left(t\right)={\&Integral;}_0^t{K}_c*{\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_{\mathrm{body}}\left(t\right)\mathrm{dt},$ Δθ_body(t)为t时刻该机器人的上身实际姿态角与上身规划姿态角之间的偏差，该上身实际姿态角是通过陀螺仪测得的当前时刻该机器人上身的实际倾角，该上身规划姿态角是预先设定的该机器人上身的倾角，K_c是系数，且0<K_c<1。

第二计算单元402b，用于若当前时刻该脚的状态为摆动状态时，该修正值Δθ_h(t)＝(1-K_r)Δθ_h(t-T)，其中，T为计算机控制采样周期，K_r为系数，0<K_r<1。

该第二计算模块403还用于：

将动态步态值加上该修正值所得的值作为该伺服参考值，该动态步态值为预先设定的该机器人的髋关节的角度。

本实施例提供的装置通过调节髋关节来调整上身姿态，以达到上身稳定的目的，不需要具体的机器人数学模型，适用范围广，计算简单，补偿时延小，能够实时保持机器人上身的动态平衡。

以上实施例提供的技术方案中的全部或部分内容可以通过软件编程实现，其软件程序存储在可读取的存储介质中，存储介质例如：计算机中的硬盘、光盘或软盘。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种仿人机器人稳定行走的上身姿态控制的方法，其特征在于，所述方法包括：

判断当前时刻机器人的脚的状态，所述脚的状态为支撑状态或摆动状态；

根据所述脚的状态计算当前时刻所述机器人的髋关节的修正值；

根据所述修正值计算所述髋关节的伺服参考值，所述伺服参考值用于驱动所述髋关节调节所述机器人的上身姿态。

2.如权利要求1所述的仿人机器人稳定行走的上身姿态控制的方法，其特征在于，所述判断当前时刻机器人的脚的状态包括：

获取所述机器人的脚与地面之间接触力；

若所述接触力大于零，当前时刻所述脚的状态为支撑状态，否则，当前时刻所述脚的状态为摆动状态。

3.如权利要求1所述的仿人机器人稳定行走的上身姿态控制的方法，其特征在于，所述根据所述脚的状态计算所述机器人的髋关节的修正值包括：

若当前时刻所述脚的状态为支撑状态时，所述修正值 ${\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_h\left(t\right)={\&Integral;}_0^t{K}_c*{\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_{\mathrm{body}}\left(t\right)\mathrm{dt},$ Δθ_body(t)为t时刻所述机器人的上身实际姿态角与上身规划姿态角之间的偏差，所述上身实际姿态角是通过陀螺仪测得的当前时刻所述机器人上身的实际倾角，所述上身规划姿态角是预先设定的所述机器人上身的倾角，K_c是系数，0<K_c<1；

若当前时刻所述脚的状态为摆动状态时，所述修正值Δθ_h(t)＝(1-K_r)Δθ_h(t-T)，其中，T为计算机控制采样周期，K_r是系数，0<K_r<1。

4.如权利要求1所述的仿人机器人稳定行走的上身姿态控制的方法，其特征在于，所述根据所述修正值计算所述髋关节的伺服参考值包括：

将动态步态值加上所述修正值所得的值作为所述伺服参考值，所述动态步态值为预先设定的所述机器人的髋关节的角度。

5.一种仿人机器人稳定行走的上身姿态控制的装置，其特征在于，所述装置包括：

判断模块，用于判断当前时刻机器人的脚的状态，所述脚的状态为支撑状态或摆动状态；

第一计算模块，用于根据所述判断模块判断的脚的状态，计算当前时刻所述机器人的髋关节的修正值；

第二计算模块，用于根据所述第一计算模块得到的修正值计算所述髋关节的伺服参考值，所述伺服参考值用于驱动所述髋关节调节所述机器人的上身姿态。

6.如权利要求5所述的仿人机器人稳定行走的上身姿态控制的装置，其特征在于，所述判断模块包括：

获取单元，用于获取所述机器人的脚与地面之间接触力；

判断单元，用于判断若所述获取单元获取的接触力大于零，当前时刻所述脚的状态为支撑状态，否则，当前时刻所述脚的状态为摆动状态。

7.如权利要求5所述的仿人机器人稳定行走的上身姿态控制的装置，其特征在于，所述第一计算模块包括：

第一计算单元，用于若当前时刻所述脚的状态为支撑状态时，所述修正值 ${\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_h\left(t\right)={\&Integral;}_0^t{K}_c*{\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_{\mathrm{body}}\left(t\right)\mathrm{dt},$ 其中Δθ_body(t)为t时刻所述机器人的上身实际姿态角与上身规划姿态角之间的偏差，所述上身实际姿态角是通过陀螺仪测得的当前时刻所述机器人上身的实际倾角，所述上身规划姿态角是预先设定的所述机器人上身的倾角，K_c是系数，且0<K_c<1；

第二计算单元，用于若当前时刻所述脚的状态为摆动状态时，所述修正值Δθ_h(t)＝(1-K_r)Δθ_h(t-T)，其中T为计算机控制采样周期，K_r是系数，0<K_r<1。

8.如权利要求5所述的仿人机器人稳定行走的上身姿态控制的装置，其特征在于，所述第二计算模块还用于：

将动态步态值加上所述修正值所得的值作为所述伺服参考值，所述动态步态值为预先设定的所述机器人的髋关节的角度。

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