CN101439738B

CN101439738B - 防止仿人机器人前后倾斜的运动规划方法和装置

Info

Publication number: CN101439738B
Application number: CN2008101722194A
Authority: CN
Inventors: 黄强; 许威; 张伟民; 李科杰; 贾东永
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2008-10-31
Filing date: 2008-10-31
Publication date: 2010-08-11
Anticipated expiration: 2028-10-31
Also published as: CN101439738A

Abstract

本发明公开了一种防止仿人机器人前后倾斜的运动规划方法和装置，属于仿人机器人运动规划技术领域。该方法包括：对支撑腿髋关节、踝关节和膝关节的电机转角分别设置一个补偿角度；将所述支撑腿的髋关节、踝关节和膝关节电机的转角规划角度上分别增加相应的所述补偿角度。该装置包括：设置补偿角度模块，用于对支撑腿的髋关节、踝关节和膝关节的电机转角分别设置一个补偿角度；添加模块，用于将所述支撑腿的髋关节、踝关节和膝关节的电机的转角规划角度上分别增加相应的所述补偿角度。其中，所述髋关节、踝关节和膝关节的电机均为轴向沿仿人机器人左右方向的电机。本发明有效地减小仿人机器人单脚支撑时前后倾斜的现象，提高了着地的稳定性。

Description

防止仿人机器人前后倾斜的运动规划方法和装置

技术领域

本发明涉及仿人机器人运动规划技术领域，特别涉及防止仿人机器人前后倾斜的运动规划方法和装置。

背景技术

仿人机器人的运动规划是仿人机器人研究中非常重要的一个领域。仿人机器人的动作表演，是通过分布在仿人机器人各个关节上的电机转动来实现的。每个关节电机的个数代表了该关节上自由度的数目。每个电机在各个时刻是怎样转动的，是在仿人机器人动作表演之前由运动规划给出的。目前，仿人机器人运动规划的方法主要是基于零力矩点(ZMP，ZeroMoment Point)稳定性原理来进行的，方法是先根据地面环境设定足部踝关节的轨迹，在可变参数的有效范围内找出具有最大稳定裕度的躯干轨迹作为最后的规划结果。其中，ZMP是指仿人机器人所受的地面反作用力合力的中心点。当仿人机器人实际的ZMP落在仿人机器人脚面(单脚或双脚)与地面接触所围成的多边形区域内时，仿人机器人可稳定不倒，如图1所示。

人类在步行过程中分为单脚支撑期和双脚支撑期，双脚支撑时两只脚(支撑脚)相对地面位置不变；单脚支撑时一只脚(支撑脚)相对于地面位置固定，而另一支脚(非支撑脚)相对于支撑脚从后面迈至前面，所迈的长度称为步长，单脚支撑期和双脚支撑期时间的总和称为步行周期。人类的步行就是不断循环这两个时期的周期性运动。

仿人机器人在动作表演过程中也分成双脚支撑期和单脚支撑期。在双脚支撑期，由于双脚完全着地，仿人机器人的零力矩点只要落在双脚与地面接触形成的多边形区域内即可保证稳定。在单脚支撑期时，仿人机器人的零力矩点需要落在支撑脚脚面内才能保持稳定。但是由于机械柔性(指机械结构因受外力产生的形变)和伺服柔性(由控制误差所造成)的存在，导致仿人机器人在单脚支撑时上身向前或向后倾斜，这样不但使仿人机器人容易摔倒，而且在仿人机器人的前后方向上，非支撑脚在着地瞬间会与地面形成一个较大的倾角，影响了仿人机器人着地的稳定性。

在对现有技术进行分析后，发明人发现：由于机械柔性和伺服柔性的存在，造成仿人机器人上身在前后方向上倾斜。这不仅影响了仿人机器人上身姿态的平衡和上臂作业的精度，而且非支撑脚在着地瞬间也会与地面产生一个前后方向的倾角，影响着地的稳定性，容易摔倒。

发明内容

为了有效减小仿人机器人单脚支撑时前后倾斜的现象，增加其着地时的稳定性，本发明基于前后倾斜补偿的思想，提供了一种防止仿人机器人前后倾斜的运动规划方法和装置。所述技术方案如下：

一种防止仿人机器人前后倾斜的运动规划方法，包括以下步骤：

对支撑腿的髋关节的电机、踝关节的电机和膝关节的电机的转角分别设置一个补偿角度；

将所述支撑腿的髋关节的电机、踝关节的电机和膝关节的电机的转角规划角度上分别增加相应的所述补偿角度；

其中，所述髋关节的电机、踝关节的电机和膝关节的电机均为轴向沿仿人机器人左右方向的电机。

进一步地，在仿人机器人运动的t时刻，所述补偿角度的大小为：

Δθ_i(t)＝K_i×(Y_ankle(t)-Y_waist(t))，i＝1，2，

Δθ₃(t)＝Δθ₁(t)+Δθ₂(t)

其中，Δθ₁(t)表示t时刻所述髋关节的电机转角的补偿角，Δθ₂(t)表示t时刻所述踝关节的电机转角的补偿角，Δθ₃(t)表示t时刻所述膝关节的电机转角的补偿角；K_i＞0为补偿系数；Y_waist(t)为t时刻仿人机器人腰部两髋关节连线中点的前后方向坐标；Y_ankle(t)为t时刻仿人机器人支撑脚踝关节前后方向坐标。

一种仿人机器人防止前后倾斜的运动规划装置，包括：

设置补偿角度模块，用于对支撑腿的髋关节的电机、踝关节的电机和膝关节的电机转角分别设置一个补偿角度；

添加模块，用于将所述支撑腿的髋关节的电机、踝关节的电机和膝关节的电机的转角规划角度上分别增加相应的所述补偿角度；

Δθ_i(t)＝K_i×(Y_ankle(t)-Y_waist(t))，i＝1，2，

Δθ₃(t)＝Δθ₁(t)+Δθ₂(t)

本发明实施例通过对支撑腿的髋关节左右方向电机、和踝关节左右方向电机和膝关节左右方向电机的倾角进行补偿，可以有效地减小仿人机器人单脚支撑时前后倾斜的现象和由柔性误差所造成的非支撑脚倾斜着地的现象，提高了着地的稳定性。

附图说明

图1是现有技术仿人机器人脚面(单脚或双脚)与地面接触所围成的多边形区域示意图；

图2是本发明实施例防止仿人机器人前后倾斜的运动规划方法流程图；

图3是仿人机器人的常用的七连杆模型示意图；

图4是世界坐标系下的仿人机器人模型示意图；

图5是仿人机器人在单脚支撑时，采用和没有采用防止前后倾斜的运动规划方法的机器人实际姿态比较示意图；

图6是本发明实施例防止仿人机器人前后倾斜的运动规划装置示意图。

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。

实施例一

本发明实施例基于前后倾斜补偿的思想，提供了一种防止仿人机器人前后倾斜的运动规划方法，参见图2，包括以下步骤：

210：对支撑腿的髋关节的电机、踝关节的电机以及膝关节的电机分别设置一个补偿角度。

对人体运动模型进行简化，得到仿人型机器人的常用的七连杆模型，如图3所示。1为仿人机器人腰部两髋关节连线中点，2为仿人机器人左踝关节，3为仿人机器人左膝关节。图3模型中仿人机器人的下肢共有十二个自由度(一个电机代表一个自由度)，每条腿各有6个自由度，其中髋关节3个，膝关节1个，踝关节2个。上述髋关节的电机、踝关节的电机和膝关节的电机均为轴向沿仿人机器人左右方向的电机。如图4所示，以仿人机器人右方为X轴正方向，以仿人机器人前方为Y轴正方向，以仿人机器人上方为Z轴正方向，建立世界坐标系。仿人机器人足部轨迹的规划是通过规划其左右踝关节坐标点(X_ankle，Y_ankle，Z_ankle)来实现的，在本实施例规划中，将脚面着地时与地面夹角设置为零夹角；上身与地面的夹角设置为90度。

在仿人机器人表演过程中的单脚支撑期，仿人机器人上身姿态在前后方向与地面是否水平取决于支撑腿的髋关节X方向电机、踝关节X方向电机和膝关节X方向电机。这里X方向电机指的是其轴向沿X方向的电机。为防止仿人机器人单脚支撑时前后倾斜，在仿人机器人单脚支撑期对支撑腿的髋关节X方向电机、踝关节X方向电机和膝关节X方向电机分别补偿一个适当的角度，然后将这一补偿量添加到相关电机(支撑腿的髋关节X方向电机、踝关节X方向电机和膝关节X方向电机)现有技术的规划角度上即可。在仿人机器人运动的t时刻，补偿角的计算式如下：

Δθ_i(t)＝K_i×(Y_ankle(t)-Y_waist(t))，i＝1，2，

Δθ₃(t)＝Δθ₁(t)+Δθ₂(t)

其中，Δθ₁(t)表示t时刻支撑腿的髋关节X方向电机转角的补偿角，Δθ₂(t)表示t时刻支撑腿的踝关节X方向电机转角的补偿角Δθ₃(t)表示t时刻支撑腿的膝关节X方向电机转角的补偿角。Y_waist(t)为t时刻仿人机器人腰部两髋关节连线中点的前后方向坐标；Y_ankle(t)为t时刻仿人机器人支撑脚踝关节前后方向坐标。K_i＞0为补偿系数，单位是度/米。在仿人机器人运动学中，仿人机器人的每一个动作都是事先由运动规划设计好的，所以在任一时刻，根据该仿人机器人的运动规划Y_ankle与Y_waist的差值是已知的，因此t时刻的仿人机器人单脚支撑时防止前后倾斜的补偿角度Δθ₁(t)、Δθ₂(t)、Δθ₃(t)可以由上式计算得出。

补偿系数K_i不能取值过大，否则防止仿人机器人单脚支撑时前后倾斜的效果就要下降。K_i的最大值应当针对具体的仿人机器人，由实验确定。在本实施例中，仿人机器人身高一米六，体重75公斤。为了防止仿人机器人单脚支撑时左右倾斜的效果最好，本实施例中取0＜K_i≤62.5，也即补偿角度Δθ_i(t)的范围是|Δθ_i(t)|≤5度(i＝1，2)。

220：将上述支撑腿的髋关节的电机、踝关节的电机和膝关节的电机的转角规划角度上分别增加相应的补偿角度。

补偿角度Δθ_s(t)(s＝1，2，3)是加到相应电机原有的转角a_s(t)上的，补偿之后，t时刻相应电机实际的转角为：

θ_s(t)＝a_s(t)+Δθ_s(t)

其中，s＝1，2，3分别表示对支撑腿将要进行补偿的髋关节X方向电机、踝关节X方向电机和膝关节X方向电机，即Δθ₁(t)表示t时刻支撑腿的髋关节X方向电机转角的补偿角，Δθ₂(t)表示t时刻支撑腿的踝关节X方向电机转角的补偿角，Δθ₃(t)表示t时刻支撑腿的膝关节X方向电机转角的补偿角。

如果不补偿，电机是按照现有技术预先规划好的角度a_s(t)旋转，这样仿人机器人容易前后倾斜。图5示出了仿人机器人在前进时，采用和没有采用防止前后倾斜的方法的稳定性比较示意图(侧视图)。图5(a)表明：如果没有采用倾角补偿方法，由柔性误差将导致机器人向前方倾斜，由图可以看出仿人机器人上身与地面产生了一个前后方向的倾角。图5(b)表示采用该补偿算法以后机器人的姿态。通过补偿可以有效减小非支撑脚在着地时与地面的夹角，使其水平着地。本发明实施例中，t时刻可以为任意时刻。

本发明实施例通过对支撑腿的髋关节左右方向电机、踝关节左右方向电机和膝关节左右方向电机的倾角进行补偿，可以有效地减小仿人机器人单脚支撑时前后倾斜的现象和由柔性误差所造成的非支撑脚倾斜着地的现象，提高了着地的稳定性。

实施例二

本发明实施例基于前后倾斜补偿的思想，提供了一种防止仿人机器人前后倾斜的运动规划装置，参见图6，包括：

设置补偿角度模块601，用于对支撑腿的髋关节的电机、踝关节的电机转角和膝关节的电机转角分别设置一个补偿角度。

上述髋关节的电机、踝关节的电机和膝关节的电机均为轴向沿仿人机器人左右方向的电机。

如图4所示，以仿人机器人右方为X轴正方向，以仿人机器人前方为Y轴正方向，以仿人机器人上方为Z轴正方向，建立世界坐标系。仿人机器人足部轨迹的规划是通过规划其左右踝关节坐标点(X_ankle，Y_ankle，Z_ankle)来实现的，在本实施例规划中，将脚面着地时与地面夹角设置为零夹角；上身与地面的夹角设置为90度。

在仿人机器人表演过程中的单脚支撑期，仿人机器人上身姿态在前后方向与地面是否水平取决于支撑腿的髋关节X方向电机、踝关节X方向电机和膝关节X方向电机。这里X方向电机指的是其轴向沿X方向的电机。为防止仿人机器人单脚支撑时前后倾斜，在仿人机器人单脚支撑期对支撑腿的髋关节X方向电机、踝关节X方向电机和膝关节X方向电机补偿一个适当的角度，然后将这一补偿量添加到相关电机(支撑腿的髋关节X方向电机、踝关节X方向电机和膝关节X方向电机)现有技术的规划角度上即可。在仿人机器人运动的t时刻，补偿角的计算式如下：

Δθ_i(t)＝K_i×(Y_ankle(t)-Y_waist(t))，i＝1，2，

Δθ₃(t)＝Δθ₁(t)+Δθ₂(t)

补偿系数K_i不能取值过大，否则防止仿人机器人单脚支撑时前后倾斜的效果就要下降。K_i的最大值应当针对具体的仿人机器人，由实验确定。在本实施例中，仿人机器人身高一米六，体重75公斤。为使防止仿人机器人单脚支撑时前后倾斜的效果最好，本实施例中取0＜K_i≤62.5，也即补偿角度Δθ_i(t)的范围是|Δθ_i(t)|≤5度(i＝1，2)。

添加模块602，用于将上述支撑腿的髋关节的电机、踝关节的电机和膝关节的电机的转角规划角度上分别增加相应的上述补偿角度。

θ_s(t)＝a_s(t)+Δθ_s(t)

如果不补偿，电机是按照现有技术预先规划好的角度a_s(t)旋转，这样仿人机器人容易前后倾斜。本发明实施例中，t时刻可以为任意时刻。本发明实施例通过对支撑腿的髋关节左右方向电机、踝关节左右方向电机和膝关节左右方向电机的倾角进行补偿，可以有效地减小仿人机器人单脚支撑时前后倾斜的现象和由柔性误差所造成的非支撑脚倾斜着地的现象，提高了着地的稳定性。

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

1.一种防止仿人机器人前后倾斜的运动规划方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的防止仿人机器人前后倾斜的运动规划方法，其特征在于，在仿人机器人运动的t时刻，所述补偿角度的大小为：

Δθ_i(t)＝K_i×(Y_ankle(t)-Y_waist(t))，i＝1，2，

Δθ₃(t)＝Δθ₁(t)+Δθ₂(t)

3.防止仿人机器人前后倾斜的运动规划装置，其特征在于，包括：

4.根据权利要求3所述的防止仿人机器人前后倾斜的运动规划装置，其特征在于，在仿人机器人运动的t时刻，所述补偿角度的大小为：

Δθ_i(t)＝K_i×(Y_ankle(t)-Y_waist(t))，i＝1，2，

Δθ₃(t)＝Δθ₁(t)+Δθ₂(t)