CN101697080B - 欠驱动两足机器人的运动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实时性高、工程实用性强的欠驱动两足机器人的运动控制方法，由以下步骤实现：(1)建立欠驱动两足机器人的运动控制数学模型；(2)选定欠驱动两足机器人的同步变量，并记为θ(q)；(3)计算得到欠驱动两足机器人的虚拟约束输出，并记虚拟约束输出为h_d(θ(q))，实际输出h₀(q)；(4)得到误差，记该误差为y，则y由表达式y＝h₀(q)-h_d(θ(q))确定，同时进行反馈校正，修正步骤(2)中的同步变量，使y趋向于零；(5)y经多模型控制器计算；(6)根据欠驱动两足机器人的工况，选定步骤(5)中得到的多个控制量中的一个，记为v_i；(7)将步骤(6)中得到的控制量v_i，代入以下表达式，经运算后输出实际控制量；(8)重复步骤(2)～(7)。

Description

欠驱动两足机器人的运动控制方法

技术领域

本发明涉及机器人控制技术领域，具体讲是一种欠驱动两足机器人的运动控制方法。

背景技术

时不变步态是欠驱动两足机器人运动规划的主要方法，目前的欠驱动两足机器人的运动控制方法主要是依据时不变步态理论形成的具体的技术方案，时不变步态是指机器人步态和状态相关，而与时间无关。所述欠驱动两足机器人的运动控制方法一般是以一个与被动自由度相关的姿态变量作为同步变量，通过对主动关节进行控制，实现主动关节与被动关节同步，达到姿态可控的目的，主动关节的运动轨迹称为虚拟约束。所述欠驱动两足机器人的运动控制方法的核心问题在于如何更好地实现对单脚支撑期的控制，使欠驱动两足机器人在一步周期内快速镇定，而目前的欠驱动两足机器人的运动控制方法是通过单个控制器输出控制量，导致欠驱动两足机器人在一步周期内的镇定速度不够快，换句话说，目前的欠驱动两足机器人的运动控制方法的实时性不高、工程实用性不强。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服以上现有技术的缺点，提供一种实时性高、工程实用性强的欠驱动两足机器人的运动控制方法。

本发明的技术方案是，提供一种欠驱动两足机器人的运动控制方法，由以下步骤实现：

(1)建立欠驱动两足机器人的运动控制数学模型；

(2)选定欠驱动两足机器人的同步变量，并记为θ(q)；

(3)欠驱动两足机器人根据其自身传感器按采样周期采样的实际输出、步骤(1)建立的欠驱动两足机器人的运动控制数学模型、步骤(2)中的同步变量来计算得到欠驱动两足机器人的虚拟约束输出，并记虚拟约束输出为h_d(θ(q))，实际输出h₀(q)；

(4)在每个采样周期都将实际输出与步骤(3)中得到的虚拟约束输出进行比较，得到误差，记该误差为y，则y由表达式y＝h₀(q)-h_d(θ(q))确定，同时进行反馈校正，修正步骤(2)中的同步变量，使y趋向于零；

(5)将步骤(4)中得到的y经多模型控制器计算，得到多个控制量；

(6)根据欠驱动两足机器人的工况，选定步骤(5)中得到的多个控制量中的一个，记被选定的控制量为v_i；

(7)将步骤(6)中得到的控制量v_i，代入以下反馈线性化表达式，

$u\left(x\right)={\left(L_g{L}_{f}h\left(x\right)\right)}^{-1}(v_i-L_f^{2}h\left(x\right))$

经运算后输出实际控制量，记该实际控制量为u，所述欠驱动两足机器人根据u去控制其伺服驱动器；

(8)重复步骤(2)～(7)，得到每个采样周期的实际控制量，同时根据实际控制量实时控制所述欠驱动两足机器人的运动。

采用上述方法后，本发明与现有技术相比，具有以下显著优点及有益效果：因为本发明欠驱动两足机器人的运动控制方法在欠驱动两足机器人的步行模式中，计入了多模型控制器的影响，换句话说，本发明欠驱动两足机器人的运动控制方法通过多模型控制器输出多个控制量，然后依据欠驱动两足机器人的工况，选定最优的控制量，再以最优的控制量得到实际控制量，所述欠驱动两足机器人根据实际控制量去控制其伺服驱动器，这样，本发明欠驱动两足机器人的运动控制方法使得欠驱动两足机器人在一步周期内的镇定速度足够快，所以本发明欠驱动两足机器人的运动控制方法具有实时性高、工程实用性强的优点。

附图说明

附图是本发明欠驱动两足机器人的运动控制方法的控制流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

本例中，如附图所示，多模型控制器包括三个，分别记为C₁、C₂、C₃，所述控制器C₁、C₂、C₃为现有技术，比如PD控制器；y经多模型控制器计算，得到三个控制量，分别记为v₁、v₂、v₃；u为实际控制量。本发明欠驱动两足机器人的运动控制方法的控制过程如下：

(1)建立欠驱动两足机器人的运动控制数学模型：

$\stackrel{\·}{x}=f\left(x\right)+g\left(x\right)u,$ 该式中，f(x)、g(x)为非线性函数；

(2)选定欠驱动两足机器人的同步变量，并记为θ(q)；

(3)欠驱动两足机器人根据其自身传感器按采样周期采样的实际输出、步骤(1)建立的欠驱动两足机器人的运动控制数学模型、步骤(2)中的同步变量来计算得到欠驱动两足机器人的虚拟约束输出，并记虚拟约束输出为h_d(θ(q))，实际输出h₀(q)，计算过程为，令约束条件作为系统输出，得到以下表达式，h₀(q)-h_d(θ(q))＝h(x)；

(4)在每个采样周期都将实际输出与步骤(3)中得到的虚拟约束输出进行比较，得到误差，记该误差为y，则y由表达式y＝h₀(q)-h_d(θ(q))确定，同时进行反馈校正，修正步骤(2)中的同步变量，使y趋向于零；

(5)将步骤(4)中得到的y经多模型控制器计算，得到多个控制量；

(6)本例中，欠驱动两足机器人的工况是指摆动脚的上升阶段、行走阶段、触地阶段，即欠驱动两足机器人的一步周期被划分为三个运动状态，与多模型控制器的数量保持一致，根据欠驱动两足机器人的工况，选定步骤(5)中得到的多个控制量中的一个，记被选定的控制量为v_i。比如：欠驱动两足机器人的摆动脚处于上升阶段，则选定的控制器为C₁，选定的控制量为v₁；欠驱动两足机器人的摆动脚处于行走阶段，则选定的控制器为C₂，选定的控制量为v₂；欠驱动两足机器人的摆动脚处于触地阶段，则选定的控制器为C₃，选定的控制量为v₃。可以通过同步变量来判断处于何种工况，附图中用虚线表示。

(7)将步骤(6)中得到的控制量v_i，代入以下反馈线性化表达式，

$u\left(x\right)={\left(L_g{L}_{f}h\left(x\right)\right)}^{-1}(v_i-L_f^{2}h\left(x\right))$

其中，L_gh(x)表示h(x)对g的李导数，L_f ²h(x)表示h(x)对f的二阶李导数，L_gL_fh(x)为系统的解耦矩陈，且可逆。所述反馈线性化表达式被存储在反馈线性化控制器中。

经运算后输出实际控制量，记该实际控制量为u，所述欠驱动两足机器人根据u去控制其伺服驱动器。比如，欠驱动两足机器人的摆动脚处于上升阶段，则选定的控制器为C₁，选定的控制量为v₁；则经运算后输出实际控制量 $u\left(x\right)={\left(L_g{L}_{f}h\left(x\right)\right)}^{-1}(v_1-L_f^{2}h\left(x\right)).$

(8)重复步骤(2)～(7)，得到每个采样周期的实际控制量，同时根据实际控制量实时控制所述欠驱动两足机器人的运动。

以上仅就本发明较佳的实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本发明的结构可以有其他变化，不局限于上述结构，比如：所述多模型控制器可以为五个，这样能够更加精确的控制欠驱动两足机器人的运动。总之，凡在本发明产品独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种欠驱动两足机器人的运动控制方法，其特征在于，

由以下步骤实现：

(1)建立欠驱动两足机器人的运动控制数学模型，

该式中，f(x)、g(x)为非线性函数；

(2)选定欠驱动两足机器人的同步变量，并记为θ(q)；

(3)欠驱动两足机器人根据其自身传感器按采样周期采样的实际输出、步骤(1)建立的欠驱动两足机器人的运动控制数学模型、步骤(2)中的同步变量来计算得到欠驱动两足机器人的虚拟约束输出，并记虚拟约束输出为h_d(θ(q))，实际输出h₀(q)；

(4)在每个采样周期都将实际输出与步骤(3)中得到的虚拟约束输出进行比较，得到误差，记该误差为y，则y由表达式y＝h₀(q)-h_d(θ(q))确定，同时进行反馈校正，修正步骤(2)中的同步变量，使y趋向于零；

(5)将步骤(4)中得到的y经多模型控制器计算，得到多个控制量；

(6)根据欠驱动两足机器人的工况，选定步骤(5)中得到的多个控制量中的一个，记被选定的控制量为v_i；

(7)将步骤(6)中得到的控制量v_i，代入以下反馈线性化表达式，

$u\left(x\right)={\left(L_g{L}_{f}h\left(x\right)\right)}^{-1}(v_i-L_f^{2}h\left(x\right))$

经运算后输出实际控制量，记该实际控制量为u，所述欠驱动两足机器人根据u去控制其伺服驱动器，其中，h(x)由表达式h₀(q)-h_d(θ(q))＝h(x)定义，L_gh(x)表示h(x)对g的李导数，

表示h(x)对f的二阶李导数，L_gL_fh(x)为系统的解耦矩阵，且可逆；

(8)重复步骤(2)～(7)，得到每个采样周期的实际控制量，同时根据实际控制量实时控制所述欠驱动两足机器人的运动。

2.根据权利要求1所述的欠驱动两足机器人的运动控制方法，其特征在于，所述多模型控制器包括三个，分别记为C₁、C₂、C₃。

3.根据权利要求2所述的欠驱动两足机器人的运动控制方法，其特征在于，所述y经多模型控制器计算，得到三个控制量，分别记为v₁、v₂、v₃。

Images