CN104298243B - 一种仿人机器人不平整地面行走的稳定控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿人机器人不平整地面行走的稳定控制方法，属于机器人技术领域。所述方法包括4个步骤：基于最大稳定区域的着地脚面姿态控制；二阶弹簧阻尼的阻抗控制；正运动学计算和脚面惯性传感器测量相结合的脚面状态估计；基于支撑脚压力中心的质心加速度控制。该方法利用着地柔顺控制，能够有效地减少不平整地面对着地脚面的冲击，并使着地脚具有相对较大的支撑区域；倾斜脚面的平衡稳定控制，使机器人实现各种支撑脚面姿态的稳定行走。因此，仿人机器人能够实现不平整地面的稳定行走，有效提高仿人机器人在应用过程中的安全性。

Description

一种仿人机器人不平整地面行走的稳定控制方法

技术领域：

本发明公开了一种仿人机器人不平整地面行走的稳定控制方法，属于机器人技术领域。

背景技术：

仿人机器人是指具有人类外形特征，并具有与其外形特征相应的类人功能的人形机器人，是集机械、电子、材料、计算机、传感技术、控制技术、人工智能、人体工学、仿生学等多门学科于一体的综合性平台，是一个高新技术密集的机电一体化产品。仿人机器人研究的目的是研究一种能与人和谐共处的类人形机器人，它能在人类现实环境中工作，使用人们所用的工具，同时能够作为人类的伙伴与人类进行情感交流。

为了实现仿人机器人走出实验室，参与人类的日常生活，甚至代替人类完成某些工作这一目标，必须提高仿人机器人的环境适应能力，而环境适应能力的一个重要前提是仿人机器人具有在各种场合快速、稳定行走的能力。仿人机器人在结构化的平整地面上行走是仿人机器人早期研究的重点，因为结构化的平整地面能够有效地简化仿人机器人的步态规划和平衡稳定控制。然而随着研究的深入和相关科学技术的发展，科研人员清楚地认识到仿人机器人的应用必须应对环境中的各种地面(如，崎岖路面，台阶，斜面等)，这也是仿人机器人优于其他类型机器人的一个重要特征。本发明就是以实现仿人机器人不平整地面的稳定行走这一目标提出的。

中国专利CN201110449923.1，公开了一种具有多自由度的仿人机器人脚板机构，尝试通过机构设计的方式使仿人机器人适应任意不平整地面。但是，该发明没有解释脚面状态的改变对仿人机器人的平衡稳定控制的影响。

中国专利CN200810171985.9，提出了一种仿人机器人稳定行走的脚着地时间的控制方法及系统，通过对脚着地时间的控制，一定程度上能够解决地面的凸起和凹陷，但是没有考虑脚面旋转倾斜适应不平整地面的着地过程。

现有论文“Biped Landing Pattern Modification Method with NonlinearCompliance Control”，阐述了采用非线性柔顺控制双足的着地步态，使机器人实现不平整地面的行走。但是该方法具有局限性，不能适应各种不平整地面，比如脚底中部踩到凸起这种情况，即着地柔顺控制和脚底支撑区域的综合考虑。

日本专利文献JP2012-196743A公开了一种腿式机器人的控制方法，其根据传感器检测脚底与地面的接触状况决定行走的步态，进而驱动关节进行运动，但是该方法对脚底与地面的接触状况包括接触点、ZMP，不能完全满足稳定控制需求，不是最大稳定裕度的平衡控制。

虽然现有不少的文献和专利尝试解决仿人机器人在不平整地面行走的问题，但是多数研究具有局限性，只能适应脚面边缘范围的不平整，而对于脚面中部先着地的研究较少，因此，本发明提出了一种适应各种接触情况的着地控制和稳定控制，以实现仿人机器人在不平整地面的稳定行走。

发明内容：

为了实现仿人机器人在不平整地面上的行走，提高仿人机器人的环境适应性。本发明公开了一种仿人机器人不平整地面行走的稳定控制，着地的柔顺控制能有效减少着地过程的冲击力，倾斜支撑脚面的压力中心控制能够提高行走的稳定性。

本发明通过以下技术方案实现。

一种仿人机器人不平整地面行走的稳定控制方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1，检测仿人机器人摆动腿是否着地及其压力中心COP的信息；

步骤2，根据摆动腿检测的COP信息决定脚面旋转方向，设置阻抗控制参数，从而得到较大的稳定区域；

步骤3，控制脚底板与地面的阻抗，实现摆动脚的软着地，减少地面冲击力；

步骤4，摆动腿软着地踩踏实后，通过正运动学的状态估计和脚面陀螺仪的测量，得到脚面的相关位置和姿态信息；

步骤5，基于倾斜支撑脚面压力中心处于有效脚面积内的稳定控制，保证仿人机器人在不平整地面行走的平衡稳定性。

优选地，所述步骤1包括使用脚踝六维力传感器检测所述摆动腿的脚面是否与地面接触，以及通过COP的计算得到最初接触位置(x_s,y_s)，所述六维力传感器的安装位置中心为脚底COP测量坐标系原点；然后依据(x_s,y_s)决定着地脚面的旋转方向以及脚面与地面之间的二阶阻抗接触模型的刚度系数K_p和阻尼系数K_d。

优选地，所述步骤2中的决定脚面旋转方向进一步包括：

当-L_back≤y_s＜0，脚后跟先着地，脚面朝脚尖方向旋转，采用被动柔顺控制，而且y_s越大，阻抗控制的刚度系数K_p越大；

当L_mid＜y_s≤L_front，脚尖先着地，脚面朝脚后跟方向旋转，采用被动柔顺控制，而且y_s越大，阻抗控制的刚度系数K_p越小；

当0≤y_s≤L_mid，脚底中部着地，脚面朝脚尖方向旋转，采用主动柔顺控制，而且y_s越大，阻抗控制的刚度系数K_p越小；

式中L_front为所述六维力传感器的安装位置中心到脚面前端的距离，L_back为所述六维力传感器的安装位置中心到脚面后端的距离，L_mid为六维力传感器的安装位置中心到脚底板形心位置的距离。

优选地，所述步骤3中的控制脚底板与地面的阻抗进一步包括：构建脚面与地面的二阶弹簧阻尼模型，得到地面反力与脚面位置和姿态关系表达式，p_e＝p-p_d，其中p表示末端实际位姿向量(6×1)；p_d表示末端给定位姿向量，通过变换就可以得到末端速度的控制表达式：增加到原有位置控制的反馈环路当中，实现阻抗控制器设计，所述步骤2中的K_p只是K_p矩阵中的一个元素。

优选地，所述步骤4中进一步包括：

通过双脚支撑期已知后脚的位置和姿态通过正运动学计算前脚的位置和姿态，同时需要安装在脚面上的惯性测量单元IMU进行脚面倾角的校正；同时，六维力传感器固定在仿人机器人的脚踝位置处实现脚面压力中心COP的测量，以保证仿人机器人的压力中心处于稳定区域内，当脚面倾斜时，需要利用脚与地面的接触状态，得到与稳定裕度相关的有效脚面积，当仿人机器人平衡所需压力中心处于有效脚面积内，仿人机器人能够保持稳定，当所需压力中心跑到有效脚面积范围外，脚面将会发生翻转，导致不稳定。

优选地，所述步骤5中进一步包括：

基于质心加速度的仿人机器人平衡稳定控制，得到支持脚面信息后，利用仿人机器人的桌子-小车简化模型的动力学约束方程，推导得出倾斜脚面压力中心与质心加速度的关系式：

其中，y_COP是指脚面上压力中心的相对脚踝坐标系Σ_A的位置，y表示质心位置，z_C表示质心高度，表示脚面倾角，表示质心加速度，g表示重力加速度。

本发明适用于仿人机器人的各种地面行走，不仅能提高仿人机器人在结构化环境(平地、台阶等已知环境)行走的稳定性，而且还能实现机器人在未知非结构化环境(不平整地面)的行走。另外，该方法考虑了各种脚底接触情况的稳定行走，具有通用性。同时，该方法相对比较的简单，具有很强的实用性，能够提高仿人机器人安全性。

附图说明：

下面结合附图，通过对实施例的描述，本发明的这些和/或其他方面和优点将变得更加清晰和易于理解，其中：

图1是本发明实施例1实现仿人机器人不平整地面行走的示意图；

图2是本发明实施例1所涉及的仿人机器人的右脚脚底板示意图；

图3是本发明实施例1所涉及的仿人机器人不平整地面行走的稳定控制流程图；

图4是本发明实施例1所涉及的仿人机器人脚面旋转决策示意图；

图5是本发明实施例1所涉及的着地阻抗控制的系统框图；

图6是本发明实施例1所涉及的支撑脚状态估计的示意图；

图7是本发明实施例1所涉及的支撑脚有效脚面积的示意图；

图8是本发明实施例1所涉及的倾斜脚面桌子-小车模型控制的示意图；

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，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。

具体实施例1是利用本发明方法实现仿人机器人在具有50mm厚凸块的不平整地面的行走，图1为具体实施例1的示意图。

在实施例中，为了对本方法进行更加清楚的解释，我们仅讨论仿人机器人在矢状平面(前进方向和铅垂方向构成的平面)的平衡控制，但是该方法能够拓展应用到三维的情况。另外，仿人机器人的脚底板尺寸和六维力传感器在脚底板上的安装位置对稳定控制有很大影响。此处我们采用的脚底板规格如图2所示(右脚)，脚底板1尺寸为170mm×280mm。六维力传感器2的安装位置中心(脚底COP测量坐标系原点)为距离脚面前端的距离L_front＝158mm，后端距离L_back＝122mm，外侧距离L_outside＝100mm，内侧距离L_inside＝70mm。

图3给出了一种仿人机器人不平整地面行走的稳定控制方法的具体流程图，主要包括以下两个方面：摆动腿的着地柔顺控制和倾斜支撑脚面的平衡稳定控制。

所述“摆动腿的着地柔顺控制”包括：

脚踝六维力传感器检测摆动腿脚面是否与地面接触以及通过COP的计算得到最初接触位置(x_s,y_s)。然后依据(x_s,y_s)，决定着地脚面的旋转方向以及脚面与地面之间的二阶阻抗接触模型的刚度系数K_p和阻尼系数K_d，就前进方向的具体分析如下：

(1)当-L_back≤y_s＜0，如图4中(a)所示，脚后跟先着地，脚面朝脚尖方向旋转，采用被动柔顺控制，而且y_s越大，阻抗控制的刚度系数K_p越大；

(2)当L_mid＜y_s≤L_front，如图4中(b)所示，脚尖先着地，脚面朝脚后跟方向旋转，采用被动柔顺控制，而且y_s越大，阻抗控制的刚度系数K_p越小；

(3)当0≤y_s≤L_mid，如图4中的(c)所示，脚底中部着地，脚面朝脚尖方向旋转，采用主动柔顺控制，而且y_s越大，阻抗控制的刚度系数K_p越小；

被动柔顺控制是指通过顺应地面反力的方式旋转，而主动柔顺控制是指通过反抗地面反力的方式旋转。采用以上的旋转方式能保证摆动腿着地后支撑时具有较大的稳定裕度，同时阻抗控制的刚度系数K_p也随着距离六维力传感器安装位置增大而减小，以达到尽快实现着地的目标。

通过脚面姿态控制得到脚面旋转方向和阻抗系数后，在着地过程实行阻抗控制，实现柔顺着地。首先构建脚面与地面的二阶弹簧阻尼模型，得到地面反力与脚面位置和姿态关系表达式，p_e＝p-p_d，其中p表示末端实际位姿向量(6×1)；p_d表示末端给定位姿向量，通过变换就可以得到末端速度的控制表达式：增加到原有位置控制的反馈环路当中，就可以实现阻抗控制器设计，如图5所示。注：上一步前进方向(y)上得的K_p只是K_p矩阵中的一个元素。

所述“倾斜支撑脚面的平衡稳定控制”包括：

脚面状态估计，如图6所示，当前脚1着地稳妥后，随后前脚将处于支撑脚，此时需要前脚踝关节的位置和姿态控制仿人机器人质心和摆动腿的运动，因此需要对前脚踩在不平整地面的位置和姿态进行估计。通过双脚支撑期已知后脚2的位置和姿态通过正运动学计算前脚的位置和姿态，同时需要安装在脚面上的IMU(惯性测量单元)进行脚面倾角的校正；同时，六维力传感器固定在仿人机器人的脚踝位置处实现脚面COP(压力中心)的测量，以保证仿人机器人的压力中心处于稳定区域内，当脚面倾斜时，需要利用脚与地面的接触状态，得到与稳定裕度相关的有效脚面积，如图7所示，当仿人机器人平衡所需压力中心处于有效脚面积内，仿人机器人能够保持稳定，当所需压力中心跑到有效脚面积范围之外，脚面将会发生翻转，导致不稳定。因此通过控制六维力传感器测量的压力中心处于有效脚面积内就能实现仿人机器人在不平整地面行走的稳定控制。

基于质心加速度的仿人机器人平衡稳定控制，得到支持脚面信息后，利用仿人机器人的桌子-小车简化模型，如图8所示，可以对初始规划进行基于压力中心的加速度控制。具体分析如下：由于初始步态规划针对的是地面平坦，有可能会出现图8中1所示的规划数据，此时若仿人机器人支撑脚是全脚面平坦接触，仿人机器人能够保持平衡稳定，然而当支撑脚处于不平整地面的倾斜接触，由于所需COP跑出有效脚面积，仿人机器人会失去平衡，向前翻倒。此时需要对仿人机器人质心加速度进行调节，如图8中2所示，减小质心加速度，使地面反力符合约束条件即COP处于有效脚面范围。通过支撑脚底COP的实时反馈控制，调节加速度实现平衡控制。通过桌子-小车模型的动力学约束方程，可以推导得出倾斜脚面压力中心与质心加速度的关系式：

其中，y_COP是指脚面上压力中心的位置(相对脚踝坐标系Σ_A)，y表示质心位置，z_C表示质心高度，表示脚面倾角，表示质心加速度，g表示重力加速度。

采用作为控制算法能够有效的控制质心加速度，使得所需压力中心处于有效脚面积内，实现仿人机器人不平整地面行走的稳定控制。

本发明实施例通过仿人机器人脚底传感器检测到的着地信息，决策脚面旋转方向和着地二维弹簧阻尼模型的刚度系数，并以阻抗模型实现着地柔顺控制。采用正运动学算法和脚面状态传感器对支撑脚面进行状态估计，并得出支撑脚的有效脚面积；采用桌子-小车模型控制仿人机器人质心加速度，以保证不平整地面行走所需压力中心处于有效脚面积内，实现行走的稳定控制。本发明实施例具有实际应用价值，不仅能够有效提高仿人机器人平整地面行走的稳定性还能够实现不平整地面行走，有效地提高仿人机器人在应用过程中的安全性。

本发明实施例在阐述的过程中，采用一些特殊化和简化方式(2维简化)，但这并不影响发明方法的一般化和拓展应用。

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 (5)

1.一种仿人机器人不平整地面行走的稳定控制方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1，检测仿人机器人摆动腿是否着地及其压力中心COP的信息；

步骤2，根据摆动腿检测的COP信息决定脚面旋转方向，设置阻抗控制参数，从而得到较大的稳定区域；

步骤3，控制脚底板与地面的阻抗，实现摆动脚的软着地，减少地面冲击力；

步骤4，摆动腿软着地踩踏实后，通过正运动学的状态估计和脚面陀螺仪的测量，得到脚面的相关位置和姿态信息；

步骤5，基于倾斜支撑脚面压力中心处于有效脚面积内的稳定控制，保证仿人机器人在不平整地面行走的平衡稳定性；

所述步骤1包括使用脚踝六维力传感器检测所述摆动腿的脚面是否与地面接触，以及通过COP(压力中心)的计算得到最初接触位置(x_s,y_s)，所述六维力传感器的安装位置中心为脚底COP测量坐标系原点；然后依据(x_s,y_s)决定着地脚面的旋转方向以及脚面与地面之间的二阶阻抗接触模型的刚度系数K_p和阻尼系数K_d。

2.根据权利要求1所述的稳定控制方法，其特征在于，所述步骤2中的决定脚面旋转方向进一步包括：

当-L_back≤y_s＜0，脚后跟先着地，脚面朝脚尖方向旋转，采用被动柔顺控制，而且y_s越大，阻抗控制的刚度系数K_p越大；

当L_mid＜y_s≤L_front，脚尖先着地，脚面朝脚后跟方向旋转，采用被动柔顺控制，而且y_s越大，阻抗控制的刚度系数K_p越小；

当0≤y_s≤L_mid，脚底中部着地，脚面朝脚尖方向旋转，采用主动柔顺控制，而且y_s越大，阻抗控制的刚度系数K_p越小；

式中L_front为所述六维力传感器的安装位置中心到脚面前端的距离，L_back为所述六维力传感器的安装位置中心到脚面后端的距离，L_mid为六维力传感器的安装位置中心到脚底板形心位置的距离。

3.根据权利要求2所述的稳定控制方法，其特征在于，所述步骤3中的控制脚底板与地面的阻抗进一步包括：构建脚面与地面的二阶弹簧阻尼模型，得到地面反力与脚面位置和姿态关系表达式，p_e＝p-p_d，其中p表示末端实际位姿向量(6×1)；p_d表示末端给定位姿向量，通过变换就可以得到末端速度的控制表达式：

增加到原有位置控制的反馈环路当中，实现阻抗控制器设计，所述步骤2中的阻抗控制参数只是K_p矩阵中的一个元素。

4.根据权利要求3所述的稳定控制方法，其特征在于，所述步骤4中进一步包括：

通过双脚支撑期已知后脚的位置和姿态通过正运动学计算前脚的位置和姿态，同时需要安装在脚面上的惯性测量单元IMU进行脚面倾角的校正；同时，六维力传感器固定在仿人机器人的脚踝位置处实现脚面压力中心COP的测量，以保证仿人机器人的压力中心处于稳定区域内，当脚面倾斜时，需要利用脚与地面的接触状态，得到与稳定裕度相关的有效脚面积，当仿人机器人平衡所需压力中心处于有效脚面积内，仿人机器人能够保持稳定，当所需压力中心跑到有效脚面积范围外，脚面将会发生翻转，导致不稳定。

5.根据权利要求4所述的稳定控制方法，其特征在于，所述步骤5中进一步包括：

基于质心加速度的仿人机器人平衡稳定控制，得到支持脚面信息后，利用仿人机器人的桌子-小车简化模型的动力学约束方程，推导得出倾斜脚面压力中心与质心加速度的关系式：

其中，y_COP是指脚面上压力中心的相对脚踝坐标系Σ_A的位置，y表示质心位置，z_C表示质心高度，表示脚面倾角，表示质心加速度，g表示重力加速度。