CN107168351A - 一种足式机器人的柔顺控制方法及装置 - Google Patents

一种足式机器人的柔顺控制方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种足式机器人的柔顺控制方法及装置，其包括：根据置于足式机器人足端的弹性元件在碰撞发生时刻的速度与受力关系定义足式机器人的足端期望参数；根据足端期望参数，采用逆运动学解逆算法确定足式机器人腿部关节的期望角度；根据腿部关节期望角度的闭环控制调整足式机器人的位姿。本发明提供的技术方案对足式机器人足端与周围环境的碰撞力进行柔顺控制，改变了足式机器人在运动中的步态；无需利用足式机器人腿部驱动部件力传感器信息参与，简单易行且控制效果良好。

Description

一种足式机器人的柔顺控制方法及装置
技术领域
本发明涉及一种控制方法及装置，具体涉及一种足式机器人的柔顺控制方法及装置。
背景技术
足式机器人的运动由静态行走，向跳跃、奔跑等高速动态运动延伸，传统的刚性机体结构无法实现这些高级运动功能，机构的柔顺化是提高足式机器人运动性能的必然要求。足式机器人的柔顺性是指机器人适应地面环境变化的能力，表现为多肢体步态的协调性，足端与地面接触的柔顺性(即冲击力小)等方面。提高机器人的柔顺性有两种途径：即主动柔顺控制和被动柔顺控制。
主动柔顺控制是指机器人在与环境接触时通过自身的控制实现与环境的柔性接触。对于控制足端力闭环的主动柔顺性控制方法来说，通常由上层解算出的足端期望力，经过雅克比变换换算成各驱动机构的期望力或转矩，由驱动控制器实现驱动机构的力或转矩闭环。此种方法需要测量各驱动机构的转矩，成本高，在非结构化环境下控制效果差。
发明内容
为克服现有技术的缺陷，本发明提出一种足式机器人的柔顺控制方法及装置，将足端力的控制转化为足端位置控制，使力的控制通过位置控制得以实现，弥补了传统主动柔顺性控制的不足，提升了结构化环境下的柔顺性控制效果。
为了实现上述目的，包括以下步骤：
一种足式机器人的柔顺控制方法，所述方法包括：
根据置于足式机器人足端的弹性元件在碰撞发生时刻的速度与受力关系定义足式机器人的足端期望参数；
根据足端期望参数，采用逆运动学解逆算法确定足式机器人腿部关节的期望角度；
根据腿部关节期望角度的闭环控制调整足式机器人的位姿。
优选的，所述弹性元件在碰撞发生时刻的速度v与受力F关系如下式所示：
F＝∫kvdt (1)
其中，k为弹性元件的弹性系数，ν为弹性元件的速度， 为弹性元件所受力的微分，dt为相邻两个控制时间差。
优选的，所述足式机器人的足端期望参数足包括足端期望速度νd和足端期望位置pf,d；其中，
按下式确定足式机器人的足端期望速度νd：
其中，νd为足端期望速度，为足端受力的微分，Fd为足端期望力，Fa为足端实际力；
按下式确定足式机器人在每个步态控制周期内的足端期望位置pf,d：
pf,d＝pf,a+vd·dt (3)
其中，pf,a为足端实际位置。
优选的，按下式确定腿部关节的期望角度qd：
qd＝IK(pf,d) (4)
其中，IK为腿部各关节运动学逆解，pf,d为足式机器人在每个步态控制周期内的足端期望位置。
优选的，所述根据各关节期望角度的闭环控制改变足式机器人的位姿包括：将足式机器人腿部各关节的关节期望角度输入至设于足式机器人中的位姿闭环控制器，输出足式机器人腿部各关节的位置。
一种足式机器人的柔顺控制装置，所述装置包括力控制模块、足端控制模块和闭环控制模块；其中，
所述力控制模块，用于根据置于足式机器人足端的弹性元件在碰撞发生时刻的速度与受力关系定义足式机器人的足端期望参数；
所述位置控制模块，用于根据足端期望参数，采用逆运动学解逆算法确定足式机器人腿部关节的期望角度；
所述闭环控制模块，用于根据腿部关节期望角度的闭环控制调整足式机器人的位姿。
优选的，所述足式机器人，包括分别设置于身体上的位姿闭环控制器部和足端内的弹性元件；
所述弹性元件，用于以液压驱动或者电驱动的驱动方式与周围环境产生弹性碰撞；其中，所述弹性元件包括液压缸和电机。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：
针对在足式机器人行走的过程中，足端与周围环境发生多次碰撞，极大地影响步态控制效果及其动态稳定性。本发明提出一种足式机器人柔顺控制方法及装置，对足式机器人足端与周围环境的碰撞力进行柔顺控制。通过根据置于足式机器人足端的弹性元件在碰撞发生时刻的速度与受力关系定义足式机器人的足端期望参数；根据足端期望参数，采用逆运动学解逆算法确定足式机器人腿部关节的期望角度；根据腿部关节期望角度的闭环控制调整足式机器人的位姿。使得足式机器人在运动中的步态得到有效的控制，从而提高了柔顺力性和动态稳定性。
无需利用足式机器人腿部驱动部件力传感器信息参与，仅仅利用足式机器人运动控制所必须的腿部驱动机构的位置闭环控制即可实现腿部足端三维力的闭环，从而满足足式机器人足端柔顺性控制的要求，省去了腿部驱动机构力或转矩传感器，简单易行且控制效果良好。特别适用于非结构化环境足地接触发生变化的情况。
附图说明
图1为本发明实施例中提供的足式机器人柔顺控制方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面按照实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
针对在足式机器人行走的过程中，足端与周围环境发生多次碰撞，极大地影响步态控制效果及其动态稳定性。本发明提出一种足式机器人柔顺控制方法及装置，对足式机器人足端与周围环境的碰撞力进行柔顺控制，从而改变足式机器人在运动中的步态；无需利用足式机器人腿部驱动部件力传感器信息参与，简单易行且控制效果良好。
本发明可应用于双足、四足、六足机器人等多足机器人。足式机器人行走的过程，可以看作足端不断和周围环境发生碰撞的过程，足端与周围环境所发生碰撞的方式极大地影响步态控制效果及其动态稳定性。碰撞分为两种方式：硬性碰撞与弹性碰撞。硬性碰撞发生在一瞬间，两碰撞物体之间的作用力非常大，可能对碰撞物体产生很大的破坏作用。弹性碰撞，由于中间弹性元件的缓冲，碰撞要持续一段时间，碰撞过程中的力是持续变化的。此处的弹性元件，可以为通常意义上的弹簧，也可以指液压系统的液压缸、电动机中的齿轮、轴等，而足式机器的驱动方式大多为液压驱动或者电驱动，其腿端的液压缸或电机可以看作足端的弹性元件。因而，足式机器人的足端与周围环境的碰撞可以看作弹性碰撞，实现其足端与周围环境弹性碰撞过程中的碰撞力控制，便实现足端与周围环境的柔顺性控制。其中，本实施例涉及的足式机器人柔顺控制方法，如图1所示，其方法包括以下步骤：
(1)根据置于足式机器人足端的弹性元件在碰撞发生时刻的速度与受力关系定义足式机器人的足端期望参数；
对于运动中含有弹性元件的物体，通过下式确定弹性元件在碰撞发生时刻速度与受力的关系：
F＝∫kvdt (1)
其中，k为弹性元件的弹性系数，ν为弹性元件的速度， 为弹性元件所受力的微分，dt为相邻两个控制时间差。
通过下式确定足端期望速度νd：
其中，νd为足端期望速度，为足端受力的微分，Fd为足端期望力，Fa为足端实际力。
根据速度与受力的关系定义足式机器人的足端期望速度，并结合足端实际位置确定足式机器人在每个步态控制周期内的足端期望位置；
足式机器人在每个步态控制周期内的足端期望位置pf,d通过下式确定：
pf,d＝pf,a+vd·dt (3)
其中，pf,a为足端实际位置。
(2)根据足端期望参数，采用逆运动学解逆算法确定足式机器人腿部关节的期望角度；
腿部各关节的关节期望角度通过下式确定qd：
qd＝IK(pf,d) (4)
其中，IK为腿部各关节运动学逆解，pf,d为足式机器人在每个步态控制周期内的足端期望位置。
(3)根据腿部关节期望角度的闭环控制调整足式机器人的位姿。
将足式机器人腿部各关节的关节期望角度输入至设于足式机器人中的位姿闭环控制器，输出足式机器人腿部各关节的位置。
基于同一发明构思，本发明还提供一种足式机器人的柔顺控制装置。其中，足式机器人包括分别设置于身体上的位姿闭环控制器部和足端内的弹性元件；
所述弹性元件，用于以液压驱动或者电驱动的驱动方式与周围环境产生弹性碰撞；其中，弹性元件包括液压缸和电机。
而足式机器人的柔顺控制装置包括力控制模块、位置控制模块和闭环控制模块；
力控制模块，用于根据置于足式机器人足端的弹性元件在碰撞发生时刻的速度与受力关系定义足式机器人的足端期望参数；足式机器人的足端期望参数足包括：足端期望速度和足端期望位置；
位置控制模块，用于根据足端期望参数，采用逆运动学解逆算法确定足式机器人腿部关节的期望角度；
闭环控制模块，用于根据腿部关节期望角度的闭环控制调整足式机器人的位姿。
其中，力控制模块，包括受力分析单元、足端期望速度获取单元和足端期望位置获取单元；
受力分析单元，用于通过下式确定弹性元件在碰撞发生时刻的速度v与受力F关系：
F＝∫kvdt (1)
其中，k为弹性元件的弹性系数，ν为弹性元件的速度， 为弹性元件所受力的微分，dt为相邻两个控制时间差。
所述足端期望速度获取单元，用于按下式确定足式机器人的足端期望速度νd：
其中，νd为足端期望速度，为足端受力的微分，Fd为足端期望力，Fa为足端实际力；
足端期望位置获取单元，用于按下式确定足式机器人在每个步态控制周期内的足端期望位置pf,d：
pf,d＝pf,a+vd·dt
(3)
其中，pf,a为足端实际位置。
位置控制模块，包括期望角度获取单元，用于按下式确定腿部关节的期望角度qd：
qd＝IK(pf,d) (4)
其中，IK为腿部各关节运动学逆解，pf,d为足式机器人在每个步态控制周期内的足端期望位置。
闭环控制模块，包括输入单元和输出单元；
输入单元，用于将足式机器人腿部各关节的关节期望角度输入至设于足式机器人中的位姿闭环控制器；
输出单元，用于输出足式机器人腿部各关节的位置。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种足式机器人的柔顺控制方法，其特征在于，所述方法包括：
根据置于足式机器人足端的弹性元件在碰撞发生时刻的速度与受力关系定义足式机器人的足端期望参数；
根据足端期望参数，采用逆运动学解逆算法确定足式机器人腿部关节的期望角度；
根据腿部关节期望角度的闭环控制调整足式机器人的位姿。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述弹性元件在碰撞发生时刻的速度v与受力F关系如下式所示：
F＝∫kvdt (1)
其中，k为弹性元件的弹性系数，ν为弹性元件的速度， 为弹性元件所受力的微分，dt为相邻两个控制时间差。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述足式机器人的足端期望参数足包括足端期望速度νd和足端期望位置pf,d；其中，
按下式确定足式机器人的足端期望速度νd：
<mrow> <msub> <mi>v</mi> <mi>d</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mover> <mi>F</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mrow> <mi>l</mi> <mi>e</mi> <mi>g</mi> </mrow> </msub> <mi>k</mi> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>F</mi> <mi>d</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>F</mi> <mi>a</mi> </msub> </mrow> <mi>k</mi> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中，νd为足端期望速度，为足端受力的微分，Fd为足端期望力，Fa为足端实际力；
按下式确定足式机器人在每个步态控制周期内的足端期望位置pf,d：
pf,d＝pf,a+vd·dt (3)
其中，pf,a为足端实际位置。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，按下式确定腿部关节的期望角度qd：
qd＝IK(pf,d) (4)
其中，IK为腿部各关节运动学逆解，pf,d为足式机器人在每个步态控制周期内的足端期望位置。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据各关节期望角度的闭环控制改变足式机器人的位姿包括：将足式机器人腿部各关节的关节期望角度输入至设于足式机器人中的位姿闭环控制器，输出足式机器人腿部各关节的位置。
6.一种足式机器人的柔顺控制装置，其特征在于，所述装置包括足端力控制模块、足端位置控制模块和闭环控制模块；其中，
所述足端力控制模块，用于根据置于足式机器人足端的弹性元件在碰撞发生时刻的速度与受力关系定义足式机器人的足端期望参数；
所述足端位置控制模块，用于根据足端期望参数，采用逆运动学解逆算法确定足式机器人腿部关节的期望角度；
所述闭环控制模块，用于根据腿部关节期望角度的闭环控制调整足式机器人的位姿。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述足式机器人，包括分别设置于身体上的位姿闭环控制器部和足端内的弹性元件；
所述弹性元件，用于以液压驱动或者电驱动的驱动方式与周围环境产生弹性碰撞；其中，所述弹性元件包括液压缸和电机。
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