CN109032142A - 一种含腰部结构的双足机器人设计以及反馈控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种含腰部结构的双足机器人设计以及反馈控制方法，针对双足机器人缺少腰部调整结构而借助踝关节和髋关节来调节重心位置稳定行走，造成踝关节和髋关节大力距工作而寿命骤减问题，提出增加腰部结构，经过力学建模和分析，得到腰部结构设计方法和优化评估方法；同时，在双足机器人行走过程中，通过实时采集腰部俯仰角和翻滚角，结合基于腰部调整的反馈控制方法，在线调整机器人腰部姿态，使机器人重心投影点始终落在脚掌支撑多边形范围内。本发明能够让双足机器人通过腰部反馈调整质心分布达到稳定行走的目的，且提出有效的腰部结构设计和评估方法，具有理论指导和应用价值。

Description

一种含腰部结构的双足机器人设计以及反馈控制方法

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种含腰部结构的双足机器人设计以及反馈控制方法。

背景技术

双足机器人的行走主要是下肢机构完成，而双足机器人的下肢机构具有较多的自由度，目前科学研究研制的机器人，通常配置有髋关节俯仰、滚动、偏摆自由度，膝关节俯仰自由度踝关节有俯仰、滚动自由度，共有12自由度。机器人执行机构主要有液压装置以及电机驱动装置，中小型双足机器人因为设计尺寸和高效要求，很多是采用电机+减速器驱动。因此，设计中小型双足机器人，配置多少机器人自由度也就对应配置多少电机和减速器。

然而基于上述内容，设计出的双足机器人，需要规划机器人用于行走步态的步态，很多实用的步态是基于多连杆模型或其发展形式规划的，首先规划处机器人主要关节的运动轨迹，在通过几何关系求得其他关节的运动轨迹，这种步态也是一种离线计算方法实现。在实际运行过程中不可避免会受到外界的干扰，可能还会有自身的干扰，例如机器人因整体刚度不足而晃动，地面不平等，这些会影响行走稳定性，而且这些影响还是会有积累的性质，使得机器人越走越晃，最终摔倒。因此在使用规划好的步态时，还需要对步态进行实时反馈控制，以解决机器人在行走的过程中的不稳定问题。

双足机器人的规划步行周期分为单足支撑期和双足支撑期，一般而言双足支撑期移动腰部是比较稳定的，单足支撑期摆腿，摆动腿向前摆动和落地都会对机器人稳定性冲击较大。传统的方法时时刻检测各个位置的电机转动状态，然后进行调整，主要调整位置是踝关节和髋关节，但是调整踝关节很小的角度和速度，机器人的上身躯干将偏转很大的弧度和速度，机器人可能更加不稳定，这对控制器和控制算法水平要求更高，成本显著增加。

申请号为201010269916.9的中国专利公开一种消除双足仿人机器人上身姿态晃动的控制方法，该方法通过姿态传感器测量机器人上身的规划姿态，姿态传感器装配在上身躯干内部，然后根据检测上身倾角和原始规划步态的上身倾角进行比对修正，对应着调整腰部关节的俯仰和滚动两个自由度。该方法使用姿态传感器测量的上身倾角是完全脱离下身实际运行姿态得到的数据，不能解决由下身受外界扰动或下身自身因素造成不稳定行走的问题。该方法使用在机器人重心投影点偏出ZMP支撑多边形范围时，若还是修正倾角契合原始规划的上身姿态，加上下身姿态早已偏出原始规划姿态，这将不能控制机器人状态。

发明内容

针对现有技术中的上述技术问题，本发明的目的在于提出一种含腰部结构的双足机器人设计以及反馈控制方法，针对双足机器人缺少腰部调整结构而借助踝关节和髋关节来调节重心位置稳定行走，造成踝关节和髋关节大力距工作而寿命骤减问题，提出增加腰部结构，经过力学建模和分析，得到腰部结构设计方法和优化评估方法。

本发明的上述技术目的通过以下技术方案实现：

一种含腰部结构的双足机器人设计方法，包括以下步骤：

步骤一，配置双足机器人整体自由度，所述整体自由度包括下肢自由度和腰部自由度；

步骤二，设计双足机器人结构参数，使之满足单足支撑平衡条件；

步骤三，基于腰部调整的灵敏度参数对所述结构参数进行评估和优化。

进一步的，步骤一中，所述下肢自由度包括双脚踝俯仰和滚转4个自由度、双膝俯仰2个自由度、双髋俯仰和滚转4个自由度，所述腰部自由度包括腰部俯仰、滚转、偏航4个自由度。

进一步的，步骤二中，所述结构参数设计满足如下单足支撑平衡条件：

其中F₃为支撑腿地面作用力，M₁为支撑腿质量，M₂为非支撑腿质量，M₃为躯干质量，g为重力加速度，θ₁为腰部调节躯干最大偏转角，L₂为腰部宽度，L₄为躯干质心距离腰部中心高度。

进一步的，步骤三中，所述基于腰部调整的灵敏度参数定义为：

其中S_F为正面腰部调整的灵敏度参数，β为躯干控制输出滚转角度，θ为测量腰部平板的滚转角；S_L为侧面腰部调整的灵敏度参数，β’为躯干控制输出俯仰角度，θ’为测量腰部平板的俯仰角。

进一步的，步骤三中，基于腰部调整的灵敏度参数对所述结构参数进行评估和优化具体包括：

若所述正面腰部调整的灵敏度参数S_F和侧面腰部调整的灵敏度参数S_L的值均处于合格范围(1.0～1.6)内，则结构参数合理；

若所述正面腰部调整的灵敏度参数S_F或侧面腰部调整的灵敏度参数S_L的值小于1.0，则结构参数设计错误，需重新设计；

若所述正面腰部调整的灵敏度参数S_F或侧面腰部调整的灵敏度参数S_L的值大于1.6，则通过增加躯干质量M₃，以及适当增加躯干质心距离腰部中心高度L₄，降低S_F和S_L值至合格范围。

另一方面，本发明的目的还在于在双足机器人行走过程中，通过实时采集腰部俯仰角和翻滚角，结合基于腰部调整的反馈控制方法，在线调整机器人腰部姿态，使机器人重心投影点始终落在稳定行走支撑多边形范围内。

本发明的上述技术目的通过以下技术方案实现：

一种含腰部结构的双足机器人的反馈控制方法，包括以下步骤：

步骤一，利用IMU惯性测量单元实时测量机器人的腰部平板的仰俯角和滚转角；

步骤二，保持双足机器人下肢的规划轨迹不变，只对腰部关节进行实时反馈控制，使重心投影点始终落在脚掌支撑多边形范围内。

进一步的，步骤一中，所述IMU惯性测量单元安装于腰部平板的中间位置；所述腰部平板和上下半身用驱动结构连接，其中上半身和腰部平板通过具有滚转俯仰两自由度的腰部结构连接，下半身和腰部平板通过具有转向自由度的腰部结构连接。

进一步的，步骤二中，腰部关节的驱动控制模型为：

正面方向：β_n＝θ_n+arcsin(sinαsinθ_n(L₁/L₄+M₁(3L₁-L₃)/(2M₃L₄)))

其中下标n表示第n次采样时刻，θ_n为IMU惯性测量单元测量腰部平板的滚转角，α为规划步态踝关节极限转角，M₁为支撑腿质量，M₃为躯干质量，L₁为腿长，L₃为摆动腿长，L₄为躯干质心距离腰部中心高度，β_n为躯干控制输出滚转角度；

侧面方向：β_n'＝θ_n'+arcsin(sinθ_n'(M₁+M₃)L₁/(L₄M₃))

其中θ_n'为IMU惯性测量单元测量腰部平板的俯仰角，M₁为支撑腿质量，M₃为躯干质量，L₁为腿长，L₄为躯干质心距离腰部中心高度，β_n'为躯干控制输出俯仰角度。

本发明的有益效果在于：本发明避免了测量下身各个驱动电机的转角，和调整踝关节、髋关节的角度调节机器人重心投影位置产生的灵敏性弱和寿命减少问题，通过采集腰部平板的倾角姿态，侧面反映机器人的下肢状态，进而调整上身躯干重心位置来调整机器人重心的位置，使整体重心投影落在脚底支撑多边形内。本发明让双足机器人通过腰部反馈调整质心分布达到稳定行走的目的，提出了双足机器人的结构设计和优化评估方法，具有很强的实践指导价值。

附图说明

图1是本发明的双足机器人腰部结构设计方法自由度配置图；

图2是本发明的双足机器人腰部结构设计方法参数设计示意图；

图3是本发明的双足机器人腰部结构设计方法的评估优化及基于腰部调整(正面方向)的反馈控制方法示意图；

图4是本发明的双足机器人基于腰部调整(侧面方向)的反馈控制方法示意图；

其中，q1～q14对应配置的14个自由度；M₁为右腿质量，M₂为左腿质量，M₃为躯干质量，L₁为腿长，L₂为腰部宽度，L₄为躯干质心距离腰部中心高度，θ₁为腰部调节躯干最大偏转角；L₃为摆动腿长，θ为IMU测量腰部平板的滚转角，α为规划步态踝关节极限转角，β为躯干控制输出滚转角度；θ’为IMU测量腰部平板的俯仰角，β’为躯干控制输出俯仰角度。

具体实施方式

为了便于本领域人员更好的理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明，下述仅是示例性的不限定本发明的保护范围。

如图1，本发明的双足机器人配置了14个自由度q1～q14，包括双脚踝俯仰和滚转4个自由度(q5、q6、q11、q12)、双膝俯仰2个自由度(q4、q10)、双髋俯仰和滚转4个自由度(q3、q2、q8、q9)、腰部俯仰滚转偏航4个自由度(q1、q7、q13、q14)。

如图2，将双足机器人上半身质量M3集于一点，距离腰部垂直距离L2；将左右腿质量M1、M2也基于腿中点，腿长L1；髋关节中心距离L2。双足机器人分布质量能够满足腰部调整质心分布的要求，双足机器人结构设计中上半身质量M3、腰部调节上半身偏转角θ1，以及基本的模型尺寸的设计需要规范，当双足机器人双足直立时，调整腰部滚转角，使单足能支撑整个机器人，另外一只足部底部不受任何地面反力。参数设计满足如下单足支撑平衡条件：

其中F₃为支撑腿地面作用力，M₁为支撑腿质量，M₂为非支撑腿质量，M₃为躯干质量，g为重力加速度，θ₁为腰部调节躯干最大偏转角，L₂为腰部宽度，L₄为躯干质心距离腰部中心高度。

如图3，利用腰部调整质心的双足机器人模型评估的灵敏度评估可以直观反映利用腰部调整双足机器人质心的速度和效率。当双足机器人向右移动重心超过支撑多边形后，右脚踝关节较极限位置多偏转θ角，腰部也将会翘起θ角，向左调整躯干的偏转角β，使重心投影重新回到支撑多边形内；当双足机器人向左移动重心超过支撑多边形后，左脚踝关节较极限位置多偏转θ角，腰部也将会下落θ角，向右调整躯干的偏转角β，使重心投影重新回到支撑多边形内。上述为正面方向调整，侧面方向同理可知，基于腰部调整的灵敏度参数定义为：

其中S_F为正面腰部调整的灵敏度参数，β为躯干控制输出滚转角度，θ为测量腰部平板的滚转角；S_L为侧面腰部调整的灵敏度参数，β’为躯干控制输出俯仰角度，θ’为测量腰部平板的俯仰角。

若灵敏度参数S_F和S_L值处于合格范围(1.0～1.6)，结构参数合理；S_F和S_L的值不可能小于1.0，若小于则结构设计错误；若S_F和S_L的值大于1.6，结构参数通过增加躯干质量M₃，适当增加躯干质心距离腰部中心高度L₄，降低S_F和S_L值至合格范围。

本发明的腰部平板和上下半身用驱动结构连接，其中上半身和腰部平板是具有两自由度的腰部结构连接，下半身和腰部平板是具有转向自由度的腰部结构连接。

本发明的IMU惯性测量单元测量机器人的腰部平板的仰俯角和滚转角，安装位置位于腰部平板的中间位置；

如图3、4，利用IMU惯性测量单元实时测量机器人的腰部平板的仰俯角和滚转角，保持下肢的规划轨迹不变，只对腰部关节进行实时反馈控制，腰部关节的驱动控制模型为：

正面方向：β_n＝θ_n+arcsin(sinαsinθ_n(L₁/L₄+M₁(3L₁-L₃)/(2M₃L₄)))

其中下标n表示第n次采样时刻，θ_n为IMU惯性测量单元测量腰部平板的滚转角，α为规划步态踝关节极限转角，M₁为支撑腿质量，M₃为躯干质量，L₁为腿长，L₃为摆动腿长，L₄为躯干质心距离腰部中心高度，β_n为躯干控制输出滚转角度；

侧面方向：β_n'＝θ_n'+arcsin(sinθ_n'(M₁+M₃)L₁/(L₄M₃))

其中θ_n'为IMU惯性测量单元测量腰部平板的俯仰角，M₁为支撑腿质量，M₃为躯干质量，L₁为腿长，L₄为躯干质心距离腰部中心高度，β_n'为躯干控制输出俯仰角度。

上述实施例仅仅是本发明技术构思实现形式的列举，本发明的保护范围不仅限于上述实施例，本发明的保护范围可延伸至本领域技术人员根据本发明的技术构思所能想到的等同技术手段。

Claims (8)

1.一种含腰部结构的双足机器人设计方法，包括以下步骤：

步骤一，配置双足机器人整体自由度，所述整体自由度包括下肢自由度和腰部自由度；

步骤二，设计双足机器人结构参数，使之满足单足支撑平衡条件；

步骤三，基于腰部调整的灵敏度参数对所述结构参数进行评估和优化。

2.如权利要求1所述的双足机器人设计方法，其特征在于：步骤一中，所述下肢自由度包括双脚踝俯仰和滚转4个自由度、双膝俯仰2个自由度、双髋俯仰和滚转4个自由度，所述腰部自由度包括腰部俯仰、滚转、偏航4个自由度。

3.如权利要求1所述的双足机器人设计方法，其特征在于：步骤二中，所述结构参数设计满足如下单足支撑平衡条件：

其中F₃为支撑腿地面作用力，M₁为支撑腿质量，M₂为非支撑腿质量，M₃为躯干质量，g为重力加速度，θ₁为腰部调节躯干最大偏转角，L₂为腰部宽度，L₄为躯干质心距离腰部中心高度。

4.如权利要求1所述的双足机器人设计方法，其特征在于：步骤三中，所述基于腰部调整的灵敏度参数定义为：

其中S_F为正面腰部调整的灵敏度参数，β为躯干控制输出滚转角度，θ为测量腰部平板的滚转角；S_L为侧面腰部调整的灵敏度参数，β’为躯干控制输出俯仰角度，θ’为测量腰部平板的俯仰角。

5.如权利要求4所述的双足机器人设计方法，其特征在于，步骤三中，基于腰部调整的灵敏度参数对所述结构参数进行评估和优化具体包括：

若所述正面腰部调整的灵敏度参数S_F和侧面腰部调整的灵敏度参数S_L的值均处于合格范围(1.0～1.6)内，则结构参数合理；

若所述正面腰部调整的灵敏度参数S_F或侧面腰部调整的灵敏度参数S_L的值小于1.0，则结构参数设计错误，需重新设计；

若所述正面腰部调整的灵敏度参数S_F或侧面腰部调整的灵敏度参数S_L的值大于1.6，则通过增加躯干质量M₃，以及适当增加躯干质心距离腰部中心高度L₄，降低S_F和S_L值至合格范围。

6.一种含腰部结构的双足机器人的反馈控制方法，包括以下步骤：

步骤一，利用IMU惯性测量单元实时测量机器人的腰部平板的仰俯角和滚转角；

步骤二，保持双足机器人下肢的规划轨迹不变，只对腰部关节进行实时反馈控制，使重心投影点始终落在脚掌支撑多边形范围内。

7.如权利要求6所述的反馈控制方法，其特征在于：步骤一中，所述IMU惯性测量单元安装于腰部平板的中间位置；所述腰部平板和上下半身用驱动结构连接，其中上半身和腰部平板通过具有滚转俯仰两自由度的腰部结构连接，下半身和腰部平板通过具有转向自由度的腰部结构连接。

8.如权利要求6所述的反馈控制方法，其特征在于：步骤二中，腰部关节的驱动控制模型为：

正面方向：β_n＝θ_n+arcsin(sinαsinθ_n(L₁/L₄+M₁(3L₁-L₃)/(2M₃L₄)))

其中下标n表示第n次采样时刻，θ_n为IMU惯性测量单元测量腰部平板的滚转角，α为规划步态踝关节极限转角，M₁为支撑腿质量，M₃为躯干质量，L₁为腿长，L₃为摆动腿长，L₄为躯干质心距离腰部中心高度，β_n为躯干控制输出滚转角度；

侧面方向：β_n'＝θ_n'+arcsin(sinθ_n'(M₁+M₃)L₁/(L₄M₃))

其中θ_n'为IMU惯性测量单元测量腰部平板的俯仰角，M₁为支撑腿质量，M₃为躯干质量，L₁为腿长，L₄为躯干质心距离腰部中心高度，β_n'为躯干控制输出俯仰角度。