CN110181541B - 一种双足跑跳机器人转向控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双足跑跳机器人转向控制方法，该方法包括踝关节力矩控制方法和调节腿长控制方法；所述踝关节力矩控制方法是指通过左右踝俯仰关节在不同支撑相期间施加不同力矩，从而对机器人躯干产生偏转作用，在时间的积分作用下产生偏转角度，从而完成机器人的转向控制；所述调节腿长控制方法指在机器人跑动步态中通过修改左右腿长来实现方向调整。将使得机器人可以抵抗外部扰动带来的转向扰动，以及实现自主转向控制，在整体机构设计上具有更好的简易性和实用性，降低开发成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种机器人控制方法，特别是一种双足跑跳机器人转向控制方法。
背景技术
双足机器人因其类人的物理结构使得它可以更好的融入大自然的环境和人的生活环境，其双足结构特点赋予了它类人的行走自由度，离散的落脚点使其可以跨越一定高度的障碍物，具有远超轮式和履带式机器人的机动性和灵活性，比如可以上下阶梯、顺利通过杂乱无章的不平整地面、甚至在面对很高障碍物时通过手足并用方式也可以顺利翻越。因此在服务、救援、以及人机协作等应用领域的前景较为广泛。在服务领域，双足机器人在不改变环境及外部设施的情况下可以更好的适应台阶、不平整路面，迅速适应人类的生活和工作环境，而且双足机器人具有和人相似的形态结构，具备双足运动可以使人共情，带来人文关怀；救援领域双足机器人可以较顺利地通过人类生活的区域，跨越障碍深入到灾害中心进行救援，如地震、塌方现场等；在特种领域，足式结构可以赋予机器人更灵活的运动模式，可以深入野外崎岖地形，执行特种任务，如侦查和勘探等。然而，目前绝大多数双足机器人仍然是通过双足步行实现运动的，但在运动速度上受到较大的限制。然而，就像自然界的动物和人一样，通过跑跳的方式可以有效提升运动的速度，但是在控制方面也带来了诸多挑战，比如跑跳时如何实现机器人的转弯就是一个有趣的研究课题。
跑跳相对于行走具有更快的运动速度和动态性能。这是由于跑跳运动中机器人可以在水平方向提供更大的推力从而实现更加快速的运动，同时在腾空阶段整个身体仍然具有惯性前向速度，因此突破了行走时受到腿长约束的限制而具有更大的跨幅和更好的灵活性。跑跳与行走存在明显的差别。在运动形式上，行走步态始终会有一只脚与面接触，摆动腿在落地时通过脚跟着地，而跑跳则定义为人或动物在运动周期的某时刻足部完全离开地面，通过足的中部着地。因此在跑跳的飞行相，机器人处于无约束的自由翻滚状态，需要在极短的着地支撑相施加精确的力控制作用并调节身体姿态。
目前，可以实现双足跑跳的机器人仍然屈指可数。以MIT腿实验室为代表的科研人员采用液压驱动的方式开发了可以跑跳的双足机器人。1986年，以MIT腿实验室为代表的双足机器人Planar Biped可以看成是世界上第一个成功实现了跑步的平面双足机器人，每条腿部采用点状足和直线腿结构，腿部伸缩和髋关节旋转均由气动驱动，机器人可以实现平面空间约束下的动态稳定跳跃和前向跑动。1989年至1995年，MIT继续研制了三维双足跑跳机器人3D Biped，该机器人的髋关节具有三个自由度，可实现髋关节的前后摆动、左右侧摆和旋转，因此可实现在三维空间内的快速跑跳。2018年，由MIT上述人员创办的波士顿动力公司研制了可以实现跑跳的双足机器人Atlas，最大跑步速度约6-8km/h，甚至可以实现后空翻、跑酷等高难度组合动作。由于液压具有较大的输出功率/质量比优势，因此对机器人重量不太敏感，在机器人具有完整自由度的情况下，也具备较大的运动敏捷性。但是液压也存在缺点，比如价格昂贵、设计和控制复杂、容易漏油且污染环境、以及带动液压泵容易产生较大噪声等问题，因此很多研究人员更倾向于采用电机驱动开发和控制双足机器人。
以日韩为代表的科研机构和公司主要采用电机驱动的方式开发可以跑跳的双足机器人。日本Honda研制的ASIMO机器人，可以实现9km/h的跑步速度，还能以时速5km，按半径2.5m的路线回旋跑动；TOYOTA公司开发的Partner机器人也可实现三维空间的跑跳运动，最大速度为7km/h；Sony公司推出的QRIO跑步机器人，跑步速度约为14m/min；AIST研制的HRP-2LR机器人可以以0.16m/s的平均速度跑步。韩国先进科学技术研究院KAIST研制的仿人机器人HUBO也实现了约3km/h的稳定跑步步态；发布的平面双足机器人Raptor最高速度达到惊人的48km/h，是目前速度最快的双足机器人；由Robotics与SAMSUNG公司共同研制了机器人Robot RX，跑步时速可以达到0.5km/h。但是这些双足跑跳机器人在控制算法上只能适应平整的路面环境，在室外不平整路面上几乎很难实现稳定的跑跳运动。
既采用电机驱动又可以实现室外路面稳定跑跳的双足机器人代表是俄勒冈州立大学、密歇根大学与卡内基梅隆大学联合开发的ATRIAS。该机器人每条腿包含3个自由度，包括髋关节俯仰、髋关节滚动和膝关节俯仰。ATRIAS机器人实现了速度5m/h以上的连续稳定跑跳步态。由于电机驱动能力受限，ATRIAS需要通过减轻自身的重量以达到跳跃和快速跑步的运动效果，因此我们发现ATRIAS机器人是没有手臂、腰关节和髋偏转关节的，也就是该机器人是无法实现自主转弯的，其转弯的方式是通过手工摆动机器人身上的横梁从而迫使其转弯，这种情况导致了该机器人只能实现直线运动，而无法自主实现转向控制，对研究和使用带来了极大不便。另外，在双足机器人无髋偏转关节的情况下，由于实际机器人存在关于中心轴线的质量和惯量的不对称性、接触地面面积、以及接触摩擦力不相同等因素，导致机器人在跑跳运动过程中，尤其是随着机器人速度的不断提高，机器人的转向控制会受到诸多因素地影响，既要解决因扰动带来的机器人偏转问题，又要解决机器人自主转向的控制问题。双足机器人在前进过程中，当左右腿作用力对质心产生作用力大小不一致时，或者因地面的不平整或倾斜造成机器人发生偏转时，也将引起机器人发生被动转向。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，在双足机器人无髋偏转关节的情况下，提供一种双足跑跳机器人转向控制方法，可用于双足或仿人机器人的快速灵巧运动，实现机器人的自主转向控制，便于与感知功能结合在一起进而完成制定的任务功能，在整体机构设计上确保了设计的简易性和实用性，降低开发的成本。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种双足跑跳机器人转向控制方法，该方法包括踝关节力矩控制方法和调节腿长控制方法；
所述踝关节力矩控制方法是指通过左右踝关节在不同支撑相期间施加不同力矩，从而对机器人躯干产生偏转作用，在时间的积分作用下产生偏转角度，从而完成机器人的转向控制；
所述调节腿长控制方法指在机器人跑动步态中通过修改左右腿长来实现方向调整。
进一步的，所述踝关节力矩控制方法中，当左右踝俯仰关节施加相同力矩时，积分作用产生的偏转角度相互抵消，机器人躯干保持前进方向；当左右踝俯仰关节施加不同力矩时，积分作用产生的偏转角度无法抵消，从而让机器人躯干发生转向，且转角是可控的，这种角度调整方式需要通过时间积分作用，力矩关于时间积分成角度的公式如下：
其中，τankleR和τankleL分别是机器人右踝俯仰关节和左踝俯仰关节施加的力矩；LbodyR和LbodyL分别是右髋关节和左髋关节在机器人俯视投影平面上与质心的距离；LlegR是机器人右踝俯仰关节到右髋俯仰关节的距离，LlegL是机器人左踝俯仰关节到左髋俯仰关节的距离；Jbody是机器人躯干绕着腰部中心轴线的主惯量，t0是起始时间，t1是终止时间。
进一步的，所述调节腿长控制方法中，双足机器人在跑动步态中双腿交替着地等效为两个多点接触的离散轮状结构，机器人质心等效为轮毂中心，左右腿等效为多个弹簧阻尼器，足部交替与地面接触等效为着地支撑点和空中支撑点；当两个同轴轮子的直径不同时，会在前进方向上产生转向。
本发明的有益效果是，本发明通过左右脚踝关节产生对机器人质心的差动力矩，从而对机器人的转向进行控制和修正。由于双足机器人与外界力的交互来自于支撑腿与地面的作用力，产生前进方向的力作用也来自支撑腿，左右腿作用力不直接通过机器人中轴线，但关于中轴线对称。因此支撑腿与地面力的作用会使机器人质心产生偏转力矩，假设在速度不变情况下，脚踝在不同力矩和相同时间的积分作用下会产生质心的角度偏转。当两侧力大小相同且对称时，积分作用产生的角度关于前进方向对称，并可以相互抵消。当两侧力大小不同时，则会产生质心偏转角度。同样的，可以利用脚踝的差动力矩来进行机器人前进转向角度的修正，从而主动控制机器人的转向。除此之外，在方向调整过程中，可以通过修改左右腿长来实现方向调整。双足机器人在跑动步态中双腿交替着地，可以等效为两个多点接触的离散轮状结构。当两个同轴轮子的直径不同时，会在前进方向上产生偏转。值得一提的是，腰部的偏转运动可以降低双足机器人快速摆腿对机器人的转向带来的扰动，机器人两条腿摆动幅度和速度不同，或机器人质量分布不对称时会出现左右两条腿摆动力矩存在差异。当产生的偏转力大于支撑腿与地面的摩擦力时，偏转力矩在时间积分作用下会产生角度偏转，左右两条腿使机器人偏转角度出现差异的时候机器人前进方向会发生偏转。双足机器人可以通过腰的转动和手臂的摆动平衡腿部摆动的力矩扰动，从而使机器人的偏转力矩小于支撑腿和地面接触的最大静摩擦力矩，保证运动姿态和前进方向不发生偏转。因此，本发明所提出的一种双足跑跳机器人转向控制方法，将使得机器人可以抵抗外部扰动带来的转向扰动，以及实现自主转向控制，在整体机构设计上具有更好的简易性和实用性，降低开发成本。
附图说明
图1是双足机器人的整体模型图，其中(a)为侧视图，(b)为主视图；
图2是踝关节力矩控制下的受力示意图；
图3是踝关节力矩控制下的转向示意图；
图4是调节腿长控制方法的模型示意图；
图5是调节腿长控制方法的转向控制示意图；
图6是腰部扭转的受力示意图；
图中，躯干1、腰部2、右大腿3、右小腿4、左大腿5、左小腿6、右脚掌7、左脚掌8、右髋俯仰关节9、右膝俯仰关节10、右踝俯仰关节11、左髋俯仰关节12、左膝俯仰关节13、左踝俯仰关节14、右髋滚动关节15、左髋滚动关节16、右踝滚动关节17、左踝滚动关节18、右脚支撑点19、左脚支撑点20、着地支撑点21、空中支撑点22，轮毂中心23、弹簧阻尼器24。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本发明。
如图1-6所示，本发明双足跑跳机器人转向控制方法，包括踝关节力矩控制方法和调节腿长控制方法。双足机器人由躯干1、腰部2和下肢组成，下肢包括了右大腿3、右小腿4、左大腿5、左小腿6、右脚掌7、左脚掌8、以及右髋俯仰关节9、左髋俯仰关节12、右髋滚动关节15、左髋滚动关节16、右膝俯仰关节10、左膝俯仰关节13、右踝俯仰关节11、左踝俯仰关节14、右踝滚动关节17、左踝滚动关节18。在双足机器人跑跳过程中，除了离地腾空相之外，机器人都是通过单腿与地面间的作用力实现对其姿态和高度等控制量的调节。为了便于说明，本发明以右腿支撑和左腿摆动为例进行控制方法的阐述。
踝关节力矩控制转向方法是双足机器人在跑跳过程中实现主动或被动转向控制方法之一。踝关节力矩控制转向方法是指通过左右踝关节在不同支撑相期间施加不同力矩，从而对躯干1产生偏转作用，在时间的积分作用下产生偏转角度，从而完成机器人的转向控制。当右踝俯仰关节11和左踝俯仰关节14施加相同力矩时，积分作用产生的偏转角度相互抵消，躯干1保持前进方向；当右踝俯仰关节11和左踝俯仰关节14施加不同力矩时，积分作用产生的偏转角度无法抵消，从而让机器人躯干1发生转向，且转角是可控的。这种角度调整方式需要通过时间积分作用，力矩关于时间积分成角度的公式如下：
其中，τankleR和τankleL分别是机器人右踝俯仰关节11和左踝俯仰关节14施加的力矩；LbodyR和LbodyL分别是右髋关节和左髋关节在机器人俯视投影平面上与质心的距离，亦可分别理解为在俯视投影平面上的右脚支撑点19与质心的距离和左脚支撑点20与质心的距离；LlegR是机器人右踝俯仰关节11到右髋俯仰关节9的距离，LlegL是机器人左踝俯仰关节14到左髋俯仰关节12的距离；Jbody是机器人躯干1绕着腰部2中心轴线的主惯量，t0是起始时间，t1是终止时间。上式表达的是一般情况，当机器人有双足支撑相时亦可适用，当一条腿产生作用力F时，另一条腿产生作用力F′。但在双足跑跳运动中不存在双足支撑相，因此上式右边有一项必为零，也即F或F′有一项为零。
调节腿长控制转向方法是双足机器人在跑跳过程中实现主动转向控制的另一方法。调节腿长控制转向方法是指在机器人跑动步态中通过修改左右腿长来实现方向调整。双足机器人在跑动步态中双腿交替着地，可以等效为两个多点接触的离散轮状结构，机器人质心可等效为轮毂中心23，左右腿可等效为多个弹簧阻尼器24，足部交替与地面接触可等效为着地支撑点21和空中支撑点22。当两个同轴轮子的直径不同时，会在前进方向上产生转向。这种方向控制方法的目标是机器人运动方向与设定方向角度，被控变量为机器人左右腿着地相时设定的腿长差值。在执行跑跳运动单腿支撑相算法时，双足机器人两条支撑腿执行出不同长度；同时双足机器人跑跳动作的周期不变，即双足机器人髋关节角速度不变。此时直观现象是机器人身体一侧速度较快、时间积分下运行路程变长，从而实现转向控制。
双足机器人跑跳运动过程会出现单腿支撑，并完成另一条腿的快速摆动。其中，摆动腿对机器人躯干1仍存在一个以机器人中轴线为轴的偏转力矩，且相对支撑腿对机器人产生的偏转效应要大很多。当摆动腿产生的偏转力大于支撑腿与地面的摩擦力矩时，偏转力矩在时间积分作用下会产生角度偏转，当左右两腿使机器人偏转角度出现差异的时候机器人前进方向会发生偏转。以右腿为例，当腿部快速摆动时腿的质心发生剧烈变化，产生动量P。该动量将绕着机器人质心中轴线产生角动量L。角动量在时间积分作用下会导致机器人躯干1产生偏转角度Δθ。对质心产生双足机器人可通过手或腰的摆动来平衡这部分扰动力矩，从而使其侧向偏转力小于支撑腿和地面接触的最大静摩擦力，保证运动方向不发生偏转。
Claims (2)
1.一种双足跑跳机器人转向控制方法，其特征在于，该方法包括踝关节力矩控制方法和调节腿长控制方法；
所述踝关节力矩控制方法是指通过左右踝俯仰关节在不同支撑相期间施加不同力矩，从而对机器人躯干产生偏转作用，在时间的积分作用下产生偏转角度，从而完成机器人的转向控制；
所述踝关节力矩控制方法中，当左右踝俯仰关节施加相同力矩时，积分作用产生的偏转角度相互抵消，机器人躯干保持前进方向；当左右踝俯仰关节施加不同力矩时，积分作用产生的偏转角度无法抵消，从而让机器人躯干发生转向，且转角是可控的，这种角度调整方式需要通过时间积分作用，力矩关于时间积分成角度的公式如下：
其中，
和
分别是机器人右踝俯仰关节和左踝俯仰关节施加的力矩；
和
分别是右髋关节和左髋关节在机器人俯视投影平面上与质心的距离；
是机器人
右踝俯仰关节到右髋俯仰关节的距离，
是机器人左踝俯仰关节到左髋俯仰关节的距
离；
是机器人躯干绕着腰部中心轴线的主惯量，t0是起始时间，t1是终止时间；
所述调节腿长控制方法指在机器人跑动步态中通过修改左右腿长来实现方向调整；在转向控制过程中，通过修改左右腿长来实现方向调整。
2.根据权利要求1所述的一种双足跑跳机器人转向控制方法，其特征在于，所述调节腿长控制方法中，双足机器人在跑动步态中双腿交替着地等效为两个多点接触的离散轮状结构，机器人质心等效为轮毂中心，左右腿等效为多个弹簧阻尼器，足部交替与地面接触等效为着地支撑点和空中支撑点；当两个同轴轮子的直径不同时，会在前进方向上产生转向。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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