CN110202580B - 一种扰动恢复的仿人机器人空间柔顺控制模型构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种扰动恢复的仿人机器人空间柔顺控制模型构建方法，包括姿态柔顺控制和高度柔顺控制，姿态柔顺控制的方法是：获取机器人上身相对于脚的角度θ，根据腿部的弹性阻尼模型计算出目标力矩τ_ref，通过导纳控制，调节踝关节转动角度Δq_ankle来补偿真实测得的力矩τ_measure与τ_ref的偏差，跟踪目标力矩τ_ref，实现了姿态柔顺控制；高度柔顺控制的方法是：获取上身相对于支撑脚的高度，计算目标竖直方向力

再计算出力传感器对小腿实际作用力

通过导纳控制，控制在每个控制周期内调整质心高度指令ΔH，并使质心高度回到H_ref；本发明实现机器人姿态柔顺和高度柔顺的结合，使机器人在受到外部冲击时(包括不平整地面对脚底的脉冲作用力)能够使身体位姿发生一定的偏移，以减小冲击力，防止机器人失稳。

Description

一种扰动恢复的仿人机器人空间柔顺控制模型构建方法

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种扰动恢复的仿人机器人空间柔顺控制模型构建方法。

背景技术

仿人机器人代表着机器人研究领域的顶尖技术水平。仿人机器人实用化的途径包含着提高仿人机器人的环境适应能力。使仿人机器人在不平整地面，以及受到外部冲击时能够产生自适应的动作，并最终恢复到原来的运动状态。对于位置控制式的多自由度仿人机器人，为了兼顾站立时的稳定性及行走时的环境适应性，运动时常需要在高刚性与柔性之间切换。如果根据机器人当前运动状态不断改变机器人的刚性和柔性会增加控制系统的复杂性，因此有必要发明一种统一的模型，该模型可以使机器人在受到较大冲击时能保持恒定的上身高度，同时机器人变得柔顺，产生顺应冲击方向的运动，防止机器人翻倒。

现有的一种调节机器人着地脚面姿态，使其与地面柔顺接触的方法，以实现不平整地面的行走。通过检测脚底的合力作用点，决定脚面的旋转方向。利用设置的刚度阻尼系数算出所需转动的加速度。但是该方法需要通过利用六维力传感器计算合力作用点，对不同落脚时刻的运动状态进行分辨，并且针对不同的阶段设置了不同的阻抗系数，增加了系统复杂程度。

另外一种模仿人体肌肉粘弹性的机器人行走稳定控制方法。根据ZMP和质心轨迹计算踝关节的调整位姿，并把调整量叠加到原先规划的轨迹上，并通过计算逆运动学得到每个关节执行元件的执行角度，以实现机器人行走时的环境适应性。但是该方法需要提前计算ZMP轨迹和质心轨迹，并检测实际ZMP的位置，对机器人系统提出了比较高的要求。

综上，现有技术只通过踝关节的调节实现抗扰动，或者只调节上身的位置和姿态而忽略了脚底的地面作用力。常规的阻抗控制需要检测机器人的ZMP，还需要预先设计ZMP轨迹作为跟踪目标。一些方法需要对机器人与环境间的作用情况进行辨识，来调整控制参数，增加了系统的复杂程度，通用性不高。

发明内容

为了解决现有技术中的不足，提出了一种扰动恢复的仿人机器人空间柔顺控制模型构建方法，不需要对合力作用点、机器人是否要摔倒、是否脚尖与地面接触等条件进行计算，就实现机器人位置柔顺与姿态柔顺的统一，提高机器人受到扰动时的稳定性，同时保证了质心高度的恒定。

本发明所采用的技术方案如下：

一种扰动恢复的仿人机器人空间柔顺控制模型构建方法，包括姿态柔顺控制和高度柔顺控制，所述姿态柔顺控制的方法是：获取机器人上身相对于脚的角度θ，根据腿部的弹性阻尼模型计算出目标力矩τ_ref，通过导纳控制，调解踝关节转动角度Δq_ankle来补偿真实测得的力矩τ_measure与τ_ref的偏差，跟踪目标力矩τ_ref，实现了姿态柔顺控制；

所述高度柔顺控制的方法是：获取上身相对于支撑脚的高度，计算目标竖直方向力

再计算出力传感器对小腿实际作用力

通过导纳控制，控制在每个控制周期内调整质心高度指令ΔH，并使质心高度回到H_ref。

进一步，所述腿部的弹性阻尼模型表示：

其中，K是弹簧阻尼子模型中的弹簧刚度，D是弹簧阻尼子模型中的阻尼系数，Mg为重力补偿量，x_ref是质心的位置，x_foot是脚踝的目标位置；θ_ref为质心与脚踝的连线R与脚底板的目标夹角，

为对夹角的一阶求导，

是对θ_ref的一阶求导。

进一步，调节踝关节转动角度来补偿真实测得的力矩τ_measure与τ_ref偏差的方法为：

其中，t为时间。

进一步，计算所述目标竖直方向力

的方法为：

其中，K₂表示虚拟弹簧的刚度，D₂表示虚拟阻尼器的阻尼系数，Mg为重力补偿量，

为竖直方向质心运动速度，H_real为实际高度，H_ref为目标高度。

进一步，力传感器对小腿目标作用力

的计算方法为：

其中，

为为脚掌与水平面的夹角，

为力传感器坐标系下x方向作用力，

为力传感器坐标系下z方向作用力。

进一步，调整质心高度指令ΔH的方法为：

本发明的有益效果：

本发明实现机器人姿态柔顺和高度柔顺的结合，使机器人在受到外部冲击时(包括不平整地面对脚底的脉冲作用力)能够使身体位姿发生一定的偏移，以减小冲击力，防止机器人失稳。而当冲击力消失后，机器人又能恢复到原来的姿态、高度。本发明可以解决的问题是：融合了机器人质心高度控制与姿态控制，保证行走过程中机器人可以按照线性倒立摆的特性运动；模型简易，通用性强，不需要计算合力作用点(ZMP)；使机器人面对不平整地面，以及水平方向的冲击时具有自适应性。

附图说明

图1是仿人机器人空间位置-姿态定义；

图2是脚踝受力示意图；

图3是仿人机器人单脚支撑期、双脚支撑期、站立柔顺模型示意图；

图4是弹簧阻尼子模型示意图；

图5是仿人机器人行走时抗冲击控制策略；

图6是仿人机器人站立抗冲击控制策略。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，仿人机器人的示意图中，TC点为仿人机器人的期望质心，仿人机器人质量集中在质心RC处，期望质心TC与机器人左右脚的连线分别是L和R，连线L和R与脚底板之间形成的角度分别是θ_l1+θ_l2＝180°，θ_r1+θ_r2＝180°，左右脚底板与地面的夹角分别为：θ_l、θ_r。

结合机器人的示意图1，本发明一种扰动恢复的仿人机器人空间柔顺控制模型构建方法，包括姿态柔顺和高度柔顺。

其中，姿态柔顺的方法为：将机器人每条腿的踝部和脚底板等效成弹簧阻尼子模型如图3和4所示；当机器人在行走的运动过程中，连线L(或者R)与脚底板夹角发生变化时(Δθ)，机器人的脚底板对连线L(或者R)施加反向力矩τ_ref，反向力矩τ_ref用来使机器人的R线与脚底板的夹角在τ_ref作用下恢复到目标夹角θ_ref；另一方面，当连线L(或者R)与脚底板之间受到冲击力矩或受到挤压，连线L(或者R)与脚底板夹角θ会顺着力矩的方向产生形变θ-θ_ref，因此，构建出每条腿目标力矩τ_ref与夹角θ形变量的关系为：

其中，K是弹簧阻尼子模型中的弹簧刚度，D是弹簧阻尼子模型中的阻尼系数，M是机器人整体质量，g是重力系数，x_ref是质心的位置，x_foot是脚踝的目标位置；质心与脚踝的连线R与脚底板的目标夹角为θ_ref，θ_ref＝arctan((x_ref-x_foot)/H_ref)，

为对夹角的一阶求导，

是对θ_ref的一阶求导。

将根据目标力矩τ_ref与夹角θ形变量的关系式(1)分别计算出的机器人左右腿的目标力矩

和

通过导纳控制，调节踝关节转动角度Δq_ankle来补偿真实测得的力矩τ_measure与τ_ref的偏差，如式(3)所示：

从而保持机器人的脚底地面与地面贴合，防止冲击力矩向机器人脚面以上的部位传递，防止机器人失稳。

本发明的高度柔顺的方法为：假设将目标高度H_ref与实际质心之间通过虚拟的弹簧阻尼模型连接；该虚拟的弹簧阻尼模型的作用是：当质心高度H偏离H_ref，模型会把质心拉回H_ref。如此可以保证实际质心高度和规划质心高度的一致，因为在线性倒立摆行走动作规划中，需要满足质心高度恒定的条件。

根据虚拟的弹簧阻尼模型，质心受到来自脚踝的目标推力，即目标竖直方向力为：

其中，K₂表示虚拟弹簧的刚度，D₂表示虚拟阻尼器的阻尼系数，Mg为重力补偿量，

为竖直方向质心运动速度，H_real为实际高度，H_ref为目标高度。

再根据力传感器与脚踝间受力分析，如图2所示，实际的脚底板对质心的竖直方向作用力，即力传感器对小腿实际作用力为：

其中，

为脚掌与水平面的夹角，

为力传感器坐标系下x方向作用力，

为力传感器坐标系下z方向作用力，通过导纳控制在每个控制周期内调整质心高度指令ΔH，可以减小

与

H_ref与H_real之间的偏差，并使质心高度回到H_ref，ΔH的计算方法如式(5)所示。

综上所述，本发明通过将姿态柔顺和高度柔顺进行结合，使支撑脚与上身的夹角θ顺着扰动力矩的方向变化，在增加柔性、减小冲击力的同时，机器人的质心高度还能保持稳定，满足线性倒立摆的条件。另外，本发明中踝关节力矩与规划的质心-脚踝连线L、R与脚底板的夹角相关，而非ZMP。摆动腿上的踝关节柔顺控制不发挥作用，摆动脚脚面保持水平即可。踝关节柔顺只在摆动脚落地之后才发挥作用，可以减少着地时的冲击、消除来自地面的扰动。

为了更清楚的对本发明所保护的技术方案进行解释，以下结合仿人机器人在运动过程进行说明，如图3、6所示，当机器人在行走过程中处在单脚支撑时，例如右脚着地，左脚离地，且悬空的左脚只需要与地面保持平行，此时只需要根据式(1)计算支撑脚右脚的目标力矩

并将该结果进行导纳控制。

如图5当左脚也落地，处于双脚支撑时，两只脚的弹簧阻尼模型同时发挥作用，质心与左右脚的连线L、R，及他们与左右脚底板的夹角θ_l、θ_r是相互独立的此时根据式(1)分别计算左脚和右脚的目标力矩

和

将左脚和右脚的目标力矩

和

分别进行导纳控制，跟踪目标力矩。

当机器人停止运动，站立在地面上时，与上述行走过程中双脚落地的情形一致。而在行走的过程中，重复式子(3)、(4)和(5)，对机器人的质心高度进行柔顺控制。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种扰动恢复的仿人机器人空间柔顺控制模型构建方法，其特征在于，包括姿态柔顺控制和高度柔顺控制，所述姿态柔顺控制的方法是：获取机器人上身相对于脚的角度θ，根据腿部的弹性阻尼模型计算出目标力矩τ_ref，通过导纳控制，调节踝关节转动角度Δq_ankle来补偿真实测得的力矩τ_measure与τ_ref的偏差，跟踪目标力矩τ_ref，实现了姿态柔顺控制；

所述高度柔顺控制的方法是：获取上身相对于支撑脚的高度，计算目标竖直方向力

再计算出力传感器对小腿实际作用力

通过导纳控制，控制在每个控制周期内调整质心高度指令ΔH，并使质心高度回到目标高度H_ref。

2.根据权利要求1所述的一种扰动恢复的仿人机器人空间柔顺控制模型构建方法，其特征在于，所述腿部的弹性阻尼模型表示：

其中，K是弹簧阻尼子模型中的弹簧刚度，D是弹簧阻尼子模型中的阻尼系数，Mg为重力补偿量，x_ref是质心的位置，x_foot是脚踝的目标位置；θ_ref为质心与脚踝的连线R与脚底板的目标夹角，

为对夹角θ的一阶求导，

是对θ_ref的一阶求导。

3.根据权利要求2所述的一种扰动恢复的仿人机器人空间柔顺控制模型构建方法，其特征在于，调整踝关节转动角度来补偿真实测得的力矩τ_measure与τ_ref的偏差的方法为：

其中，t为时间。

4.根据权利要求1所述的一种扰动恢复的仿人机器人空间柔顺控制模型构建方法，其特征在于，计算所述目标竖直方向力

的方法为：

其中，K₂表示虚拟弹簧的刚度，D₂表示虚拟阻尼器的阻尼系数，Mg为重力补偿量，

为竖直方向质心运动速度，H_real为实际高度，H_ref为目标高度。

5.根据权利要求1所述的一种扰动恢复的仿人机器人空间柔顺控制模型构建方法，其特征在于，力传感器对小腿目标作用力

的计算方法为：

其中，

为脚掌与水平面的夹角，

为力传感器坐标系下x方向作用力，

为力传感器坐标系下z方向作用力。

6.根据权利要求1或5所述的一种扰动恢复的仿人机器人空间柔顺控制模型构建方法。其特征在于，调整质心高度指令ΔH的方法为：

其中，H_real为实际高度，H_ref为目标高度，

为竖直方向质心运动速度，t为时间，

为目标高度H_ref竖直方向质心运动速度。

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