CN110405761A - 一种机器人关节的仿生粘弹性控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人关节的仿生粘弹性控制方法，机器人受到未知扰动，根据姿态传感器和关节码盘数据，获取机器人当前姿态和参考姿态之间的关节角度偏差和关节角速度偏差，再根据粘弹性模型计算机器人受到的虚拟力矩，从而获得虚拟力矩产生的期望关节角度轨迹，由该轨迹控制机器人。本发明可提高机器人关节的柔顺性，在实现未知外加扰动下关节运动保持柔顺的同时，保持机器人的稳定性。该方法可以增强机器人的操作能力，增加仿人机器人的应用场合。

Description

一种机器人关节的仿生粘弹性控制方法

技术领域

本发明属于技术领域，具体涉及一种机器人关节的仿生粘弹性控制方法。

背景技术

机器人能够协助或取代人类的工作，例如生产业、建筑业或是危险的工作，在复杂、危险环境中更快速也更安全。在这些环境中，机器人容易由于不平地面和未知扰动、障碍而导致摔倒或者倾覆的发生。这种情况下的关节柔顺和保持平衡是机器人，特别是双足机器人，展现高运动能力和工作能力的必要条件，对机器人的应用来说具有重大的意义，也成为了一个亟待解决的问题。

现有技术描述了仿人机器人在外加推力下的平衡和恢复，研究了仿人机器人通过踝、髋和迈步来抵抗推力的方法，但该方法中的模型较为简单，没有考虑多关节协同的柔顺控制方法，也没有考虑不平地面的影响。现有技术提出了一个仿人机器人的平衡位置参考点，可以根据该参考点的位置进行迈步来保持平衡，但是并没有考虑保持平衡过程中关节的柔顺问题。现有技术还提出了一个仿人机器人全身粘弹性模型，使用简单的并联弹簧阻尼，柔顺程度有限，且并没有考虑接近平衡位置时的系数变化，不具有仿生特性；也并没有考虑虚拟模型在位置控制机器人上的有效实现。

由此可知，现有机器人柔顺控制和平衡稳定大多只考虑柔顺和平衡控制在理论上的收敛和稳定性，没有涉及更复杂的粘弹性模型，也没有涉及关节的仿生特性；而现有的粘弹性模型大多只能通过修改离线轨迹来产生粘弹性效果，不具有抗扰动功能。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种机器人关节的仿生粘弹性控制方法，结合人体关节的特点和机器人关节的控制方法，在实现未知外加扰动下关节运动保持柔顺的同时，保持机器人的稳定性。

本发明是通过以下技术方案实现上述技术目的的。

一种机器人关节的仿生粘弹性控制方法，机器人受到未知扰动，根据姿态传感器和关节码盘数据，获取机器人当前姿态和参考姿态之间的关节角度偏差q和关节角速度偏差再根据粘弹性模型，计算机器人受到的虚拟力矩，从而获得虚拟力矩产生的期望关节角度轨迹，由该轨迹控制机器人。

进一步，所述虚拟力矩满足T＝min(T_max,(δ₀+δ*q)*T₀)，其中，δ₀和δ为固定系数，T_max为虚拟力矩最大值。

进一步，所述期望关节角度轨迹其中q^d和分别为期望关节角度轨迹和期望关节角速度轨迹，为期望关节角加速度，为基于实测关节角度的轨迹调节量。

更进一步，所述关节角度的轨迹调节量基于虚拟粘弹性模型，所述虚拟粘弹性模型由粘性单元和弹性单元并联而成。

更进一步，所述关节角度的轨迹调节量其中S为虚拟粘弹性模型的弹性系数，C为虚拟粘弹性模型的阻尼。

本发明的有益效果为：

(1)本发明的仿生粘弹性控制方法，可以完成机器人在未知外加扰动下关节运动保持柔顺的要求，同时保持机器人的稳定性；

(2)本发明通过仿生的、串并联的虚拟粘弹性模型来计算和调节机器人所受力矩，提高机器人的关节柔顺性，使其具有仿生学特点；通过虚拟粘弹性模型来计算关节角度期望轨迹，机器人沿着关节角度期望轨迹运动，从而达到抗扰动的效果。

附图说明

图1为本发明机器人关节的仿生粘弹性控制流程图；

图2为本发明粘弹性模型结构示意图；

图3为本发明虚拟粘弹性模型结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种机器人关节的仿生粘弹性控制方法，包括步骤：

步骤(1)，机器人受到未知扰动，包括外界推力、阻碍或地面角度变化；

步骤(2)，机器人根据姿态传感器和关节码盘数据，使用正运动学，计算自身的位置和姿态以及关节的角度和角速度，从而识别出自身姿态的变化和地面角度变化

姿态传感器设置在机器人上身,关节码盘设置在机器人全身关节处；姿态传感器可以测得机器人上身的绝对位置和绝对姿态，再根据关节码盘获取的关节角度数据，使用正运动学，计算各关节的绝对位置和绝对姿态，步骤如下：

a)根据已知上身绝对姿态的相对坐标系Σb，计算未知相对坐标系Σa的旋转矩阵，即与上身相连的第一关节的绝对姿态：

R_a＝R_a|bR_b (1)

其中，R_b为Σb的旋转矩阵，R_a|b为Σa相对于Σb的旋转矩阵：

其中，θ表示Σa对应的关节旋转角度，a∈Rt(t＝x、y、z)表示Σa对应的关节旋转轴为t轴；

b)根据已知的上身绝对位置和Σa的旋转矩阵，计算与上身相连的第一关节的绝对位置：

p_hW＝p_a+R_ap_ha (2)

其中，p_hW为任一关节的绝对坐标，p_ha为该关节在相对坐标系Σa中的坐标，p_a为相对坐标系Σa原点a的绝对坐标；

从已知上身的绝对位置和绝对姿态开始，由第一关节的绝对位置和绝对姿态迭代计算出每个关节的绝对位置和绝对姿态。对旋转矩阵R_a＝{r_ij}i,j＝1,2,3，对应的旋转角度为：

其中：θ_t为a∈Rt时R_a对应的绝对关节角度,atan2为表示方位角的函数。

由此，关节角度偏差q和关节角速度偏差计算为：

其中，q₀为参考姿态对应t轴的关节角度，q_n和q_n-1分别为任意时刻和其上一时刻的关节角度偏差，P为采样周期。

步骤(3)，根据粘弹性模型，计算机器人受到的虚拟力矩T，即虚拟的弹簧阻尼对机器人应该产生的力矩；虚拟力矩T的计算是将机器人当前姿态和参考姿态之间的关节角度偏差q和关节角速度偏差代入粘弹性的本构方程得到，所述参考姿态为机器人具有的能保持自身的平衡，不会摔倒或翻倒的姿态；如图2所示，机器人任意两个关节之间连接了粘弹性模型，粘弹性模型包括虚拟的弹性单元一、粘性单元和弹性单元二，弹性单元具体为弹簧，粘性单元为阻尼，弹性单元一和粘性单元并联后再与弹性单元二串联；粘弹性模型在实际的机器人上并不存在，根据模型中的虚拟弹簧刚度、阻尼系数以及机器人偏离参考姿态的角度，计算机器人受到的力矩，这种力矩即为虚拟力矩。

图2的粘弹性模型的本构方程为：

其中：T₀为粘弹性模型的虚拟力矩，k₁、k₂分别为弹性单元一、弹性单元二的刚度，b为粘性单元的阻尼系数。

粘弹性模型的本构方程表示了虚拟力矩T₀和q、的关系，但对于机器人关节来说，基础的粘弹性模型还具有如下不足：虚拟力矩没有上限，不符合机器人关节或人体关节有力矩限制的特点；虚拟力矩和关节角度偏差、角速度偏差成线性关系，不符合仿生学特性。

为解决上述不足，提出仿生粘弹性模型的仿生学方程。该方程主要基于如下人体特点：在不受外界扰动而稳定站立时，使用的力气很小；在受到扰动而偏离参考姿态时，利用很大的力气使身体恢复平衡。仿生学方程为：

T＝min(T_max,(δ₀+δ*q)*T₀) (6)

其中，δ₀和δ为固定系数，T为符合仿生学特性的虚拟力矩，T_max为虚拟力矩最大值。

仿生学方程表示了虚拟力矩T随关节角度偏差q的增大而增大，且不会超过一定的限度T_max；该方程使得机器人在参考位置附近时，其关节的力矩较小，和人类站立状态下不受扰动时用力较小的特性相一致。

步骤(4)，通过动力学，计算虚拟力矩产生的期望关节角度轨迹

通过如图3所示的虚拟粘弹性模型(一粘性单元和一弹性单元相并联)将期望的关节角度轨迹和实际轨迹相连接，并据此虚拟粘弹性模型计算期望关节角度轨迹。

根据虚拟力矩T和关节惯量I，得到期望关节角加速度为：

通过积分得到期望关节角度轨迹：

其中，q^d和分别为期望关节角度轨迹和期望关节角速度轨迹，为基于实测关节角度的轨迹调节量，且：

其中：S为虚拟粘弹性模型的弹性系数，C为虚拟粘弹性模型的阻尼。

将关节角度的期望轨迹和实际角度轨迹联系起来，和仿生粘弹性模型产生的角加速度期望值共同作用，达到如下效果：

受到扰动时，起主要作用，使得实际关节角度轨迹和期望关节角度轨迹间的偏差减小，期望关节角度轨迹向实际关节角度轨迹靠拢，达到柔顺抗扰动的目的；

不受扰动时，起主要作用，使得实际关节角度轨迹和期望关节角度轨迹一样拥有期望的角加速度使机器人恢复到参考姿态，从而能保持平衡。

步骤(5)，机器人关节的仿生粘弹性控制方法运行在机器人本身的控制器中，根据期望关节角度轨迹q^d，控制器下发关节控制指令给机器人，机器人沿着关节角度期望轨迹运动，使得机器人保持柔顺和平衡。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种机器人关节的仿生粘弹性控制方法，其特征在于，机器人受到未知扰动，根据姿态传感器和关节码盘数据，获取机器人当前姿态和参考姿态之间的关节角度偏差q和关节角速度偏差再根据粘弹性模型，计算机器人受到的虚拟力矩，从而获得虚拟力矩产生的期望关节角度轨迹，由该轨迹控制机器人。

2.根据权利要求1所述的机器人关节的仿生粘弹性控制方法，其特征在于，所述虚拟力矩满足T＝min(T_max,(δ₀+δ*q)*T₀)，其中，δ₀和δ为固定系数，T_max为虚拟力矩最大值。

3.根据权利要求1所述的机器人关节的仿生粘弹性控制方法，其特征在于，所述期望关节角度轨迹其中q^d和分别为期望关节角度轨迹和期望关节角速度轨迹，为期望关节角加速度，为基于实测关节角度的轨迹调节量。

4.根据权利要求3所述的机器人关节的仿生粘弹性控制方法，其特征在于，所述关节角度的轨迹调节量基于虚拟粘弹性模型，所述虚拟粘弹性模型由粘性单元和弹性单元并联而成。

5.根据权利要求4所述的机器人关节的仿生粘弹性控制方法，其特征在于，所述关节角度的轨迹调节量其中S为虚拟粘弹性模型的弹性系数，C为虚拟粘弹性模型的阻尼。