CN111872941A - 平衡控制方法、装置、仿人机器人及可读存储介质 - Google Patents

平衡控制方法、装置、仿人机器人及可读存储介质 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种平衡控制方法、装置、仿人机器人及可读存储介质，涉及机器人控制领域。本申请基于仿人机器人当前在足底、质心和腰部处的运动数据，获取该足底与质心各自趋向于当前平衡期望轨迹的期望加速度，以及腰部趋向于当前平衡期望轨迹的期望角加速度，而后根据仿人机器人当前各关节角速度、腰部的期望加速度以及足底与质心各自的期望加速度，计算符合平衡期望轨迹且同时满足足底、质心及腰部处的控制需求的各关节期望角加速度，并基于各关节角位移按照各关节期望角加速度控制对应的各真实关节运行，从而通过调节真实关节的运行状态同时实现足底、质心及腰部处的平衡控制效果，避免足底、质心及腰部之间的控制干扰，降低平衡控制难度。

Description

平衡控制方法、装置、仿人机器人及可读存储介质
技术领域
本申请涉及机器人控制领域，具体而言，涉及一种平衡控制方法、装置、仿人机器人及可读存储介质。
背景技术
随着科学技术的不断发展，机器人技术因具有极大的研究价值及应用价值得到了各行各业的广泛重视，其中仿人机器人便是现有机器人技术的一项重要研究分支。而对仿人机器人而言，仿人机器人实现自身的行走和操作能力的前提是自身能够在复杂环境中保持平衡，仿人机器人的平衡控制能力是制约仿人机器人走向实用的关键问题。目前的平衡控制方案是通过将整体的平衡控制任务按系统组成划分为多个控制子任务(例如，地面作用力控制、动量控制、全身动力学控制等)，而后对每个控制子任务进行单独控制，以通过局部影响整体的方式完成对机器人的平衡控制操作。但这种方案往往会因为多个控制子任务之间存在耦合，各控制子任务会相互干扰，增加了机器人的系统复杂性，通常会在追求提升某一控制子任务的控制效果的同时，导致其他控制子任务的控制效果变差。
发明内容
有鉴于此，本申请的目的在于提供一种平衡控制方法、装置、仿人机器人及可读存储介质，能够在仿人机器人的平衡控制过程中避免足底控制、质心控制及腰部控制之间的控制干扰，并同时满足机器人在足底、质心及腰部处的控制需求，降低平衡控制难度。
为了实现上述目的，本申请实施例采用的技术方案如下：
第一方面，本申请实施例提供一种平衡控制方法，所述方法包括：
获取仿人机器人当前的各关节角速度和各关节角位移，以及该仿人机器人当前在足底、质心和腰部处的运动数据；
根据该仿人机器人在足底、质心及腰部处的运动数据，获取足底与质心各自趋向于当前平衡期望轨迹的期望加速度，以及腰部趋向于当前平衡期望轨迹的期望角加速度；
基于各关节角速度、腰部的期望加速度以及足底与质心各自的期望加速度，计算该仿人机器人在符合当前平衡期望轨迹下同时满足足底控制需求、质心控制需求及腰部控制需求的各关节期望角加速度；
基于各关节角位移按照得到的各关节期望角加速度控制该仿人机器人的各真实关节运行，使该仿人机器人按照当前平衡期望轨迹保持平衡。
第二方面，本申请实施例提供一种平衡控制装置，所述装置包括：
运动数据获取模块，用于获取仿人机器人当前的各关节角速度和各关节角位移，以及该仿人机器人当前在足底、质心和腰部处的运动数据；
平衡期望获取模块，用于根据该仿人机器人在足底、质心及腰部处的运动数据，获取足底与质心各自趋向于当前平衡期望轨迹的期望加速度，以及腰部趋向于当前平衡期望轨迹的期望角加速度；
关节期望计算模块，用于基于各关节角速度、腰部的期望加速度以及足底与质心各自的期望加速度，计算该仿人机器人在符合当前平衡期望轨迹下同时满足足底控制需求、质心控制需求及腰部控制需求的各关节期望角加速度；
关节平衡控制模块，用于基于各关节角位移按照得到的各关节期望角加速度控制该仿人机器人的各真实关节运行，使该仿人机器人按照当前平衡期望轨迹保持平衡。
第三方面，本申请实施例提供一种仿人机器人，包括处理器和存储器，所述存储器存储有能够被所述处理器执行的机器可执行指令，所述处理器可执行所述机器可执行指令，以实现前述实施方式的平衡控制方法。
第四方面，本申请实施例提供一种可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现前述实施方式的平衡控制方法。
本申请实施例的有益效果是：
本申请通过获取仿人机器人当前的各关节角速度、各关节角位移以及足底、质心和腰部处的运动数据，而后基于得到的足底、质心及腰部处对应的运动数据，获取足底与质心各自趋向于当前平衡期望轨迹的期望加速度，以及腰部趋向于当前平衡期望轨迹的期望角加速度，进而根据各关节角速度、腰部的期望加速度以及足底与质心各自的期望加速度，计算出该仿人机器人在符合平衡期望轨迹的情况下同时满足足底、质心及腰部处的控制需求的各关节期望角加速度，并基于各关节角位移按照得到的各关节期望角加速度控制该仿人机器人的各真实关节运行，得以通过调节真实关节的运行状态同时实现足底、质心及腰部处的平衡控制效果，避免足底、质心及腰部之间的控制干扰，降低平衡控制难度。
为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例提供的仿人机器人的设备组成示意图；
图2为本申请实施例提供的平衡控制方法的流程示意图；
图3为图2中的步骤S220包括的子步骤的流程示意图之一；
图4为图2中的步骤S220包括的子步骤的流程示意图之二；
图5为图2中的步骤S230包括的子步骤的流程示意图；
图6为图5中的子步骤S231包括的子步骤的流程示意图；
图7为图5中的子步骤S232包括的子步骤的流程示意图；
图8为图5中的子步骤S233包括的子步骤的流程示意图；
图9为本申请实施例提供的平衡控制装置的功能模块示意图。
图标：10-仿人机器人；11-存储器；12-处理器；13-传感单元；100-平衡控制装置；110-运动数据获取模块；120-平衡期望获取模块；130-关节期望计算模块；140-关节平衡控制模块。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互结合。
请参照图1，图1是本申请实施例提供的仿人机器人10的设备组成示意图。在本申请实施例中，所述仿人机器人10能够在平衡控制过程中避免足底、质心及腰部三项平衡控制部位之间的控制干扰，可通过调节关节运行状态同时实现足底、质心及腰部三项平衡控制部位各自的平衡控制效果，降低仿人机器人10的平衡控制难度。
其中，所述仿人机器人10可以包括机器人上身、髋关节驱动结构及两个机械腿结构，两个机械腿结构分别位于所述髋关节驱动结构两侧，并与该髋关节驱动结构连接，所述机器人上身与所述髋关节驱动结构连接，且所述髋关节驱动结构与所述机器人上身连接的位置处于两个机械腿结构之间。所述髋关节驱动结构的与每个机械腿结构连接的位置处可均设置有两个相互正交的可旋转驱动结构，用以实现两个机械腿结构之间的位置交替变换，而每个机械腿结构的膝关节处设置有一个可旋转驱动结构，用于实现对应机械腿结构的屈膝操作。
在本实施例中，所述仿人机器人10还包括平衡控制装置100、存储器11、处理器12及传感单元13。所述存储器11、所述处理器12及所述传感单元13相互之间直接或间接地电性连接，以实现数据的传输或交互。例如，所述存储器11、所述处理器12及所述传感单元13可通过一条或多条通讯总线或信号线实现电性连接。
其中，所述存储器11可用于存储程序，所述处理器12在接收到执行指令后，可相应地执行所述程序。其中，所述存储器11可以是，但不限于，随机存取存储器(Random AccessMemory，RAM)，只读存储器(Read Only Memory，ROM)，可编程只读存储器(ProgrammableRead-Only Memory，PROM)，可擦除只读存储器(Erasable Programmable Read-OnlyMemory，EPROM)，电可擦除只读存储器(Electric Erasable Programmable Read-OnlyMemory，EEPROM)等。其中，所述存储器11还用于所述仿人机器人10在做出行走动作或原地踏步动作时的用于指示机器人本体如何保持平衡的平衡期望轨迹。当仿人机器人10的行为状态与平衡期望轨迹在某一时刻对应的行为状态一致时，即可保证该仿人机器人10当前处于平衡状态。
所述处理器12可以是一种具有信号的处理能力的集成电路芯片。所述处理器12可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，CPU)及网络处理器(Network Processor，NP)等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，可以实现或者执行本申请实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。
所述传感单元13用于对仿人机器人10的运动数据进行感知，比如对仿人机器人10在各个关节(包括机器人的真实关节以及虚拟关节)处的实时角速度进行监测，对仿人机器人10在各个关节处的实时角位移进行监测，对仿人机器人10的各个形体部位的运动位姿及运动速度进行监测。
在本实施例中，所述平衡控制装置100包括至少一个能够以软件或固件的形式存储于所述存储器11中或固化在所述仿人机器人10的操作系统中的软件功能模块。所述处理器12可用于执行所述存储器11存储的可执行模块，例如所述平衡控制装置100所包括软件功能模块及计算机程序等。所述仿人机器人10通过所述平衡控制装置100从仿人机器人10的局部形体部位出发，通过调整能够同时影响各局部形体部位(包括足底、质心及腰部)的平衡控制效果的各真实关节的运动状况，实现最终的机器人平衡效果，避免足底控制操作、质心控制操作及腰部控制操作在平衡控制过程中之间的控制干扰，并同时满足机器人在足底、质心及腰部处的控制需求，降低平衡控制难度。
可以理解的是，图1所示的方框示意图仅为仿人机器人10的一种设备组成示意图，所述仿人机器人10还可包括比图1中所示更多或者更少的组件，或者具有与图1所示不同的配置。图1中所示的各组件可以采用硬件、软件或其组合实现。
在本申请中，为确保所述仿人机器人10能够在平衡控制过程中同时满足机器人在足底、质心及腰部处的控制需求，避免足底控制操作、质心控制操作及腰部控制操作之间的控制干扰，降低平衡控制难度，本申请通过提供应用于上述仿人机器人10的平衡控制方法实现上述功能。下面对本申请提供的平衡控制方法进行相应描述。
可选地，请参照图2，图2是本申请实施例提供的平衡控制方法的流程示意图。在本申请实施例中，图2所示的平衡控制方法的具体流程和步骤如下文所示。
步骤S210，获取仿人机器人当前的各关节角速度和各关节角位移，以及该仿人机器人当前在足底、质心和腰部处的运动数据。
在本实施例中，所述仿人机器人10当前在足底处的运动数据包括足底的运动速度及运动位姿，所述仿人机器人10当前在质心处的运动数据包括质心的运动速度及运动位姿，所述仿人机器人10当前在腰部处的运动数据包括腰部的运动姿态角及运动角速度。所述仿人机器人10可通过所述传感单元13实时地对自身的各关节角速度(包括机器人的各真实关节的角速度以及用于描述机器人腰部空间位姿的各虚拟关节的角速度)和各关节角位移(包括机器人的各真实关节的角位移以及用于描述机器人腰部空间位姿的各虚拟关节的角位移)，以及足底、质心和腰部的运动数据进行监测。
步骤S220，根据该仿人机器人在足底、质心及腰部处的运动数据，获取足底与质心各自趋向于当前平衡期望轨迹的期望加速度，以及腰部趋向于当前平衡期望轨迹的期望角加速度。
在本实施例中，所述仿人机器人10在确定出当前自身在足底、质心及腰部处的运动数据时，会先确定出自身在当前时刻所对应的平衡期望轨迹，而后确定足底、质心及腰部的运动数据各自在与当前平衡期望轨迹相比时的运动状况差异，进而确定出足底与质心各自要达到与当前平衡期望轨迹匹配的平衡效果所需的期望加速度，以及腰部要达到与当前平衡期望轨迹匹配的平衡效果所需的期望角加速度。其中，足底与质心各自的期望加速度及腰部的期望角加速度的相关计算可由其他电子设备执行，并告知该仿人机器人10的具体数据；足底与质心各自的期望加速度及腰部的期望角加速度的相关计算也可直接由仿人机器人10自行执行。
因此，为确保所述仿人机器人10能够获取到与当前足底、质心及腰部的运动数据对应的期望加速度和期望角加速度，本申请可通过提供图3及图4所示的步骤S220的子步骤流程示意图，实现上述步骤S220的具体执行。
可选地，请参照图3，图3是图2中的步骤S220包括的子步骤的流程示意图之一。在本实施例中，所述仿人机器人10的平衡期望轨迹包括足底与质心两项平衡控制部位各自对应的预设平衡轨迹，所述预设平衡轨迹包括对应平衡控制部位的参考加速度、参考位姿及参考速度，此时所述步骤S220中的根据该仿人机器人10在足底与质心处的运动数据，获取足底与质心各自趋向于当前平衡期望轨迹的期望加速度的步骤，可以包括子步骤S221、子步骤S222及子步骤S223。
子步骤S221，针对足底与质心中的每项平衡控制部位，将该平衡控制部位的参考位姿与运动位姿进行减法运算，并将该平衡控制部位的参考速度与运动速度进行减法运算，得到对应的位姿差异值及速度差异值。
在本实施例中，所述仿人机器人10在面对足底与质心两项平衡控制部位时，会针对每项平衡控制部位(足底或质心)计算该平衡控制部位在当前时刻下对应的参考位姿与获取到的运动位姿之间的差异状况，以及该平衡控制部位在当前时刻下对应的参考速度与获取到的运动速度之间的差异状况。即将该平衡控制部位当前时刻的参考位姿与获取到的运动位姿进行减法运算，得到对应的位姿差异值；将该平衡控制部位当前时刻的参考速度与获取到的运动速度进行减法运算，得到对应的速度差异值。
此时，针对足底，可采用
Figure BDA0002620590890000081
表示足底在k时刻时的位姿差异值，可采用
Figure BDA0002620590890000082
表示足底在k时刻的速度差异值。其中，足底的位姿差异值与速度差异值的计算公式可依次表达为：
Figure BDA0002620590890000083
Figure BDA0002620590890000084
其中，
Figure BDA0002620590890000085
表示足底在k时刻时的参考位姿，rFoot(k)表示足底在k时刻时相对于世界坐标系的运动位姿，
Figure BDA0002620590890000086
表示足底在k时刻时的参考速度，vFoot(k)表示足底在k时刻时相对于世界坐标系的运动速度。
此时，针对质心，可采用
Figure BDA0002620590890000087
表示质心在k时刻时的位姿差异值，可采用
Figure BDA0002620590890000088
表示质心在k时刻的速度差异值。其中，质心的位姿差异值与速度差异值的计算公式可依次表达为：
Figure BDA0002620590890000091
Figure BDA0002620590890000092
其中，
Figure BDA0002620590890000093
表示质心在k时刻时的参考位姿，rCOM(k)表示质心在k时刻时相对于世界坐标系的运动位姿，
Figure BDA0002620590890000094
表示质心在k时刻时的参考速度，vCOM(k)表示质心在k时刻时相对于世界坐标系的运动速度。
步骤S222，在得到的位姿差异值与速度差异值中选取与该平衡控制部位所对应的预设控制函数匹配的差异参数。
在本实施例中，所述预设控制函数用于将对应平衡控制部位的运动状况调整到预期状况。不同平衡控制部位所对应的预设控制函数所采用的控制算法原理可以相同，也可以不同。比如，针对足底的预设控制函数可采用PID控制算法、PI控制算法、PD控制算法及P控制算法中的任意一种，而针对质心的预设控制函数可采用PID控制算法、PI控制算法、PD控制算法及P控制算法中的任意一种。其中，针对同一平衡控制部位的不同预设控制函数各自也因涉及到的算法原理不同而可能采用不同的计算参数进行期望加速度的相关运算。因此，所述仿人机器人10在确定出质心或足底在当前时刻对应的位姿差异值及速度差异值后，会按照当前选定的预设控制函数从确定出的位姿差异值及速度差异值中，选取该预设控制函数所涉及的差异参数。
在本实施例的一种实施方式中，若足底的预设控制函数基于PD控制算法实现时，则该预设控制函数所涉及的差异参数包括位姿差异值及速度差异值，此时该预设控制函数可表示为：
Figure BDA0002620590890000095
若足底的预设控制函数基于PID控制算法实现时，则该预设控制函数所涉及的差异参数包括位姿差异值及速度差异值，此时该预设控制函数可表示为：
Figure BDA0002620590890000101
若足底的预设控制函数基于PI控制算法实现时，则该预设控制函数所涉及的差异参数包括位姿差异值，此时该预设控制函数可表示为：
Figure BDA0002620590890000102
若足底的预设控制函数基于P控制算法实现时，则该预设控制函数所涉及的差异参数包括位姿差异值，此时该预设控制函数可表示为：
Figure BDA0002620590890000103
其中，
Figure BDA0002620590890000104
表示足底在k时刻时的期望加速度，
Figure BDA0002620590890000105
表示足底在k时刻时的参考加速度，
Figure BDA0002620590890000106
表示足底在k时刻时的位姿差异值，
Figure BDA0002620590890000107
表示足底在k时刻的速度差异值，KpF表示足底比例控制环节的控制系数，KiF表示足底积分控制环节的控制系数，KdF表示足底微分控制环节的控制系数。
在本实施例的另一种实施方式中，若质心的预设控制函数基于PD控制算法实现时，则该预设控制函数所涉及的差异参数包括位姿差异值及速度差异值，此时该预设控制函数可表示为：
Figure BDA0002620590890000108
若质心的预设控制函数基于PID控制算法实现时，则该预设控制函数所涉及的差异参数包括位姿差异值及速度差异值，此时该预设控制函数可表示为：
Figure BDA0002620590890000109
若质心的预设控制函数基于PI控制算法实现时，则该预设控制函数所涉及的差异参数包括位姿差异值，此时该预设控制函数可表示为：
Figure BDA0002620590890000111
若质心的预设控制函数基于P控制算法实现时，则该预设控制函数所涉及的差异参数包括位姿差异值，此时该预设控制函数可表示为：
Figure BDA0002620590890000112
其中，
Figure BDA0002620590890000113
表示质心在k时刻时的期望加速度，
Figure BDA0002620590890000114
表示质心在k时刻时的参考加速度，
Figure BDA0002620590890000115
表示质心在k时刻时的位姿差异值，
Figure BDA0002620590890000116
表示质心在k时刻的速度差异值，KpC表示质心比例控制环节的控制系数，KiC表示质心积分控制环节的控制系数，KdC表示质心微分控制环节的控制系数。
步骤S223，将该平衡控制部位的参考加速度与选取的差异参数值代入对应的预设控制函数进行参数计算，得到该平衡控制部位的期望加速度。
在本实施例中，当仿人机器人10在确定出质心或足底在当前时刻对应的涉及预设控制函数匹配的差异参数后，会将对应平衡控制部位的参考加速度与选取的差异参数值代入对应的预设控制函数进行参数计算，得到该平衡控制部位的期望加速度。其中具体的预设控制函数可参照上述两项实施方式进行具体设计。
可选地，请参照图4，图4是图2中的步骤S220包括的子步骤的流程示意图之二。在本实施例中，所述仿人机器人10的平衡期望轨迹还包括腰部的预设平衡轨迹，所述腰部的预设平衡轨迹包括腰部的参考角加速度、参考姿态角及参考角速度，此时所述步骤S220中的根据该仿人机器人10在腰部处的运动数据，获取腰部趋向于当前平衡期望轨迹的期望角加速度的步骤，可以包括子步骤S225、子步骤S226及子步骤S227。
子步骤S225，将腰部的参考姿态角与运动姿态角进行减法运算，并将腰部的参考角速度与运动角速度进行减法运算，得到对应的姿态角差异值及角速度差异值。
在本实施例中，所述仿人机器人10在面对腰部这一项平衡控制部位时，会计算该平衡控制部位在当前时刻下对应的参考姿态角与获取到的运动姿态角之间的差异状况，以及该平衡控制部位在当前时刻下对应的参考角速度与获取到的运动角速度之间的差异状况。即将该平衡控制部位当前时刻的参考姿态角与获取到的运动姿态角进行减法运算，得到对应的姿态角差异值；将该平衡控制部位当前时刻的参考角速度与获取到的运动角速度进行减法运算，得到对应的角速度差异值。
此时，针对腰部，可采用
Figure BDA0002620590890000121
表示腰部在k时刻时的姿态角差异值，可采用
Figure BDA0002620590890000122
表示足底在k时刻的角速度差异值。其中，腰部的姿态角差异值与角速度差异值的计算公式可依次表达为：
Figure BDA0002620590890000123
Figure BDA0002620590890000124
其中，
Figure BDA0002620590890000125
表示腰部在k时刻时的参考姿态角，rWaist(k)表示腰部在k时刻时相对于世界坐标系的运动姿态角，
Figure BDA0002620590890000126
表示腰部在k时刻时的参考角速度，vWaist(k)表示腰部在k时刻时相对于世界坐标系的运动角速度。
子步骤S226，在姿态角差异值及角速度差异值中选取与腰部所对应的预设控制函数匹配的差异角参数。
在本实施例中，与腰部对应的预设控制函数也可采用PID控制算法、PI控制算法、PD控制算法及P控制算法中的任意一种，所述仿人机器人10在确定出腰部在当前时刻对应的姿态角差异值及角速度差异值后，会按照当前选定的预设控制函数从确定出的姿态角差异值及角速度差异值中，选取该预设控制函数所涉及的差异角参数。
在本实施例的一种实施方式中，若腰部的预设控制函数基于PD控制算法实现时，则该预设控制函数所涉及的差异参数包括姿态角差异值及角速度差异值，此时该预设控制函数可表示为：
Figure BDA0002620590890000127
若腰部的预设控制函数基于PID控制算法实现时，则该预设控制函数所涉及的差异参数包括姿态角差异值及角速度差异值，此时该预设控制函数可表示为：
Figure BDA0002620590890000131
若腰部的预设控制函数基于PI控制算法实现时，则该预设控制函数所涉及的差异参数包括姿态角差异值，此时该预设控制函数可表示为：
Figure BDA0002620590890000132
若腰部的预设控制函数基于P控制算法实现时，则该预设控制函数所涉及的差异参数包括姿态角差异值，此时该预设控制函数可表示为：
Figure BDA0002620590890000133
其中，
Figure BDA0002620590890000134
表示腰部在k时刻时的期望角加速度，
Figure BDA0002620590890000135
表示腰部在k时刻时的参考角加速度，
Figure BDA0002620590890000136
表示腰部在k时刻时的姿态角差异值，
Figure BDA0002620590890000137
表示足底在k时刻的角速度差异值，KpW表示腰部比例控制环节的控制系数，KiW表示腰部积分控制环节的控制系数，KdW表示腰部微分控制环节的控制系数。
步骤S227，将腰部的参考角加速度与选取的差异角参数代入对应的预设控制函数中进行计算，得到腰部的期望角加速度。
在本实施例中，当仿人机器人10在确定出腰部在当前时刻对应的涉及预设控制函数匹配的差异角参数后，会将对应平衡控制部位的参考角加速度与选取的差异角参数值代入对应的预设控制函数进行参数计算，得到该平衡控制部位的期望角加速度。其中具体的预设控制函数可参照上述关于腰部的实施方式进行具体设计。
请再次参照图2，步骤S230，基于各关节角速度、腰部的期望加速度以及足底与质心各自的期望加速度，计算该仿人机器人在符合当前平衡期望轨迹下同时满足足底控制需求、质心控制需求及腰部控制需求的各关节期望角加速度。
在本实施例中，所述仿人机器人10在确定出当前的各关节角速度、腰部的期望加速度以及足底与质心各自的期望加速度后，会从同时影响足底控制效果、质心控制效果及腰部控制效果的器件控制的角度，对该仿人机器人10的各关节的运行状况进行控制，以通过调整后的各关节的具体状态同时满足足底、质心及腰部对平衡的需求，避免足底控制操作、质心控制操作及腰部控制操作在平衡控制过程中之间的控制干扰，降低平衡控制难度。下面对本申请通过引入零空间与伪逆矩阵概念，来求得符合当前平衡期望轨迹的各关节期望角加速度的示例进行详细描述。其中，足底控制需求可表示为保证仿人机器人10的足底不离开地面，质心控制需求可表示为保证仿人机器人10不发生倾倒，腰部控制需求可表示为保证仿人机器人10能够真正恢复为平衡状态。
可选地，请参照图5，图5是图2中的步骤S230包括的子步骤的流程示意图。在本实施例中，所述步骤S230可以包括子步骤S231、子步骤S232及子步骤S233。
子步骤S231，根据各关节角速度及足底的运动速度，计算作用于足底的第一零空间矩阵。
在本实施例中，所述第一零空间矩阵用于表示足底的运动速度与各关节角速度之间的映射关系的零空间状况。所述仿人机器人10可通过确定当前足底的运动速度与各关节角速度之间的映射关系，而后基于映射关系确定对应的第一零空间矩阵。
可选地，请参照图6，图6是图5中的子步骤S231包括的子步骤的流程示意图。其中，所述子步骤S231可以包括子步骤S2311、子步骤S2312及子步骤S2313。
子步骤S2311，计算足底的运动速度与各关节角速度之间的第一关系映射矩阵。
子步骤S2312，对第一关系映射矩阵进行矩阵伪逆运算，得到对应的第一伪逆矩阵。
子步骤S2313，对单位矩阵与经第一关系映射矩阵和第一伪逆矩阵相乘得到的矩阵进行矩阵减法运算，得到对应的第一零空间矩阵。
在本实施例中，足底的运动速度与各关节角速度之间的映射关系可用如下式子进行表达：
Figure BDA0002620590890000151
其中，vFoot表示足底的运动速度在世界坐标系下的矩阵表达，
Figure BDA0002620590890000152
为各关节角速度的矩阵表达，JFoot用于表示第一关系映射矩阵。所述第一关系映射矩阵为雅克比矩阵。
第一伪逆矩阵的计算公式可用如下式子进行表达：
(JFoot)+＝(JFoot)T(JFoot(JFoot)T)-1。
其中，JFoot用于表示第一关系映射矩阵，(JFoot)+用于表示第一伪逆矩阵。
第一零空间矩阵的计算公式可用如下式子进行表达：
N1＝I-(JFoot)+JFoot。
其中，N1用于表示第一零空间矩阵，I用于表示单位矩阵，JFoot用于表示第一关系映射矩阵，(JFoot)+用于表示第一伪逆矩阵。
子步骤S232，根据各关节角速度、第一零空间矩阵以及质心的运动数据，计算同时作用于足底及质心的第二零空间矩阵。
在本实施例中，所述第二零空间矩阵用于表示质心的运动数据与各关节角速度之间的映射关系在第一零空间矩阵所对应的零空间内的影响足底控制效果的零空间状况。所述仿人机器人10可通过确定当前质心的运动速度与各关节角速度之间的映射关系，而后基于映射关系以及第一零空间矩阵确定对应的第二零空间矩阵。
可选地，请参照图7，图7是图5中的子步骤S232包括的子步骤的流程示意图。其中，所述子步骤S231可以包括子步骤S2321、子步骤S2322、子步骤S2323及子步骤S2324。
子步骤S2321，计算质心的运动速度与各关节角速度之间的第二关系映射矩阵。
子步骤S2322，对第二关系映射矩阵与第一零空间矩阵进行矩阵乘法运算，得到对应的第一参照矩阵。
子步骤S2323，对第一参照矩阵进行矩阵伪逆运算，得到对应的第二伪逆矩阵。
子步骤S2324，对单位矩阵与经第一参照矩阵和第二伪逆矩阵相乘得到的矩阵进行矩阵减法运算，得到对应的第二零空间矩阵。
在本实施例中，质心的运动速度与各关节角速度之间的映射关系可用如下式子进行表达：
Figure BDA0002620590890000161
其中，vCOM表示质心的运动速度在世界坐标系下的矩阵表达，
Figure BDA0002620590890000162
为各关节角速度的矩阵表达，JCOM用于表示第二关系映射矩阵。所述第二关系映射矩阵为雅克比矩阵。
第二伪逆矩阵的计算公式可用如下式子进行表达：
(JCOMN1)+＝(JCOMN1)T(JCOMN1(JCOMN1)T)-1。
其中，JCOMN1用于表示第一参照矩阵，(JCOMN1)+用于表示第二伪逆矩阵。
第二零空间矩阵的计算公式可用如下式子进行表达：
N2＝I-(JCOMN1)+JCOMN1。
其中，N2用于表示第二零空间矩阵，I用于表示单位矩阵，JCOMN1用于表示第一参照矩阵，(JCOMN1)+用于表示第二伪逆矩阵。
子步骤S233，根据各关节角速度、第一零空间矩阵、第二零空间矩阵、腰部的期望加速度以及足底与质心各自的期望加速度，计算该仿人机器人在符合当前平衡期望轨迹下同时满足第一零空间矩阵所对应的零空间及第二零空间矩阵所对应的零空间的各关节角加速度，得到对应的各关节期望角加速度。
在本实施例中，所述仿人机器人10在确定出第一零空间矩阵与第二零空间矩阵后，可基于足底控制操作、质心控制操作及腰部控制操作之间的影响关系，按照消除三项操作之间的控制干扰的核心，计算求得同时在第一零空间矩阵所对应的零空间与第二零空间矩阵所对应的零空间内有效的符合当前平衡期望轨迹的各关节期望角加速度。
其中，当所述仿人机器人10单独将足底控制操作作为平衡控制过程中最重要的第一层级子控制任务时，足底控制操作与各关节角加速度之间的控制关系即可采用如下式子进行表达：
Figure BDA0002620590890000171
式中，aFoot为足底的加速度在世界坐标系下的矩阵表达，JFoot用于表示第一关系映射矩阵，
Figure BDA0002620590890000172
用于表示第一关系映射矩阵的导数，
Figure BDA0002620590890000173
为各关节角速度的矩阵表达，
Figure BDA0002620590890000174
为各关节角加速度的矩阵表达。
此时，当仿人机器人10想要将足底控制操作调整到保证足底不离开地面的状态时，需保证第一零空间矩阵所对应的零空间内符合上述式子中的
Figure BDA0002620590890000175
则各关节角加速度可采用如下式子进行求解：
Figure BDA0002620590890000176
式中，(JFoot)+用于表示第一伪逆矩阵，
Figure BDA0002620590890000177
用于表示足底的期望加速度，
Figure BDA0002620590890000178
用于表示第一关系映射矩阵的导数，
Figure BDA0002620590890000179
为各关节角速度的矩阵表达，N1用于表示第一零空间矩阵，ξ1可以为任何向量。
其中，当所述仿人机器人10单独将质心控制操作作为平衡控制过程中次级重要的第二层级子控制任务时，质心控制操作与各关节角加速度之间的控制关系即可采用如下式子进行表达：
Figure BDA00026205908900001710
式中，aCOM为质心的加速度在世界坐标系下的矩阵表达，JCOM用于表示第二关系映射矩阵，
Figure BDA00026205908900001711
用于表示第二关系映射矩阵的导数，
Figure BDA00026205908900001712
为各关节角速度的矩阵表达，
Figure BDA00026205908900001713
为各关节角加速度的矩阵表达。
此时，当仿人机器人10想要将质心控制操作调整到保证机器人不倾倒的状态时，需在保证足底控制操作能达到足底不脱离地面的基础上，在第一零空间矩阵所对应的零空间内求解上述式子中的
Figure BDA0002620590890000181
则必定要求ξ1为某个特定向量，以同时达到第一层级子控制任务与第二层级子控制任务各自期望的效果。此时，ξ1的具体数值可采用如下式子进行求解：
Figure BDA0002620590890000182
式中，JCOM用于表示第二关系映射矩阵，(JCOMN1)+用于表示第二伪逆矩阵，
Figure BDA0002620590890000183
用于表示质心的期望加速度，
Figure BDA0002620590890000184
用于表示第二关系映射矩阵的导数，N2用于表示第二零空间矩阵，(JFoot)+用于表示第一伪逆矩阵，
Figure BDA0002620590890000185
用于表示足底的期望加速度，
Figure BDA0002620590890000186
用于表示第一关系映射矩阵的导数，
Figure BDA0002620590890000187
为各关节角速度的矩阵表达，N1用于表示第一零空间矩阵，ξ2可以为任何向量。
其中，当所述仿人机器人10单独将腰部控制操作作为平衡控制过程中最次级重要的第三层级子控制任务时，腰部控制操作与各关节角加速度之间的控制关系即可采用如下式子进行表达：
Figure BDA0002620590890000188
式中，
Figure BDA0002620590890000189
为腰部的角加速度在世界坐标系下的矩阵表达，JWaist为用于表示腰部的运动角速度与各关节角速度之间的映射关系的第三关系映射矩阵，
Figure BDA00026205908900001810
用于表示第三关系映射矩阵的导数，
Figure BDA00026205908900001811
为各关节角速度的矩阵表达，
Figure BDA00026205908900001812
为各关节角加速度的矩阵表达。
此时，当仿人机器人10想要将腰部控制操作调整到保证机器人处于平衡状态时，需在同时达到第一层级子控制任务与第二层级子控制任务各自期望的效果的基础上，在第二零空间矩阵所对应的零空间内求解上述式子中的
Figure BDA00026205908900001813
则必定要求ξ2也为某个特定向量。此时，ξ2的具体数值可采用如下式子进行求解：
Figure BDA00026205908900001814
其中，JFoot用于表示第一关系映射矩阵，(JFoot)+用于表示第一伪逆矩阵，
Figure BDA0002620590890000191
用于表示足底的期望加速度，
Figure BDA0002620590890000192
用于表示第一关系映射矩阵的导数，
Figure BDA0002620590890000193
为各关节角速度的矩阵表达，N1用于表示第一零空间矩阵，JCOM用于表示第二关系映射矩阵，(JCOMN1)+用于表示第二伪逆矩阵，
Figure BDA0002620590890000194
用于表示质心的期望加速度，
Figure BDA0002620590890000195
用于表示第二关系映射矩阵的导数，N2用于表示第二零空间矩阵，JWaist用于表示第三关系映射矩阵，(JWaistN1N2)+用于表示对由第三关系映射矩阵、第一零空间矩阵及第二零空间矩阵通过矩阵乘法得到的第二参照矩阵进行伪逆运算后得到的第三伪逆矩阵，
Figure BDA0002620590890000196
用于表示腰部的期望角加速度，
Figure BDA0002620590890000197
用于表示第三关系映射矩阵的导数。
因此，所述仿人机器人10在要达到真正的平衡控制效果时，必定需要同时满足上述三个层级子控制任务各自的期望效果，即同时满足足底控制需求、质心控制需求及腰部控制需求，为此必定要求上述的ξ1为某个特定向量，ξ2也为某个特定向量，进而保证最终求得的各关节角加速度
Figure BDA0002620590890000198
是能够实现最终的机器人平衡效果的各关节期望角加速度，此时的ξ1即可用于表示仿人机器人10在第一零空间矩阵所对应的零空间内用于消除质心控制需求对足底控制需求的控制干扰的影响参数，ξ2即可用于表示仿人机器人10在第二零空间矩阵所对应的零空间内用于消除腰部控制需求对足底控制需求及质心控制需求的控制干扰的影响参数。该仿人机器人10可通过计算出上述两个影响参数，进而代入计算各关节角加速度的公式中，计算出当前匹配的各关节期望角加速度。
具体地，请参照图8，图8是图5中的子步骤S233包括的子步骤的流程示意图。其中，所述子步骤S233可以包括子步骤S2331、子步骤S2332、子步骤S2333、子步骤S2334、子步骤S2335及子步骤S2336。
子步骤S23331，计算腰部的运动角速度与各关节角速度之间的第三关系映射矩阵。
子步骤S23332，对第三关系映射矩阵、第一零空间矩阵及第二零空间矩阵进行矩阵乘法运算，得到对应的第二参照矩阵。
子步骤S23333，对第二参照矩阵进行矩阵伪逆运算，得到对应的第三伪逆矩阵。
子步骤S23334，根据第一零空间矩阵、第一关系映射矩阵、第一伪逆矩阵、足底的期望加速度、第二伪逆矩阵、质心的期望加速度、第二关系映射矩阵、腰部的期望角加速度、第三关系映射矩阵、第三伪逆矩阵及各关节角速度，计算该仿人机器人在第二零空间矩阵所对应的零空间内用于消除腰部控制需求对足底控制需求及质心控制需求的控制干扰的影响参数。
子步骤S23335，根据第二伪逆矩阵、质心的期望加速度、第二关系映射矩阵、第一伪逆矩阵、足底的期望加速度、第一关系映射矩阵、第二零空间矩阵、各关节角速度及该仿人机器人在第一零空间矩阵所对应的零空间内的影响参数，计算该仿人机器人在第一零空间矩阵所对应的零空间内用于消除质心控制需求对足底控制需求的控制干扰的影响参数。
子步骤S23336，根据第一伪逆矩阵、足底的期望加速度、第一关系映射矩阵、第一零空间矩阵、各关节角速度及该仿人机器人在第一零空间矩阵所对应的零空间内的影响参数，计算该仿人机器人在符合当前平衡期望轨迹下对应的各关节期望角加速度。
在本实施例中，腰部的运动角加速度与各关节角速度之间的映射关系可用如下式子进行表达：
Figure BDA0002620590890000201
其中，vWaist表示腰部的运动角速度在世界坐标系下的矩阵表达，
Figure BDA0002620590890000202
为各关节角速度的矩阵表达，JWaist用于表示第三关系映射矩阵。所述第三关系映射矩阵为雅克比矩阵。
第三伪逆矩阵的计算公式可用如下式子进行表达：
(JWaistN1N2)+＝(JWaistN1N2)T(JWaistN1N2(JWaistN1N2)T)-1。
其中，JWaistN1N2用于表示第二参照矩阵，(JWaistN1N2)+用于表示第三伪逆矩阵。
仿人机器人10在第二零空间矩阵所对应的零空间内的影响参数的计算公式、仿人机器人10在第一零空间矩阵所对应的零空间内的影响参数的计算公式以及该仿人机器人10的各关节期望角加速度的计算公式依次如下所示：
Figure BDA0002620590890000211
Figure BDA0002620590890000212
Figure BDA0002620590890000213
其中，ξ2为仿人机器人10在第二零空间矩阵所对应的零空间内的影响参数，ξ1为仿人机器人10在第一零空间矩阵所对应的零空间内的影响参数，
Figure BDA0002620590890000214
为各关节期望角加速度的矩阵表达，JFoot用于表示第一关系映射矩阵，(JFoot)+用于表示第一伪逆矩阵，
Figure BDA0002620590890000215
用于表示足底的期望加速度，
Figure BDA0002620590890000216
用于表示第一关系映射矩阵的导数，
Figure BDA0002620590890000217
为各关节角速度的矩阵表达，N1用于表示第一零空间矩阵，JCOM用于表示第二关系映射矩阵，(JCOMN1)+用于表示第二伪逆矩阵，
Figure BDA0002620590890000218
用于表示质心的期望加速度，
Figure BDA0002620590890000219
用于表示第二关系映射矩阵的导数，N2用于表示第二零空间矩阵，JWaist用于表示第三关系映射矩阵，(JWaistN1N2)+用于表示第三伪逆矩阵，
Figure BDA00026205908900002110
用于表示腰部的期望角加速度，
Figure BDA00026205908900002111
用于表示第三关系映射矩阵的导数。
请再次参照图2，步骤S240，基于各关节角位移按照得到的各关节期望角加速度控制该仿人机器人的各真实关节运行，使该仿人机器人按照当前平衡期望轨迹保持平衡。
在本实施例中，当仿人机器人10确定出能够同时满足足底控制需求、质心控制需求及腰部控制需求的各关节期望角加速度后，可通过对各关节期望角加速度进行积分处理，得到对应的各关节期望角速度的具体内容，而后在获取到的各关节角位移的基础上对匹配的关节期望角速度进行积分处理，得到可直接针对各关节进行指令控制的各关节期望角位移。此时，该仿人机器人10将从计算出的各关节期望角位移(包括各真实关节所对应的期望角位移及各虚拟关节所对应的期望角位移)中提取出各真实关节对应的期望角位移，并将提取出的各真实关节的期望角位移发送到对应的真实关节的驱动电机处，使所述仿人机器人10按照各真实关节的期望角位移控制对应真实关节的运动状况，以确保该仿人机器人10通过调整同时影响各局部形体部位(包括足底、质心及腰部)的平衡控制效果的各真实关节的运动状况，实现最终的机器人平衡效果，避免足底控制操作、质心控制操作及腰部控制操作在平衡控制过程中之间的控制干扰，并同时满足机器人在足底、质心及腰部处的控制需求，降低平衡控制难度。其中，上述的积分处理可采用双线性变换、前向差分及后向差分等方法中的任意一种。
在本申请中，为确保所述仿人机器人10所包括的平衡控制装置100能够正常实施，本申请通过对所述平衡控制装置100进行功能模块划分的方式实现其功能。下面对本申请提供的平衡控制装置100的具体组成进行相应描述。
可选地，请参照图9，图9是本申请实施例提供的平衡控制装置100的功能模块示意图。在本申请实施例中，所述平衡控制装置100包括运动数据获取模块110、平衡期望获取模块120、关节期望计算模块130及关节平衡控制模块140。
运动数据获取模块110，用于获取仿人机器人当前的各关节角速度和各关节角位移，以及该仿人机器人当前在足底、质心和腰部处的运动数据。
平衡期望获取模块120，用于根据该仿人机器人在足底、质心及腰部处的运动数据，获取足底与质心各自趋向于当前平衡期望轨迹的期望加速度，以及腰部趋向于当前平衡期望轨迹的期望角加速度。
关节期望计算模块130，用于基于各关节角速度、腰部的期望加速度以及足底与质心各自的期望加速度，计算该仿人机器人在符合当前平衡期望轨迹下同时满足足底控制需求、质心控制需求及腰部控制需求的各关节期望角加速度。
关节平衡控制模块140，用于基于各关节角位移按照得到的各关节期望角加速度控制该仿人机器人的各真实关节运行，使该仿人机器人按照当前平衡期望轨迹保持平衡。
需要说明的是，本申请实施例所提供的平衡控制装置100，其基本原理及产生的技术效果与前述的平衡控制方法相同，为简要描述，本实施例部分未提及之处，可参考上述的针对平衡控制方法的描述内容。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本申请的实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
另外，在本申请各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个可读存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个可读存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的可读存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
综上所述，在本申请提供的一种平衡控制方法、装置、仿人机器人及可读存储介质中，本申请通过获取仿人机器人当前的各关节角速度、各关节角位移以及足底、质心和腰部处的运动数据，而后基于得到的足底、质心及腰部处对应的运动数据，获取足底与质心各自趋向于当前平衡期望轨迹的期望加速度，以及腰部趋向于当前平衡期望轨迹的期望角加速度，进而根据各关节角速度、腰部的期望加速度以及足底与质心各自的期望加速度，计算出该仿人机器人在符合平衡期望轨迹的情况下同时满足足底、质心及腰部处的控制需求的各关节期望角加速度，并基于各关节角位移按照得到的各关节期望角加速度控制该仿人机器人的各真实关节运行，得以通过调节真实关节的运行状态同时实现足底、质心及腰部处的平衡控制效果，避免足底、质心及腰部之间的控制干扰，降低平衡控制难度。
以上所述，仅为本申请的各种实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种平衡控制方法，其特征在于，所述方法包括：
获取仿人机器人当前的各关节角速度和各关节角位移，以及该仿人机器人当前在足底、质心和腰部处的运动数据；
根据该仿人机器人在足底、质心及腰部处的运动数据，获取足底与质心各自趋向于当前平衡期望轨迹的期望加速度，以及腰部趋向于当前平衡期望轨迹的期望角加速度；
基于各关节角速度、腰部的期望加速度以及足底与质心各自的期望加速度，计算该仿人机器人在符合当前平衡期望轨迹下同时满足足底控制需求、质心控制需求及腰部控制需求的各关节期望角加速度；
基于各关节角位移按照得到的各关节期望角加速度控制该仿人机器人的各真实关节运行，使该仿人机器人按照当前平衡期望轨迹保持平衡。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述平衡期望轨迹包括足底与质心两项平衡控制部位对应的预设平衡轨迹，其中所述预设平衡轨迹包括对应平衡控制部位的参考加速度、参考位姿及参考速度，所述足底的运动数据包括足底的运动速度及运动位姿，所述质心的运动数据包括质心的运动位姿及运动速度，则根据该仿人机器人在足底与质心处的运动数据，获取足底与质心各自趋向于当前平衡期望轨迹的期望加速度的步骤，包括：
针对足底与质心中的每项平衡控制部位，将该平衡控制部位的参考位姿与运动位姿进行减法运算，并将该平衡控制部位的参考速度与运动速度进行减法运算，得到对应的位姿差异值及速度差异值；
在得到的位姿差异值与速度差异值中选取与该平衡控制部位所对应的预设控制函数匹配的差异参数；
将该平衡控制部位的参考加速度与选取的差异参数值代入对应的预设控制函数进行参数计算，得到该平衡控制部位的期望加速度。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述平衡期望轨迹还包括腰部的预设平衡轨迹，所述腰部的预设平衡轨迹包括腰部的参考角加速度、参考姿态角及参考角速度，所述腰部的运动数据包括腰部的运动姿态角及运动角速度，则根据该仿人机器人在腰部处的运动数据，获取腰部趋向于当前平衡期望轨迹的期望角加速度的步骤，包括：
将腰部的参考姿态角与运动姿态角进行减法运算，并将腰部的参考角速度与运动角速度进行减法运算，得到对应的姿态角差异值及角速度差异值；
在姿态角差异值及角速度差异值中选取与腰部所对应的预设控制函数匹配的差异角参数；
将腰部的参考角加速度与选取的差异角参数代入对应的预设控制函数中进行计算，得到腰部的期望角加速度。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述基于各关节角速度、腰部的期望加速度以及足底与质心各自的期望加速度，计算该仿人机器人在符合当前平衡期望轨迹下同时满足足底控制需求、质心控制需求及腰部控制需求的各关节期望角加速度的步骤，包括：
根据各关节角速度及足底的运动速度，计算作用于足底的第一零空间矩阵；
根据各关节角速度、第一零空间矩阵以及质心的运动速度，计算同时作用于足底及质心的第二零空间矩阵；
根据各关节角速度、第一零空间矩阵、第二零空间矩阵、腰部的期望加速度以及足底与质心各自的期望加速度，计算该仿人机器人在符合当前平衡期望轨迹下同时满足第一零空间矩阵所对应的零空间及第二零空间矩阵所对应的零空间的各关节角加速度，得到对应的各关节期望角加速度。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据各关节角速度及足底的运动速度，计算作用于足底的第一零空间矩阵的步骤，包括：
计算足底的运动速度与各关节角速度之间的第一关系映射矩阵；
对第一关系映射矩阵进行矩阵伪逆运算，得到对应的第一伪逆矩阵；
对单位矩阵与经第一关系映射矩阵和第一伪逆矩阵相乘得到的矩阵进行矩阵减法运算，得到对应的第一零空间矩阵。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据各关节角速度、第一零空间矩阵以及质心的运动数据，计算同时作用于足底及质心的第二零空间矩阵的步骤，包括：
计算质心的运动速度与各关节角速度之间的第二关系映射矩阵；
对第二关系映射矩阵与第一零空间矩阵进行矩阵乘法运算，得到对应的第一参照矩阵；
对第一参照矩阵进行矩阵伪逆运算，得到对应的第二伪逆矩阵；
对单位矩阵与经第一参照矩阵和第二伪逆矩阵相乘得到的矩阵进行矩阵减法运算，得到对应的第二零空间矩阵。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述根据各关节角速度、第一零空间矩阵、第二零空间矩阵、腰部的期望加速度以及足底与质心各自的期望加速度，计算该仿人机器人在符合当前平衡期望轨迹下同时满足第一零空间矩阵所对应的零空间及第二零空间矩阵所对应的零空间的各关节角加速度，得到对应的各关节期望角加速度的步骤，包括：
计算腰部的运动角速度与各关节角速度之间的第三关系映射矩阵；
对第三关系映射矩阵、第一零空间矩阵及第二零空间矩阵进行矩阵乘法运算，得到对应的第二参照矩阵；
对第二参照矩阵进行矩阵伪逆运算，得到对应的第三伪逆矩阵；
根据第一零空间矩阵、第一关系映射矩阵、第一伪逆矩阵、足底的期望加速度、第二伪逆矩阵、质心的期望加速度、第二关系映射矩阵、腰部的期望角加速度、第三关系映射矩阵、第三伪逆矩阵及各关节角速度，计算该仿人机器人在第二零空间矩阵所对应的零空间内用于消除腰部控制需求对足底控制需求及质心控制需求的控制干扰的影响参数；
根据第二伪逆矩阵、质心的期望加速度、第二关系映射矩阵、第一伪逆矩阵、足底的期望加速度、第一关系映射矩阵、第二零空间矩阵、各关节角速度及该仿人机器人在第一零空间矩阵所对应的零空间内的影响参数，计算该仿人机器人在第一零空间矩阵所对应的零空间内用于消除质心控制需求对足底控制需求的控制干扰的影响参数；
根据第一伪逆矩阵、足底的期望加速度、第一关系映射矩阵、第一零空间矩阵、各关节角速度及该仿人机器人在第一零空间矩阵所对应的零空间内的影响参数，计算该仿人机器人在符合当前平衡期望轨迹下对应的各关节期望角加速度。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述仿人机器人在第二零空间矩阵所对应的零空间内的影响参数的计算公式、所述仿人机器人在第一零空间矩阵所对应的零空间内的影响参数的计算公式以及该仿人机器人的各关节期望角加速度的计算公式依次如下所示：
Figure FDA0002620590880000041
Figure FDA0002620590880000042
Figure FDA0002620590880000043
其中，ξ2为仿人机器人在第二零空间矩阵所对应的零空间内的影响参数，ξ1为仿人机器人在第一零空间矩阵所对应的零空间内的影响参数，
Figure FDA0002620590880000044
为各关节期望角加速度的矩阵表达，JFoot用于表示第一关系映射矩阵，(JFoot)+用于表示第一伪逆矩阵，
Figure FDA0002620590880000045
用于表示足底的期望加速度，
Figure FDA0002620590880000046
用于表示第一关系映射矩阵的导数，
Figure FDA0002620590880000047
为各关节角速度的矩阵表达，N1用于表示第一零空间矩阵，JCOM用于表示第二关系映射矩阵，(JCOMN1)+用于表示第二伪逆矩阵，
Figure FDA0002620590880000048
用于表示质心的期望加速度，
Figure FDA0002620590880000049
用于表示第二关系映射矩阵的导数，N2用于表示第二零空间矩阵，JWaist用于表示第三关系映射矩阵，(JWaistN1N2)+用于表示第三伪逆矩阵，
Figure FDA00026205908800000410
用于表示腰部的期望角加速度，
Figure FDA00026205908800000411
用于表示第三关系映射矩阵的导数。
9.一种平衡控制装置，其特征在于，所述装置包括：
运动数据获取模块，用于获取仿人机器人当前的各关节角速度和各关节角位移，以及该仿人机器人当前在足底、质心和腰部处的运动数据；
平衡期望获取模块，用于根据该仿人机器人在足底、质心及腰部处的运动数据，获取足底与质心各自趋向于当前平衡期望轨迹的期望加速度，以及腰部趋向于当前平衡期望轨迹的期望角加速度；
关节期望计算模块，用于基于各关节角速度、腰部的期望加速度以及足底与质心各自的期望加速度，计算该仿人机器人在符合当前平衡期望轨迹下同时满足足底控制需求、质心控制需求及腰部控制需求的各关节期望角加速度；
关节平衡控制模块，用于基于各关节角位移按照得到的各关节期望角加速度控制该仿人机器人的各真实关节运行，使该仿人机器人按照当前平衡期望轨迹保持平衡。
10.一种仿人机器人，其特征在于，包括处理器和存储器，所述存储器存储有能够被所述处理器执行的机器可执行指令，所述处理器可执行所述机器可执行指令，以实现权利要求1-8中任意一项所述的平衡控制方法。
11.一种可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时，实现权利要求1-8中任意一项所述的平衡控制方法。
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