CN112731951A - 一种机器人平衡控制方法、装置、可读存储介质及机器人 - Google Patents

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CN112731951A CN202011532376.9A CN202011532376A CN112731951A CN 112731951 A CN112731951 A CN 112731951A CN 202011532376 A CN202011532376 A CN 202011532376A CN 112731951 A CN112731951 A CN 112731951A
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刘益彰
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Abstract

本申请属于机器人技术领域，尤其涉及一种机器人平衡控制方法、装置、计算机可读存储介质及机器人。所述方法建立起一个不同于现有技术的全新的飞轮模型，在这一飞轮模型中，机器人的支撑足脚掌等效为飞轮模型的无质量长杆，机器人的其它部位等效为飞轮模型的飞轮，这一飞轮模型相比于现有技术中的各种模型能够更加符合机器人在单足支撑期的实际情况，基于这一飞轮模型对支撑足脚掌的姿态进行控制，可以取得更好的平衡效果，避免出现机器人倾覆的现象。

Description

一种机器人平衡控制方法、装置、可读存储介质及机器人
技术领域
本申请属于机器人技术领域，尤其涉及一种机器人平衡控制方法、装置、计算机可读存储介质及机器人。
背景技术
相对于轮式和履带机器人，双足机器人的一个很大的优势就是能够适应人类的生活环境，比如在不平整的地面上行走，上下楼梯等。现有技术中通过各种平衡控制算法，已经能够在双足机器人的双足支撑期较好地保持其平衡，但是在单足支撑期时，由于仅有单足与地面接触，较难保持平衡，极易产生机器人倾覆的现象。
发明内容
有鉴于此，本申请实施例提供了一种机器人平衡控制方法、装置、计算机可读存储介质及机器人，以解决现有的机器人平衡控制方法在单足支撑期难以保持机器人的平衡，极易产生倾覆的问题。
本申请实施例的第一方面提供了一种机器人平衡控制方法，可以包括：
将机器人的支撑足脚掌等效为飞轮模型的无质量长杆，将所述机器人的其它部位等效为所述飞轮模型的飞轮；
基于所述飞轮模型对所述支撑足脚掌的姿态进行控制。
进一步地，所述基于所述飞轮模型对所述支撑足脚掌的姿态进行控制，可以包括：
确定所述支撑足脚掌在世界坐标系下的第一旋转矩阵；
根据所述第一旋转矩阵计算所述支撑足脚掌在所述世界坐标系下的第一姿态角；
根据所述第一姿态角控制所述机器人对所述支撑足脚掌施加扭力。
进一步地，所述确定机器人的支撑足脚掌在世界坐标系下的第一旋转矩阵，可以包括：
获取所述机器人的躯干在所述世界坐标系下的第二姿态角；
根据所述第二姿态角计算所述机器人的躯干在所述世界坐标系下的第二旋转矩阵；
根据正向运动学确定所述机器人的支撑足脚掌相对于躯干的第三旋转矩阵；
根据所述第二旋转矩阵和所述第三旋转矩阵计算所述第一旋转矩阵。
进一步地，所述根据所述第二姿态角计算所述机器人的躯干在所述世界坐标系下的第二旋转矩阵，可以包括：
分别计算与所述第二姿态角中的横滚角、俯仰角、偏航角对应的横滚角旋转矩阵、俯仰角旋转矩阵、偏航角旋转矩阵；
根据所述横滚角旋转矩阵、所述俯仰角旋转和所述偏航角旋转矩阵计算所述第二旋转矩阵。
进一步地，所述根据所述第二旋转矩阵和所述第三旋转矩阵计算所述第一旋转矩阵，可以包括：
根据下式计算所述第一旋转矩阵：
Rfoot2world＝Rbody2world×Rfoot2body
其中，Rbody2world为所述第二旋转矩阵，Rfoot2body为所述第三旋转矩阵，Rfoot2world为所述第一旋转矩阵。
进一步地，所述根据所述第一旋转矩阵计算所述支撑足脚掌在所述世界坐标系下的第一姿态角，可以包括：
根据下式计算所述第一姿态角：
Figure BDA0002852414340000021
pitch_real＝atan2(-R31,R33)
yaw_real＝atan2(-R12,R22)
其中，Rij为所述第一旋转矩阵中第i行第j列的元素，roll_real为所述第一姿态角中的横滚角，pitch_real为所述第一姿态角中的俯仰角，yaw_real为所述第一姿态角中的偏航角。
进一步地，所述根据所述第一姿态角控制所述机器人对所述支撑足脚掌施加扭力，可以包括：
根据下式计算所述机器人对所述支撑足脚掌施加的扭力：
torque_x＝kp_x×(roll_desired-roll_real)
torque_y＝kp_y×(pitch_desired-pitch_real)
其中，roll_real为所述第一姿态角中的横滚角，pitch_real为所述第一姿态角中的俯仰角，roll_desired为预设的横滚角预期值，pitch_desired为预设的俯仰角预期值，kp_x和kp_y为预设的比例系数，torque_x为所述扭力在x轴方向上的分量，torque_y为所述扭力在y轴方向上的分量。
本申请实施例的第二方面提供了一种机器人平衡控制装置，可以包括：
飞轮模型建立模块，用于将机器人的支撑足脚掌等效为飞轮模型的无质量长杆，将所述机器人的其它部位等效为所述飞轮模型的飞轮；
平衡控制模块，用于基于所述飞轮模型对所述支撑足脚掌的姿态进行控制。
进一步地，所述平衡控制模块可以包括：
第一旋转矩阵确定子模块，用于确定所述支撑足脚掌在世界坐标系下的第一旋转矩阵；
第一姿态角计算子模块，用于根据所述第一旋转矩阵计算所述支撑足脚掌在所述世界坐标系下的第一姿态角；
平衡控制子模块，用于根据所述第一姿态角控制所述机器人对所述支撑足脚掌施加扭力。
进一步地，所述第一旋转矩阵确定子模块可以包括：
第二姿态角获取单元，用于获取所述机器人的躯干在所述世界坐标系下的第二姿态角；
第二旋转矩阵计算单元，用于根据所述第二姿态角计算所述机器人的躯干在所述世界坐标系下的第二旋转矩阵；
第三旋转矩阵确定单元，用于根据正向运动学确定所述机器人的支撑足脚掌相对于躯干的第三旋转矩阵；
第一旋转矩阵计算单元，用于根据所述第二旋转矩阵和所述第三旋转矩阵计算所述第一旋转矩阵。
进一步地，所述第二旋转矩阵计算单元可以包括：
第一计算子单元，用于分别计算与所述第二姿态角中的横滚角、俯仰角、偏航角对应的横滚角旋转矩阵、俯仰角旋转矩阵、偏航角旋转矩阵；
第二计算子单元，用于根据所述横滚角旋转矩阵、所述俯仰角旋转和所述偏航角旋转矩阵计算所述第二旋转矩阵。
进一步地，所述第一旋转矩阵计算单元具体用于根据下式计算所述第一旋转矩阵：
Rfoot2world＝Rbody2world×Rfoot2body
其中，Rbody2world为所述第二旋转矩阵，Rfoot2body为所述第三旋转矩阵，Rfoot2world为所述第一旋转矩阵。
进一步地，所述第一姿态角计算子模块具体用于根据下式计算所述第一姿态角：
Figure BDA0002852414340000041
pitch_real＝atan2(-R31,R33)
yaw_real＝atan2(-R12，R22)
其中，Rij为所述第一旋转矩阵中第i行第j列的元素，roll_real为所述第一姿态角中的横滚角，pitch_real为所述第一姿态角中的俯仰角，yaw_real为所述第一姿态角中的偏航角。
进一步地，所述平衡控制子模块具体用于根据下式计算所述机器人对所述支撑足脚掌施加的扭力：
torque_x＝kp_x×(roll_desired-roll_real)
torque_y＝kp_y×(pitch_desired-pitch_real)
其中，roll_real为所述第一姿态角中的横滚角，pitch_real为所述第一姿态角中的俯仰角，roll_desired为预设的横滚角预期值，pitch_desired为预设的俯仰角预期值，kp_x和kp_y为预设的比例系数，torque_x为所述扭力在x轴方向上的分量，torque_y为所述扭力在y轴方向上的分量。
本申请实施例的第三方面提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一种机器人平衡控制方法的步骤。
本申请实施例的第四方面提供了一种机器人，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一种机器人平衡控制方法的步骤。
本申请实施例的第五方面提供了一种计算机程序产品，当计算机程序产品在机器人上运行时，使得机器人执行上述任一种机器人平衡控制方法的步骤。
本申请实施例与现有技术相比存在的有益效果是：本申请实施例建立起一个不同于现有技术的全新的飞轮模型，在这一飞轮模型中，机器人的支撑足脚掌等效为飞轮模型的无质量长杆，机器人的其它部位等效为飞轮模型的飞轮，这一飞轮模型相比于现有技术中的各种模型能够更加符合机器人在单足支撑期的实际情况，基于这一飞轮模型对支撑足脚掌的姿态进行控制，可以取得更好的平衡效果，避免出现机器人倾覆的现象。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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它的附图。
图1为双足机器人由双足支撑切换至单足支撑的过程示意图；
图2为本申请实施例中一种机器人平衡控制方法的一个实施例流程图；
图3为飞轮模型的示意图；
图4为基于飞轮模型对支撑足脚掌的姿态进行控制的示意流程图；
图5为本申请实施例中一种机器人平衡控制装置的一个实施例结构图；
图6为本申请实施例中一种机器人的示意框图。
具体实施方式
为使得本申请的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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，下面所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而非全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在此本申请说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本申请。如在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
如在本说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。
另外，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
双足机器人由双足支撑到单足支撑的切换容易出现不稳定的问题，在本申请实施例中，为了避免机器人发生倾覆，可以把切换过程分为两步：第一步，移动机器人躯干使其靠近期望的支撑足，并不断检测整个机器人的零力矩点(Zero Moment Point，ZMP)；第二步，如果检测到整个机器人的ZMP稳定地落在期望的支撑足的支撑区域内，则抬起期望的悬空足，从而完成由双足支撑到单足支撑的切换。图1所示即为双足机器人由双足支撑切换至单足支撑的过程示意图，图中黑色实心圆即为ZMP。为简便起见，如无特殊说明，本申请实施例中所提及的机器人均为双足机器人。
机器人单足支撑时，可以选择控制ZMP使其落在支撑区域内来保持机器人的稳定，但是机器人的ZMP控制需要较高的力控精度，很难对其精确控制，因此在本申请实施例中提出了一种新的控制目标，即控制机器人的支撑足脚掌在世界坐标系下的姿态，避免脚掌翻转以保证机器人的稳定性。纠正机器人脚掌姿态时只需要保证机器人脚踝对脚掌的扭力的方向与脚掌姿态的误差相反即可，降低了对脚踝力控精度的要求。
机器人单足支撑时，可以将其等效为一个飞轮模型。通常可以把机器人的整个支撑腿等效为飞轮模型的无质量长杆，将支撑腿以外的部分等效为飞轮，但是因为双足机器人腿部质量比较大，将其等效为一个无质量长杆会产生较大的误差。
基于以上考虑，在本申请实施例中，可以建立起一个不同于现有技术的全新的飞轮模型，并基于这一飞轮模型对支撑足脚掌的姿态进行控制，从而取得更好的平衡效果。请参阅图2，本申请实施例中一种机器人平衡控制方法的一个实施例可以包括：
步骤S201、建立机器人的飞轮模型。
图3所示即为所述飞轮模型的示意图，其中，所述机器人的支撑足脚掌等效为所述飞轮模型的无质量长杆，所述机器人的其它部位等效为所述飞轮模型的飞轮，通过飞轮的转动可以对支撑足脚掌的姿态进行控制。
步骤S202、基于所述飞轮模型对所述支撑足脚掌的姿态进行控制，以保持所述机器人的平衡。
如图4所示，步骤S202具体可以包括如下过程：
步骤S2021、确定所述支撑足脚掌在世界坐标系下的旋转矩阵，为了便于区分，此处将其记为第一旋转矩阵。
首先，获取所述机器人的躯干在世界坐标系下的姿态角，为了便于区分，此处将其记为第二姿态角。在本申请实施例的一种具体实现中，可以通过安装在机器人躯干上的惯性测量单元(Inertial Measurement Unit，IMU)来获取所述第二姿态角，并将所述第二姿态角表示为：(roll_b,pitch_b,yaw_b)，其中，roll_b为所述第二姿态角中的横滚角，pitch_b为所述第二姿态角中的俯仰角，yaw_b为所述第二姿态角中的偏航角。
在得到所述第二姿态角之后，即可根据所述第二姿态角计算所述机器人的躯干在所述世界坐标系下的旋转矩阵，为了便于区分，此处将其记为第二旋转矩阵。
具体地，分别计算与所述第二姿态角中的横滚角、俯仰角、偏航角对应的横滚角旋转矩阵、俯仰角旋转矩阵、偏航角旋转矩阵，并根据所述横滚角旋转矩阵、所述俯仰角旋转和所述偏航角旋转矩阵计算所述第二旋转矩阵。
此处将所述横滚角旋转矩阵表示为Rx(roll_b)，对应于以世界坐标系的x轴作为旋转轴，旋转roll_b这一角度的操作，将所述俯仰角旋转矩阵表示为Ry(pitch_b)，对应于以世界坐标系的y轴作为旋转轴，旋转pitch_b这一角度的操作，将所述偏航角旋转矩阵表示为Rz(yaw_b)，对应于以世界坐标系的z轴作为旋转轴，旋转yaw_b这一角度的操作，需要注意的是，以上的旋转操作均应符合右手螺旋定则，即当旋转角度为正时，旋转方向为绕旋转轴逆时针方向旋转，当旋转角度为负时，旋转方向为绕旋转轴顺时针方向旋转。
将所述第二旋转矩阵表示为Rbody2world，则有：
Rbody2world＝Rz(yaw_b)Ry(pitch_b)Rx(roll_b)
其中：
Figure BDA0002852414340000091
Figure BDA0002852414340000092
Figure BDA0002852414340000093
然后，可以根据正向运动学确定所述机器人的支撑足脚掌相对于躯干的旋转矩阵，为了便于区分，此处将其记为第三旋转矩阵。具体地，可以获取所述机器人的腿部关节的角度反馈，基于腿部的正向运动学对这一角度反馈进行处理即可得到所述第三旋转矩阵。具体的正向运动学处理过程可以参照现有技术中的任意一种正向运动学处理方法，本申请实施例对此不再赘述。
在得到所述第二旋转矩阵和所述第三旋转矩阵之后，即可根据所述第二旋转矩阵和所述第三旋转矩阵计算所述第一旋转矩阵。
具体地，可以根据下式计算所述第一旋转矩阵：
Rfoot2world＝Rbody2world×Rfoot2body
其中，Rfoot2body为所述第三旋转矩阵，Rfoot2world为所述第一旋转矩阵。所述第一旋转矩阵、所述第二旋转矩阵和所述第三旋转矩阵均为3行3列的矩阵。
步骤S2022、根据所述第一旋转矩阵计算所述支撑足脚掌在所述世界坐标系下的姿态角，为了便于区分，此处将其记为第一姿态角。
将所述第一旋转矩阵以矩阵的形式表示为：
Figure BDA0002852414340000101
其中，Rij为所述第一旋转矩阵中第i行第j列的元素。
将所述第一姿态角表示为：(roll_real,pitch_real,yaw_real)，其中，roll_real为所述第一姿态角中的横滚角，pitch_real为所述第一姿态角中的俯仰角，yaw_real为所述第一姿态角中的偏航角。
则可以根据下式计算所述第一姿态角：
Figure BDA0002852414340000102
pitch_real＝atan2(-R31,R33)
yaw_real＝atan2(-R12,R22)
步骤S2023、根据所述第一姿态角控制所述机器人对所述支撑足脚掌施加扭力。
具体地，可以根据下式计算所述机器人对所述支撑足脚掌施加的扭力：
torque_x＝kp_x×(roll_desired-roll_real)
torque_y＝kp_y×(pitch_desired-pitch_real)
其中，roll_desired为预设的横滚角预期值，pitch_desired为预设的俯仰角预期值，两者的具体取值可以根据实际情况进行设置，本申请实施例对其不作具体限定，优选地，可以将两者均设置为0。kp_x和kp_y为预设的比例系数，两者的具体取值可以根据实际情况进行设置，本申请实施例对其不作具体限定。torque_x为所述扭力在x轴方向(即机器人的行进方向)上的分量，torque_y为所述扭力在y轴方向(即机器人的左侧方向，或者将行进方向逆时针旋转90度后所指向的方向)上的分量。
综上所述，本申请实施例建立起一个不同于现有技术的全新的飞轮模型，在这一飞轮模型中，机器人的支撑足脚掌等效为飞轮模型的无质量长杆，机器人的其它部位等效为飞轮模型的飞轮，这一飞轮模型相比于现有技术中的各种模型能够更加符合机器人在单足支撑期的实际情况，基于这一飞轮模型对支撑足脚掌的姿态进行控制，可以取得更好的平衡效果，避免出现机器人倾覆的现象。
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。
对应于上文实施例所述的一种机器人平衡控制方法，图5示出了本申请实施例提供的一种机器人平衡控制装置的一个实施例结构图。
本实施例中，一种机器人平衡控制装置可以包括：
飞轮模型建立模块501，用于将机器人的支撑足脚掌等效为飞轮模型的无质量长杆，将所述机器人的其它部位等效为所述飞轮模型的飞轮；
平衡控制模块502，用于基于所述飞轮模型对所述支撑足脚掌的姿态进行控制。
进一步地，所述平衡控制模块可以包括：
第一旋转矩阵确定子模块，用于确定所述支撑足脚掌在世界坐标系下的第一旋转矩阵；
第一姿态角计算子模块，用于根据所述第一旋转矩阵计算所述支撑足脚掌在所述世界坐标系下的第一姿态角；
平衡控制子模块，用于根据所述第一姿态角控制所述机器人对所述支撑足脚掌施加扭力。
进一步地，所述第一旋转矩阵确定子模块可以包括：
第二姿态角获取单元，用于获取所述机器人的躯干在所述世界坐标系下的第二姿态角；
第二旋转矩阵计算单元，用于根据所述第二姿态角计算所述机器人的躯干在所述世界坐标系下的第二旋转矩阵；
第三旋转矩阵确定单元，用于根据正向运动学确定所述机器人的支撑足脚掌相对于躯干的第三旋转矩阵；
第一旋转矩阵计算单元，用于根据所述第二旋转矩阵和所述第三旋转矩阵计算所述第一旋转矩阵。
进一步地，所述第二旋转矩阵计算单元可以包括：
第一计算子单元，用于分别计算与所述第二姿态角中的横滚角、俯仰角、偏航角对应的横滚角旋转矩阵、俯仰角旋转矩阵、偏航角旋转矩阵；
第二计算子单元，用于根据所述横滚角旋转矩阵、所述俯仰角旋转和所述偏航角旋转矩阵计算所述第二旋转矩阵。
进一步地，所述第一旋转矩阵计算单元具体用于根据下式计算所述第一旋转矩阵：
Rfoot2world＝Rbody2world×Rfoot2body
其中，Rbody2world为所述第二旋转矩阵，Rfoot2body为所述第三旋转矩阵，Rfoot2world为所述第一旋转矩阵。
进一步地，所述第一姿态角计算子模块具体用于根据下式计算所述第一姿态角：
Figure BDA0002852414340000121
pitch_real＝atan2(-R31,R33)
yaw_real＝atan2(-R12,R22)
其中，Rij为所述第一旋转矩阵中第i行第j列的元素，roll_real为所述第一姿态角中的横滚角，pitch_real为所述第一姿态角中的俯仰角，yaw_real为所述第一姿态角中的偏航角。
进一步地，所述平衡控制子模块具体用于根据下式计算所述机器人对所述支撑足脚掌施加的扭力：
torque_x＝kp_x×(roll_desired-roll_real)
torque_y＝kp_y×(pitch_desired-pitch_real)
其中，roll_real为所述第一姿态角中的横滚角，pitch_real为所述第一姿态角中的俯仰角，roll_desired为预设的横滚角预期值，pitch_desired为预设的俯仰角预期值，kp_x和kp_y为预设的比例系数，torque_x为所述扭力在x轴方向上的分量，torque_y为所述扭力在y轴方向上的分量。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的装置，模块和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
图6示出了本申请实施例提供的一种机器人的示意框图，为了便于说明，仅示出了与本申请实施例相关的部分。
如图6所示，该实施例的机器人6包括：处理器60、存储器61以及存储在所述存储器61中并可在所述处理器60上运行的计算机程序62。所述处理器60执行所述计算机程序62时实现上述各个机器人平衡控制方法实施例中的步骤，例如图2所示的步骤S201至步骤S202。或者，所述处理器60执行所述计算机程序62时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能，例如图5所示模块501至模块502的功能。
示例性的，所述计算机程序62可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器61中，并由所述处理器60执行，以完成本申请。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序62在所述机器人6中的执行过程。
本领域技术人员可以理解，图6仅仅是机器人6的示例，并不构成对机器人6的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述机器人6还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。
所述处理器60可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其它通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其它可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。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。
所述存储器61可以是所述机器人6的内部存储单元，例如机器人6的硬盘或内存。所述存储器61也可以是所述机器人6的外部存储设备，例如所述机器人6上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card，SMC)，安全数字(Secure Digital，SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，所述存储器61还可以既包括所述机器人6的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器61用于存储所述计算机程序以及所述机器人6所需的其它程序和数据。所述存储器61还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/机器人和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/机器人实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读存储介质中。基于这样的理解，本申请实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读存储介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读存储介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读存储介质不包括电载波信号和电信信号。
以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种机器人平衡控制方法，其特征在于，包括：
将机器人的支撑足脚掌等效为飞轮模型的无质量长杆，将所述机器人的其它部位等效为所述飞轮模型的飞轮；
基于所述飞轮模型对所述支撑足脚掌的姿态进行控制。
2.根据权利要求1所述的机器人平衡控制方法，其特征在于，所述基于所述飞轮模型对所述支撑足脚掌的姿态进行控制，包括：
确定所述支撑足脚掌在世界坐标系下的第一旋转矩阵；
根据所述第一旋转矩阵计算所述支撑足脚掌在所述世界坐标系下的第一姿态角；
根据所述第一姿态角控制所述机器人对所述支撑足脚掌施加扭力。
3.根据权利要求2所述的机器人平衡控制方法，其特征在于，所述确定机器人的支撑足脚掌在世界坐标系下的第一旋转矩阵，包括：
获取所述机器人的躯干在所述世界坐标系下的第二姿态角；
根据所述第二姿态角计算所述机器人的躯干在所述世界坐标系下的第二旋转矩阵；
根据正向运动学确定所述机器人的支撑足脚掌相对于躯干的第三旋转矩阵；
根据所述第二旋转矩阵和所述第三旋转矩阵计算所述第一旋转矩阵。
4.根据权利要求3所述的机器人平衡控制方法，其特征在于，所述根据所述第二姿态角计算所述机器人的躯干在所述世界坐标系下的第二旋转矩阵，包括：
分别计算与所述第二姿态角中的横滚角、俯仰角、偏航角对应的横滚角旋转矩阵、俯仰角旋转矩阵、偏航角旋转矩阵；
根据所述横滚角旋转矩阵、所述俯仰角旋转和所述偏航角旋转矩阵计算所述第二旋转矩阵。
5.根据权利要求3所述的机器人平衡控制方法，其特征在于，所述根据所述第二旋转矩阵和所述第三旋转矩阵计算所述第一旋转矩阵，包括：
根据下式计算所述第一旋转矩阵：
Rfoot2world＝Rbody2world×Rfoot2body
其中，Rbody2world为所述第二旋转矩阵，Rfoot2body为所述第三旋转矩阵，Rfoot2world为所述第一旋转矩阵。
6.根据权利要求2所述的机器人平衡控制方法，其特征在于，所述根据所述第一旋转矩阵计算所述支撑足脚掌在所述世界坐标系下的第一姿态角，包括：
根据下式计算所述第一姿态角：
Figure FDA0002852414330000021
pitch_real＝atan2(-R31，R33)
yaw_real＝atan2(-R12，R22)
其中，Rij为所述第一旋转矩阵中第i行第j列的元素，roll_real为所述第一姿态角中的横滚角，pitch_real为所述第一姿态角中的俯仰角，yaw_real为所述第一姿态角中的偏航角。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的机器人平衡控制方法，其特征在于，所述根据所述第一姿态角控制所述机器人对所述支撑足脚掌施加扭力，包括：
根据下式计算所述机器人对所述支撑足脚掌施加的扭力：
torque_x＝kp_x×(roll_desired-roll_real)
torque_y＝kp_y×(pitch_desired-pitch_real)
其中，roll_real为所述第一姿态角中的横滚角，pitch_real为所述第一姿态角中的俯仰角，roll_desired为预设的横滚角预期值，pitch_desired为预设的俯仰角预期值，kp_x和kp_y为预设的比例系数，torque_x为所述扭力在x轴方向上的分量，torque_y为所述扭力在y轴方向上的分量。
8.一种机器人平衡控制装置，其特征在于，包括：
飞轮模型建立模块，用于将机器人的支撑足脚掌等效为飞轮模型的无质量长杆，将所述机器人的其它部位等效为所述飞轮模型的飞轮；
平衡控制模块，用于基于所述飞轮模型对所述支撑足脚掌的姿态进行控制。
9.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7中任一项所述的机器人平衡控制方法的步骤。
10.一种机器人，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至7中任一项所述的机器人平衡控制方法的步骤。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022247171A1 (zh) * 2021-05-28 2022-12-01 深圳市优必选科技股份有限公司 仿人机器人平衡控制方法、装置和仿人机器人

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112731951A (zh) * 2020-12-22 2021-04-30 深圳市优必选科技股份有限公司 一种机器人平衡控制方法、装置、可读存储介质及机器人

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103149933A (zh) * 2013-02-27 2013-06-12 南京邮电大学 基于闭环控制的仿人机器人全向行走方法
CN104331081A (zh) * 2014-10-10 2015-02-04 北京理工大学 一种双足机器人斜面行走的步态规划方法
CN108563220A (zh) * 2018-01-29 2018-09-21 南京邮电大学 仿人足球机器人的运动规划
CN111674486A (zh) * 2020-05-25 2020-09-18 浙江大学 双足机器人稳定步行控制方法、装置、设备及可读介质
CN113927585A (zh) * 2021-10-20 2022-01-14 深圳市优必选科技股份有限公司 一种机器人平衡控制方法、装置、可读存储介质及机器人
US20220193896A1 (en) * 2020-12-22 2022-06-23 Ubtech Robotics Corp Ltd Robot balance control method, robot using the same, and computer readable storage medium

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008067404A2 (en) * 2006-11-29 2008-06-05 Honda Motor Co., Ltd. Determination of foot placement for humanoid push recovery
US8942848B2 (en) * 2011-07-06 2015-01-27 Florida Institute for Human and Machine Cognition Humanoid robot that can dynamically walk with limited available footholds in the presence of disturbances
JP6450279B2 (ja) * 2015-08-05 2019-01-09 本田技研工業株式会社 移動ロボットの目標ｚｍｐ軌道の生成装置
US10576620B1 (en) * 2016-04-08 2020-03-03 Ikutuki Robotic mobility device and control
CN109693236B (zh) * 2017-10-23 2021-03-02 深圳市优必选科技有限公司 足式机器人着地控制方法及装置
CN109955928B (zh) * 2017-12-25 2020-10-16 深圳市优必选科技有限公司 一种双足机器人及其等效轨迹生成方法和装置

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103149933A (zh) * 2013-02-27 2013-06-12 南京邮电大学 基于闭环控制的仿人机器人全向行走方法
CN104331081A (zh) * 2014-10-10 2015-02-04 北京理工大学 一种双足机器人斜面行走的步态规划方法
CN108563220A (zh) * 2018-01-29 2018-09-21 南京邮电大学 仿人足球机器人的运动规划
CN111674486A (zh) * 2020-05-25 2020-09-18 浙江大学 双足机器人稳定步行控制方法、装置、设备及可读介质
US20220193896A1 (en) * 2020-12-22 2022-06-23 Ubtech Robotics Corp Ltd Robot balance control method, robot using the same, and computer readable storage medium
CN113927585A (zh) * 2021-10-20 2022-01-14 深圳市优必选科技股份有限公司 一种机器人平衡控制方法、装置、可读存储介质及机器人

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
FEI WANG 等: "Balance Control Strategy of Humanoid Robot Based on Stiffness Control", 《IEEE》, 31 May 2013 (2013-05-31) *
MOHAMMADREZA KASAEI 等: "An Optimal Closed-Loop Framework to Develop Stable Walking for Humanoid Robot", 《IEEE》, 31 December 2018 (2018-12-31) *
唐火红 等: "液压驱动双足机器人步态规划及动力学仿真", 《机械设计与制造》, 30 April 2020 (2020-04-30) *
王亚波: "双足仿人机器人的步态规划及控制", 《CNKI》, 31 January 2020 (2020-01-31) *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022247171A1 (zh) * 2021-05-28 2022-12-01 深圳市优必选科技股份有限公司 仿人机器人平衡控制方法、装置和仿人机器人

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