CN113050409B - 仿人机器人及其控制方法以及计算机可读存储介质 - Google Patents

仿人机器人及其控制方法以及计算机可读存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了仿人机器人及其控制方法以及计算机可读存储介质，包括：获取到仿人机器人的当前的足底力矩信息、足底倾角角度、第一关节倾斜角度以及第二关节倾斜角度；并基于上述信息计算得到仿人机器人的当前的第一关节电机前馈角速度及第二关节电机前馈角速度，再进一步计算得到仿人机器人的第一关节电机反馈角速度以及第二关节电机反馈角速度；最后根据各电机前馈角速度以及各电机反馈角速度得到各电机参考角度，以使各电机通过各关节电机参考角度对各关节进行偏差控制；通过上述方式，本发明采用前馈控制和反馈控制于一体的控制方法，在确保质心控制精度的同时，有效解决反馈控制存在的响应滞后问题，提升仿人机器人的平衡能力和抗干扰能力。

Description

仿人机器人及其控制方法以及计算机可读存储介质
技术领域
本发明涉及仿人机器人的技术领域，特别是涉及仿人机器人及其控制方法以及计算机可读存储介质。
背景技术
仿人机器人是指模仿人的形态和行为而设计制造的机器人；仿人机器人一般具有防人的躯干和四肢，机器人一般根据不同应用需求被设计成不同形状，例如：运用于工业的机械臂、轮椅机器人以及步行机器人等；仿人机器人的研究集机械、电子、计算机、材料、传感器以及控制技术等多门科学于一体。
静态平衡控制是仿人机器人研究中的一项重要工作，它直接决定了仿人机器人在站立静止状态下的平衡维持和平衡恢复能力。当仿人机器人在复杂环境中受到外界干扰作用时，如发生碰撞、打滑、地面不平整等情况，保持稳定不摔倒对于仿人机器人的安全来说尤为重要。传统静态平衡控制方法是将仿人机器人简化为倒立摆模型，当外界干扰作用时，IMU传感器实时检测倒立摆的倾角，并通过闭环反馈控制来得到倒立摆的控制角度，进而通过运动学模型将倒立摆的参考角度映射至各关节角度，最终实现质心偏差的恢复。
然而，反馈控制装置中反馈是按偏差控制的，即在干扰作用下，被控制量先偏离给定值，然后控制器才按照偏差产生控制作用去抵消干扰的影响。该方法的弊端在于反馈装置须在被控制量出现偏差后，才能对控制量进行调节，装置的响应始终滞后于干扰量，且理论上无法实现无偏差控制。
发明内容
本发明提供仿人机器人及其控制方法以及计算机可读存储介质，以解决现有技术中存在的反馈系统的响应较慢，且无法实现无偏差控制的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种仿人机器人的控制方法，包括：获取到仿人机器人的当前的足底力矩信息、足底倾角角度、第一关节倾斜角度以及第二关节倾斜角度；利用力矩信息与足底倾角角度计算得到仿人机器人的当前的第一关节电机前馈角速度及第二关节电机前馈角速度；根据第一关节倾斜角度、第二关节倾斜角度、足底倾角角度以及仿人机器人的初始质心位置计算得到仿人机器人的第一关节电机反馈角速度以及第二关节电机反馈角速度；根据第一关节电机前馈角速度以及第一关节电机反馈角速度得到第一关节电机参考角度，以使第一电机通过第一关节电机参考角度对第一关节进行偏差控制；根据第二关节电机前馈角速度以及第二关节电机反馈角速度得到第二关节电机参考角度，以使第二电机通过第二关节电机参考角度对第二关节进行偏差控制。
其中，利用力矩信息、足底倾角角度计算得到仿人机器人的当前的第一关节电机前馈角速度及第二关节电机前馈角速度的步骤包括：利用力矩信息计算得到仿人机器人当前的第一关节电机前馈角速度；获取到仿人机器人上一时刻的第一关节电机的参考角度以及第二关节电机的参考角度；利用当前的第一关节的电机前馈角速度、足底倾角角度、上一时刻的第一关节电机的参考角度以及第二关节电机的参考角度计算得到当前的第二关节电机前馈角速度。
其中，利用当前的第一关节的电机前馈角速度、足底倾角角度、上一时刻的第一关节电机的参考角度以及第二关节电机的参考角度计算得到当前的第二关节电机前馈角速度的步骤包括：根据足底倾角角度、上一时刻的第一关节电机的参考角度以及第二关节电机的参考角度计算得到质心运动参数；利用质心运动参数、足底倾角角度对应的角速度以及仿人机器人的质心在第一坐标系的坐标参数确定当前的第一关节的电机前馈角速度和第二关节电机前馈角速度之间的关系，并确定第二关节电机前馈角速度。
其中，利用质心运动参数、足底倾角角度对应的角速度以及仿人机器人的质心在第一坐标系的坐标参数确定当前的第一关节电机前馈角速度和第二关节电机前馈角速度之间的关系，并确定第二关节电机前馈角速度的步骤包括：根据仿人机器人的质心在第一坐标系的坐标参数得到足底倾角角度对应的角速度与第一关节电机前馈角速度和第二关节电机前馈角速度之间的关系，并结合质心运动参数进一步得到当前的第一关节的电机前馈角速度和第二关节电机前馈角速度之间的关系，并确定第二关节电机前馈角速度。
其中，根据第一关节倾斜角度、第二关节倾斜角度、足底倾角角度以及仿人机器人的初始质心位置计算得到仿人机器人的第一关节电机反馈角速度以及第二关节电机反馈角速度的步骤具体包括：根据第一关节倾斜角度、第二关节倾斜角度及足底倾角角度以及仿人机器人的初始质心位置计算得到仿人机器人的质心偏差；基于质心偏差得到仿人机器人的第一关节电机反馈角速度以及第二关节电机反馈角速度。
其中，根据第一关节倾斜角度、第二关节倾斜角度及足底倾角角度以及仿人机器人的初始质心位置计算得到仿人机器人的质心偏差的步骤具体包括：根据第一关节倾斜角度、第二关节倾斜角度及足底倾角角度计算出质心的当前位置；通过质心的当前位置与初始质心位置之间的差值确定仿人机器人的质心偏差。
其中，基于质心偏差得到仿人机器人的第一关节电机反馈角速度以及第二关节电机反馈角速度的步骤具体包括：基于质心偏差确定质心的反馈速度；通过质心的反馈速度与质心运动参数的乘积确定第一关节电机反馈角速度以及第二关节电机反馈角速度。
其中，根据第一关节电机前馈角速度以及第一关节电机反馈角速度得到第一关节电机参考角度的步骤具体包括：将第一关节电机前馈角速度以及第一关节电机反馈角速度进行求和得到第一关节电机的参考角速度，并对第一关节电机的参考角速度进行积分得到第一关节电机参考角度；根据第二关节电机前馈角速度以及第二关节电机反馈角速度得到第二关节电机参考角度的步骤具体包括：将第二关节电机前馈角速度以及第二关节电机反馈角速度进行求和得到第二关节电机的参考角速度，并对第二关节电机的参考角速度进行积分得到第二关节电机参考角度。
为解决上述技术问题，本发明还提供一种仿人机器人，包括：处理器和存储器，存储器中存储第一关节电机的参考角度、第二关节电机的参考角度足底倾角角度、第一关节倾斜角度以及第二关节倾斜角度，处理器用于执行上述任一项的仿人机器人的控制方法。
为解决上述技术问题，本发明还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有程序数据，程序数据能够被执行以实现上述任一项的仿人机器人的控制方法。
本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明通过先获取机器人所受的外界干扰，并应用三质量块模型得到外界干扰前后质心状态不变的前馈控制律，同时估计出的质心实际位置并对其进行闭环反馈控制。本发明采用前馈控制和反馈控制于一体的复合控制方法能够在确保质心控制精度的同时，有效解决反馈控制中存在的响应滞后问题，提升仿人机器人的平衡能力和抗干扰能力。
附图说明
图1是本发明提供的仿人机器人的控制方法一实施例的流程示意图；
图2是本发明提供的仿人机器人的控制方法另一实施例的流程示意图；
图3是本发明提供的仿人机器人收到外界干扰时的结构示意图；
图4是本发明提供的仿人机器人三质量模型的示意图；
图5是本发明提供的仿人机器人一实施例的结构示意图；
图6是本发明提供的计算机可读存储介质一实施例的结构示意图。
具体实施方式
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的一部分实施例，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。
请参阅图1，图1是本发明提供的仿人机器人的控制方法一实施例的流程示意图。
S11：获取到仿人机器人的当前的足底力矩信息、足底倾角角度、第一关节倾斜角度以及第二关节倾斜角度。
在本实施例中，通过设置在仿人机器人足底的六维传感器采集外界施加到仿人机器人身上的力矩信息，也就是足底力矩信息，其中，由于传感器将力矩信息进行输出时，输出的是模拟信号，而模拟信号本身具有一定的波动，因此，在本步骤中设置了信号阈值，并判断力矩信息的大小是否超过信号阈值，若没超过信号阈值，则说明仿人机器人没有受到外界干扰；若超过了信号阈值，则说明仿人机器人受到了外界干扰，需要进行平衡维持以及平衡恢复。其中，力矩在物理学里是指作用力使物体绕着转动轴或支点转动的趋向。力矩的单位是牛顿×米，力矩能够使物体改变其旋转运动状态。力矩等于径向矢量与作用力的叉积。
在本步骤中，通过设置在仿人机器人足底的六维传感器采集到仿人机器人的当前的足底力矩信息，当足底力矩信息超过信号阈值时，判断仿人机器人收到了外界干扰，并进一步通过第一关节电机与第二关节电机的编码器获取当前第一关节倾斜角度以及第二关节倾斜角度，并基于设置在仿人机器人上身的IMU传感器与当前第一关节倾斜角度以及第二关节倾斜角度之间的差值获取当前足底倾角角度。
S12：利用力矩信息与足底倾角角度计算得到仿人机器人的当前的第一关节电机前馈角速度及第二关节电机前馈角速度。
将外界的力矩信息输入到导纳控制器内，将力矩信息转化为本实施例的关节电机可以识别的角度值，其中导纳控制器的核心是根据输出交互力结合自定阻抗弹簧模型计算出参考轨迹。因此在本步骤中，先将足底力矩信息输入到导纳控制器内以获得第一关节电机的前馈角度，并基于第一电机的初始角度进一步获得第一关节电机前馈角速度。
在获得第一关节电机前馈角速度后，获取到仿人机器人上一时刻的第一关节电机的参考角度以及第二关节电机的参考角度(上一时刻的参考角度是仿人机器人上一时刻的最终计算结果，可以直接获取)，根据足底倾角角度、上一时刻的第一关节电机的参考角度以及第二关节电机的参考角度计算得到质心运动参数，也就是质心运动学模型；通过对足底倾角角度求导获得足底倾角角度对应的角速度，利用质心运动参数、足底倾角角度对应的角速度以及仿人机器人的质心在第一坐标系的坐标参数确定当前的第一关节的电机前馈角速度和第二关节电机前馈角速度之间的关系式，并进一步根据已得到的第一关节电机前馈角速度与上述关系式得到第二关节电机前馈角速度。其中第一坐标系是指当整个仿人机器人设置于初始平面上时，总质心以初始平面为x轴，以x轴的法向为z轴的平面全局坐标系。此时，本实施例的前馈控制中的第一关节电机前馈角速度与第二关节电机前馈角速度均已获得。
S13：根据第一关节倾斜角度、第二关节倾斜角度、足底倾角角度以及仿人机器人的初始质心位置计算得到仿人机器人的第一关节电机反馈角速度以及第二关节电机反馈角速度。
根据第一关节倾斜角度、第二关节倾斜角度及足底倾角角度计算出质心的当前的实际位置，并通过质心当前的实际位置与设定的仿人机器人的初始质心位置之间的差值计算得到仿人机器人的质心偏差，并通过常见的控制器(例如：PID控制、PD控制、PI控制或P控制)对仿人机器人的质心偏差行闭环反馈，得到质心的反馈速度，最后，通过质心的反馈速度与质心运动参数的乘积确定第一关节电机反馈角速度以及第二关节电机反馈角速度。
S14：根据第一关节电机前馈角速度以及第一关节电机反馈角速度得到第一关节电机参考角度，以使第一电机通过第一关节电机参考角度对第一关节进行偏差控制；根据第二关节电机前馈角速度以及第二关节电机反馈角速度得到第二关节电机参考角度，以使第二电机通过第二关节电机参考角度对所第二关节进行偏差控制。
通过对上述两个步骤中得到的第一关节电机前馈角速度以及第一关节电机反馈角速度进行求和计算，得到第一关节电机的参考角速度，并对第一关节电机的参考角速度进行积分，最终获得第一关节电机参考角度，该第一关节电机参考角度为当前第一关节电机参考角度，将当前第一关节电机参考角度发送到第一关节电机，以使第一关节电机通过第一关节电机参考角度对第一关节进行偏差控制。
同时通过对上述两个步骤中得到的第二关节电机前馈角速度以及第二关节电机反馈角速度进行求和计算，得到第二关节电机的参考角速度，并对第二关节电机的参考角速度进行积分，最终获得第二关节电机参考角度，该第二关节电机参考角度为当前第二关节电机参考角度，将当前第二关节电机参考角度发送到第二关节电机，以使第二关节电机通过第二关节电机参考角度对第二关节进行偏差控制。最终通过控制两个关节电机对两个关节进行补偿与偏差控制，最终使仿人机器人恢复平衡。
通过上述方式，本发明先计算出前馈控制的各关节电机的前馈角速度，再计算出反馈控制的各关节电机的反馈角速度，通过将两个控制方法计算出来的前馈角速度与反馈角速度进行求和并积分，最终获得融合了前馈控制和反馈控制结果于一体的参考角度，使仿人机器人恢复平衡；本发明能在确保质心控制精度的同时，有效解决反馈控制存在的响应滞后问题，并提高各电机的控制精度，进一步提升仿人机器人的平衡能力和抗干扰能力。
请进一步参阅图2，图2是本发明提供的仿人机器人的控制方法另一实施例的流程示意图。
在本实施例中，仿人机器人可以被划分成三质量块模型，分别是足部、腿部以及上身；其中，足部与腿部之间的连接处为第一关节，腿部与上身的连接处为第二关节。在本实施例中，第一关节为踝关节，第二关节为髋关节。
S211：获取到仿人机器人的当前的足底力矩信息。
在本实施例中，通过设置在仿人机器人足底的六维传感器采集外界施加到仿人机器人身上的力矩信息，也就是足底力矩信息，其中，力矩在物理学里是指作用力使物体绕着转动轴或支点转动的趋向。力矩的单位是牛顿×米，力矩能够使物体改变其旋转运动状态。力矩等于径向矢量与作用力的叉积。
S212：判断力矩信息是否大于信号阈值。
由于传感器将采集到的力矩信息进行输出时，其输出的是一种模拟信号，而模拟信号本身具有一定的波动。因此，在本步骤中设置了信号阈值，并判断力矩信息的大小是否超过信号阈值，若没超过信号阈值，则说明仿人机器人没有受到外界干扰，则不处理；若超过了信号阈值，则说明仿人机器人受到了外界干扰，仿人机器人需要进行平衡维持以及平衡恢复。
S213：获取足底倾角角度、第一关节倾斜角度以及第二关节倾斜角度。
当上一步骤中判断出力矩信息大于信号阈值后，则进一步通过第一关节电机与第二关节电机的编码器获取当前仿人机器人的第一关节倾斜角度以及第二关节倾斜角度，并基于设置在仿人机器人上身的IMU传感器与当前第一关节倾斜角度以及第二关节倾斜角度之间的差值获取当前足底倾角角度，其中，计算公式如下：
其中，θIMU为IMU传感器检测到的上身的倾角角度，为第一关节倾斜角度，/>为第二关节倾斜角度，α为足底倾角角度。因此，足底倾角角度α可以通过上身的倾角角度θIMU减去第一关节倾斜角度/>再减去第二关节倾斜角度/>获得。
S214：利用力矩信息计算得到仿人机器人当前的第一关节电机前馈角速度。
将外界的力矩信息输入至导纳控制器(导纳控制器的核心是根据输出交互力结合自定阻抗弹簧模型计算出参考轨迹)，导纳控制器将力矩信息转化为位控电机可以进行识别的角度值，并将该角度值设置为第一关节电机的前馈角度，本实施例的第一关节电机与第二关节电机均为位控电机，第一关节电机的前馈角度的计算公式如下：
其中，refθ1为仿人机器人第一关节电机初始角度，为仿人机器人第一关节电机初始角速度，/>为仿人机器人第一关节电机初始角加速度。θ1 Feedforward为仿人机器人第一关节电机前馈角度，/>为仿人机器人第一关节电机前馈角速度，/>为仿人机器人第一关节电机前馈角加速度。τy为足底六维力传感器检测到的力矩信息。M，C和K分别代表导纳控制器的三个参数，实际应用中可以根据需要要求进行人工手动调节。
通过上式以及第一关节电机前馈角加速度、第一关节电机前馈角度以及第一关节电机前馈角速度之间本身存在的运算关系，得到第一关节电机的前馈角加速度、前馈角度以及前馈角速度。
S215：根据足底倾角角度、上一时刻的第一关节电机的参考角度以及第二关节电机的参考角度计算得到质心运动参数。
将本实施例的仿人机器人抽象为三质量块模型，请参阅图3-4，图3是本发明提供的仿人机器人收到外界干扰时的结构示意图，图4是本发明提供的仿人机器人三质量模型的示意图。
仿人机器人包括：足部11、腿部12、上身13、第一关节112以及第二关节123。其中，足部11中包含足部质心21，腿部12中包含腿部质心22，上身13中包含上身质心23，仿人机器人包含总质心20。
如图3所示，三质量块模型中一共有4个坐标系，第一个坐标系全局坐标系o-xyz是以仿人机器人站立的初始平面方向为x轴，初始平面的法向为z轴方向所形成的；第二个坐标系足部坐标系o-x0y0z0是以仿人机器人的足底的底部方向为x0轴，足底底部方向的法向为z0方向所形成的；第三个坐标系腿部坐标系o-x1y1z1是以第一关节112到第二关节123的连线为z1方向所形成的，其中腿部质心22也在该连线上；第四个坐标系上身坐标系o-x2y2z2是以第二关节123到上身质心23之间的连线为z2轴所形成的。
根据足底倾角角度、上一时刻的第一关节电机的参考角度以及第二关节电机的参考角度计算得到质心运动参数。
仿人机器人的质心运动参数[Hfl]是仿人机器人质心雅克比矩阵的分量，取值与机器人的质量，结构尺寸以及第一关节电机和第二关节电机的倾斜角度相关，其具体地计算公式为：
其中，
其中，θ1和θ2分别表示上一时刻的第一关节电机的参考角度以及第二关节电机的参考角度；m0，m1和m2分别表示仿人机器人的足部11的质量、腿部12的质量以及上身13的质量；lg1表示腿部质心22在腿部坐标系o-x1y1z1下的位置；lg2表示上身质心23在上身坐标系o-x2y2z2下的位置。l0表示第一关节112在足部坐标系o-x0y0z0下的位置；l1表示第二关节123在腿部坐标系o-x1y1z1下的位置。
通过上述两个式子得到质心运动参数[Hfl]也就是质心的运动学模型。
S216：根据仿人机器人的质心在第一坐标系的坐标参数得到足底倾角角度对应的角速度与第一关节电机前馈角速度和第二关节电机前馈角速度之间的关系。
进一步地，仿人机器人的总质心20的坐标位置在全局坐标系o-xyz下表示为：
其中，Dx是总质心20在全局坐标系o-xyz下的水平投影分量，Dz总质心20在全局坐标系o-xyz下的竖直投影分量，α为足底的倾角角度，dx，dz为三质量块模型总质心20在局部坐标系o-x0y0z0下的投影分量，具体表示为：
其中，lg0x，lg0z分别表示足部质心在足部坐标系o-x0y0z0下的投影分量。
对公式(5)进行求导，可以得到总质心速度与各关节角速度以及足底倾角角速度之间的关系，同时令总质心的水平速度为零，则能进一步获取各关节角速度与足底倾角角速度之间的关系式：
其中，[Hfl]为仿人机器人的质心运动参数，为当前第一关节电机的前馈角速度，/>为当前第二关节电机的前馈角速度，/>是足底倾角角度对应的角速度，其中，/>是通过对公式(1)进行求导得到公式(8)再进一步作差得到的。
其中，为IMU传感器检测到的倾角角速度，/>为当前第一关节倾斜角速度，/>为当前第二关节倾斜角速度。
S217：结合质心运动参数进一步得到当前的第一关节的电机前馈角速度和第二关节电机前馈角速度之间的关系，并确定第二关节电机前馈角速度。
将公式(4)代入到公式(3)中，再将公式(3)带入到公式(7)中，并对其求解可以得到公式(9)：
其中[Hfl]+为矩阵[Hfl]的广义逆矩阵，可通过SVD奇异值[奇异值分解(SingularValue Decomposition)是线性代数中一种重要的矩阵分解]分解得到，I为单位矩阵。通过公式(9)可以得到总质心状态不变所对应的前馈控制律，也就是第一关节电机角速度与第二关节电机角速度之间的关系式。基于公式(9)与上述步骤中获得的第一关节前馈角速度便能获得第二关节电机前馈角速度。
S218：根据第一关节倾斜角度、第二关节倾斜角度及足底倾角角度计算出质心的当前位置；通过质心的当前位置与初始质心位置之间的差值确定仿人机器人的质心偏差。
根据第一关节倾斜角度、第二关节倾斜角度及足底倾角角度计算出质心的当前位置，其中计算公式如下：
其中，代表总质心在全局坐标系o-xyz下水平方向的实际投影，/>和/>分别代表总质心在局部坐标系o-x0y0z0下水平和竖直方向实际投影，其表达形式参见等式(6)。求解/>和/>时，等式(6)中的关节角度应相应替换成第一关节倾斜角度/>和第二关节倾斜角度/>
设初始站立状态下总质心水平位置为Dini，则总质心水平位置的偏差为：
此时，获得到总质心水平位置的偏差Derr的具体数值。
S219：基于质心偏差确定质心的反馈速度,通过质心的反馈速度与质心运动参数的乘积确定第一关节电机反馈角速度以及第二关节电机反馈角速度。
对质心的水平位置偏差进行闭环反馈，得到质心的反馈速度命令。这里可以采用常见的PID控制、PD控制、PI控制或P控制等进行闭环反馈。以PI控制器为例，其输出的反馈命令形式如下：
Kp为比例环节，用于控制响应速度；Ki为积分环节，用于控制稳态精度，T为控制周期。在实际应用中，Kp和Ki两个参数可以根据需求进行人工手动调节。
根据质心运动参数的广义逆矩阵[Hfl]+与上述反馈命令Y(t)的乘积得到第一关节电机与第二关节电机的反馈角速度，计算公式如下：
其中，为第一关节电机的反馈角速度，/>为第二关节电机的反馈角速度。
S220：将第一关节电机前馈角速度以及第一关节电机反馈角速度进行求和得到第一关节电机的参考角速度，将第二关节电机前馈角速度以及第二关节电机反馈角速度进行求和得到第二关节电机的参考角速度。
将第一关节电机前馈角速度以及第一关节电机反馈角速度进行求和得到第一关节电机的参考角速度，将第二关节电机前馈角速度以及第二关节电机反馈角速度进行求和得到第二关节电机的参考角速度，也就是将公式(13)的等号右边的公式与公式(9)等号右边的公式进行相加，得到第一关节电机与第二关节电机的参考角速度。其中，公式(9)为方程式，其等号右边的为该方程式的特解，(I-[Hfl]+[Hfl])ξ1为该方程式的通解，且公式(9)的计算是在总质心的水平速度为零的条件下进行的，因此在计算时，公式(9)的右边只有通解，当其加上公式(13)等号右边的特解时，整个公式等号右边的性质不变，任然是特解加通解的组成模式，因此，即使将前馈角速度与反馈角速度相加，其角速度性质不会发生改变，而是形成融合了前馈角速度与反馈角速度的参考角速度。
S221：对第一关节电机的参考角速度进行积分得到第一关节电机参考角度，对第二关节电机的参考角速度进行积分得到第二关节电机参考角度。
对第一关节电机的参考角速度进行积分得到第一关节电机参考角度，对第二关节电机的参考角速度进行积分得到第二关节电机参考角度，积分方法可以采用双线性变换，前向差分或后向差分等方法。
S222：将第一关节电机的参考角度发送至第一关节电机，将第二关节电机的参考角度发送至第二关节电机。
将第一关节电机的参考角度发送至第一关节电机，将第二关节电机的参考角度发送至第二关节电机，使第一关节电机与第二关节电机根据各自对应的参考角度进行补偿与偏差控制，最终使仿人机器人恢复平衡。
通过上述方式，本发明先计算出前馈控制的各关节电机的前馈角速度，再计算出反馈控制的各关节电机的反馈角速度，通过将两个控制方法计算出来的前馈角速度与反馈角速度进行求和并积分，最终获得融合前馈控制和反馈控制结果于一体的参考角度，本发明能在确保质心控制精度的同时，有效解决反馈控制存在的响应滞后问题，提高各电机的控制精度，并提升仿人机器人的平衡能力和抗干扰能力。
基于同样的发明构思，本发明还提出了一种仿人机器人，该仿人机器人能够被执行以实现上述任一实施例的仿人机器人的控制方法，请参阅图5，图5是本发明提供的仿人机器人一实施例的结构示意图，仿人机器人包括处理器41以及存储器42。
其中存储器42用于存储第一关节电机的参考角度、第二关节电机的参考角度足底倾角角度、第一关节倾斜角度以及第二关节倾斜角度。
处理器41用于通过设置在仿人机器人足底的六维传感器采集外界施加到仿人机器人身上的力矩信息，也就是足底力矩信息；通过设置在仿人机器人足底的六维传感器采集到仿人机器人的当前的足底力矩信息；当足底力矩信息超过信号阈值时，判断仿人机器人收到了外界干扰，则进一步通过第一关节电机与第二关节电机的编码器获取当前第一关节倾斜角度以及第二关节倾斜角度，并基于设置在仿人机器人上身的IMU传感器与当前第一关节倾斜角度以及第二关节倾斜角度之间的差值获取当前足底倾角角度。
处理器41还用于将外界的力矩信息输入到导纳控制器内，将力矩信息转化为本实施例的关节电机可以识别的角度值，其中导纳控制器的核心是根据输出交互力结合自定阻抗弹簧模型计算出参考轨迹。因此在本步骤中，先将足底力矩信息输入到导纳控制器内以获得第一关节电机的前馈角度，并基于第一电机的初始角度进一步获得第一关节电机前馈角速度。
在获得第一关节电机前馈角速度后，获取到仿人机器人上一时刻的第一关节电机的参考角度以及第二关节电机的参考角度(上一时刻的参考角度是仿人机器人上一时刻的最终计算结果，可以直接获取)，并根据足底倾角角度、上一时刻的第一关节电机的参考角度以及第二关节电机的参考角度计算得到质心运动参数，也就是质心运动学模型；通过对足底倾角角度求导获得足底倾角角度对应的角速度，利用质心运动参数、足底倾角角度对应的角速度以及仿人机器人的质心在第一坐标系的坐标参数确定当前的第一关节的电机前馈角速度和第二关节电机前馈角速度之间的关系式，并进一步根据已得到的第一关节电机前馈角速度与上述关系式得到第二关节电机前馈角速度。其中第一坐标系是指当整个仿人机器人设置于初始平面上时，总质心以初始平面为x轴，以x轴的法向为z轴的平面全局坐标系。
处理器41根据第一关节倾斜角度、第二关节倾斜角度及足底倾角角度计算出质心的当前的实际位置，并通过质心当前的实际位置与设定的仿人机器人的初始质心位置之间的差值计算得到仿人机器人的质心偏差，通过常见的控制器对仿人机器人的质心偏差进行闭环反馈，得到质心的反馈速度，最后，通过质心的反馈速度与质心运动参数的乘积确定第一关节电机反馈角速度以及第二关节电机反馈角速度。
处理器41通过对上述两个步骤中得到的第一关节电机前馈角速度以及第一关节电机反馈角速度进行求和计算，得到第一关节电机的参考角速度，并对第一关节电机的参考角速度进行积分，最终获得第一关节电机参考角度，该第一关节电机参考角度为当前第一关节电机参考角度，将当前第一关节电机参考角度发送到第一关节电机，以使第一关节电机通过第一关节电机参考角度对第一关节进行偏差控制。
同时通过对上述两个步骤中得到的第二关节电机前馈角速度以及第二关节电机反馈角速度进行求和计算，得到第二关节电机的参考角速度，并对第二关节电机的参考角速度进行积分，最终获得第二关节电机参考角度，该第二关节电机参考角度为当前第二关节电机参考角度，将当前第二关节电机参考角度发送到第二关节电机，以使第二关节电机通过第二关节电机参考角度对第二关节进行偏差控制。最终通过控制两个关节电机对两个关节进行补偿与偏差控制，最终使仿人机器人恢复平衡。
通过上述方式，本发明先计算出前馈控制的各关节电机的前馈角速度，再计算出反馈控制的各关节电机的反馈角速度，通过将两个控制方法计算出来的前馈角速度与反馈角速度进行求和并积分，最终获得融合前馈控制和反馈控制结果于一体的参考角度，本发明能在确保质心控制精度的同时，有效解决反馈控制存在的响应滞后问题，提高各电机的控制精度，并提升仿人机器人的平衡能力和抗干扰能力。
基于同样的发明构思，本发明还提出了一种计算机可读存储介质，请参阅图6，图6是本发明提供的计算机可读存储介质一实施例的结构示意图。计算机可读存储介质50中存储有至少一个程序数据51，程序数据51用于实现上述任一方法。在一个实施例中，计算机可读存储介质50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。
本发明一方面将指令缓存和数据缓存在物理上相互分离，物理分离结构提高了数据获取的效率，且降低了微处理器的制作复杂度。另一方面，将指令缓存和数据缓存在逻辑上进行合并，相当于扩大了一级缓存的容量，从而提高了缓存命中率。
在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的方法和装置，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施方式仅仅是示意性的，例如，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信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
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方式方案的目的。
另外，在本发明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。
集成的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取存储介质中。基于这样的理解，本发明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全部或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存储介质中。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种仿人机器人的控制方法，其特征在于，所述仿人机器人的控制方法包括：
获取到所述仿人机器人的当前的足底力矩信息、足底倾角角度、第一关节倾斜角度以及第二关节倾斜角度；
利用所述足底力矩信息与所述足底倾角角度计算得到所述仿人机器人的当前的第一关节电机前馈角速度及第二关节电机前馈角速度；
根据所述第一关节倾斜角度、第二关节倾斜角度、所述足底倾角角度以及所述仿人机器人的初始质心位置计算得到所述仿人机器人的第一关节电机反馈角速度以及所述第二关节电机反馈角速度；
根据所述第一关节电机前馈角速度以及所述第一关节电机反馈角速度得到第一关节电机参考角度，以使所述第一关节电机通过所述第一关节电机参考角度对所述第一关节进行偏差控制；根据第二关节电机前馈角速度以及所述第二关节电机反馈角速度得到第二关节电机参考角度，以使所述第二关节电机通过所述第二关节电机参考角度对所述第二关节进行偏差控制。
2.根据权利要求1所述的仿人机器人的控制方法，其特征在于，所述利用所述足底力矩信息与所述足底倾角角度计算得到所述仿人机器人的当前的第一关节电机前馈角速度及第二关节电机前馈角速度的步骤包括：
利用所述足底力矩信息计算得到所述仿人机器人当前的第一关节电机前馈角速度；
获取到所述仿人机器人上一时刻的第一关节电机的参考角度以及第二关节电机的参考角度；
利用所述当前的第一关节的电机前馈角速度、所述足底倾角角度、上一时刻的第一关节电机的参考角度以及第二关节电机的参考角度计算得到当前的第二关节电机前馈角速度。
3.根据权利要求2所述的仿人机器人的控制方法，其特征在于，所述利用所述当前的第一关节的电机前馈角速度、所述足底倾角角度、上一时刻的第一关节电机的参考角度以及第二关节电机的参考角度计算得到当前的第二关节电机前馈角速度的步骤具体包括：
根据所述足底倾角角度、上一时刻的第一关节电机的参考角度以及第二关节电机的参考角度计算得到质心运动参数；
利用所述质心运动参数、所述足底倾角角度对应的角速度以及所述仿人机器人的质心在第一坐标系的坐标参数确定所述当前的第一关节的电机前馈角速度和第二关节电机前馈角速度之间的关系，并确定所述第二关节电机前馈角速度。
4.根据权利要求3所述的仿人机器人的控制方法，其特征在于，所述利用所述质心运动参数、所述足底倾角角度对应的角速度以及所述仿人机器人的质心在第一坐标系的坐标参数确定所述当前的第一关节电机前馈角速度和第二关节电机前馈角速度之间的关系，并确定所述第二关节电机前馈角速度的步骤包括：
根据所述仿人机器人的质心在第一坐标系的坐标参数得到所述足底倾角角度对应的角速度与所述第一关节电机前馈角速度和第二关节电机前馈角速度之间的关系，并结合所述质心运动参数进一步得到所述当前的第一关节的电机前馈角速度和第二关节电机前馈角速度之间的关系，并确定所述第二关节电机前馈角速度。
5.根据权利要求1所述的仿人机器人的控制方法，其特征在于，所述根据所述第一关节倾斜角度、第二关节倾斜角度、所述足底倾角角度以及所述仿人机器人的初始质心位置计算得到所述仿人机器人的第一关节电机反馈角速度以及所述第二关节电机反馈角速度的步骤具体包括：
根据所述第一关节倾斜角度、第二关节倾斜角度及所述足底倾角角度以及所述仿人机器人的初始质心位置计算得到所述仿人机器人的质心偏差；
基于所述质心偏差得到所述仿人机器人的第一关节电机反馈角速度以及所述第二关节电机反馈角速度。
6.根据权利要求5所述的仿人机器人的控制方法，其特征在于，所述根据所述第一关节倾斜角度、第二关节倾斜角度及所述足底倾角角度以及所述仿人机器人的初始质心位置计算得到所述仿人机器人的质心偏差的步骤具体包括：
根据所述第一关节倾斜角度、第二关节倾斜角度及所述足底倾角角度计算出所述质心的当前位置；
通过所述质心的当前位置与所述初始质心位置之间的差值确定所述仿人机器人的质心偏差。
7.根据权利要求5所述的仿人机器人的控制方法，其特征在于，所述基于所述质心偏差得到所述仿人机器人的第一关节电机反馈角速度以及所述第二关节电机反馈角速度的步骤具体包括：
基于所述质心偏差确定所述质心的反馈速度；
通过所述质心的反馈速度与所述质心运动参数的乘积确定所述第一关节电机反馈角速度以及所述第二关节电机反馈角速度。
8.根据权利要求1所述的仿人机器人的控制方法，其特征在于，所述根据所述第一关节电机前馈角速度以及所述第一关节电机反馈角速度得到第一关节电机参考角度的步骤具体包括：
将所述第一关节电机前馈角速度以及所述第一关节电机反馈角速度进行求和得到所述第一关节电机的参考角速度，并对所述第一关节电机的参考角速度进行积分得到所述第一关节电机参考角度；
所述根据所述第二关节电机前馈角速度以及所述第二关节电机反馈角速度得到第二关节电机参考角度的步骤具体包括：
将所述第二关节电机前馈角速度以及所述第二关节电机反馈角速度进行求和得到所述第二关节电机的参考角速度，并对所述第二关节电机的参考角速度进行积分得到所述第二关节电机参考角度。
9.一种仿人机器人，其特征在于，所述仿人机器人包括：处理器和存储器，所述存储器中存储力矩信息、倾角信息以及参考信息，所述处理器用于执行如权利要求1-8任一项所述的仿人机器人的控制方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有程序数据，所述程序数据能够被执行以实现如权利要求1-8任一项所述的仿人机器人的控制方法。
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