CN113126638B - 姿态控制方法、装置、双足机器人及可读存储介质 - Google Patents

姿态控制方法、装置、双足机器人及可读存储介质 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种姿态控制方法、装置、双足机器人及可读存储介质，涉及机器人控制领域。本申请在检测到双足机器人当前的上身姿态偏离预设期望轨迹时，确定该双足机器人当前的支撑足，及机器人上身相对于该支撑足的目标广义坐标，并根据该目标广义坐标对用于反映动力学前馈信息的姿态反馈线性控制器方程进行解耦，得到机器人上身在该支撑足的作用下的目标广义力俯仰分量及目标广义力滚转分量，而后确定与该支撑足对应的目标关节控制信号，并控制该支撑足所对应的机器人关节按照该目标关节控制信号运行，使上身姿态与预设期望轨迹保持一致，从而提高双足机器人的姿态控制响应速度及行走连贯性，无需双足机器人具有踝关节驱动能力。

Description

姿态控制方法、装置、双足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，涉及一种姿态控制方法、装置、双足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，其中双足机器人便是现有机器人技术的一项重要研究分支。而对双足机器人而言，在双足机器人站立及行走过程中的上身姿态的控制问题，是制约双足机器人走向实用的关键问题。目前的上身姿态控制方案是在具有踝关节的双足机器人上将步态规划与上身控制分开处理的方式实现的，当双足机器人完成步态规划的基础上，通过机器人的踝关节采用重力补偿的方式进行姿态误差反馈控制，来调整双足机器人的上身姿态。这种上身姿态控制方案依赖于踝关节的驱动能力，在姿态控制过程中存在较长的控制滞后，极大地限制了双足机器人在行走过程中的上身姿态稳定及姿态跟踪性能。
发明内容
有鉴于此，本申请的目的在于提供一种姿态控制方法、装置、双足机器人及可读存储介质，其具有极快的姿态控制响应速度，并不依赖机器人的踝关节驱动能力，可适用于带踝关节及不带踝关节的双足机器人，增强机器人在行走过程中保持姿态稳定及姿态跟踪的性能。
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姿态控制方法，应用于双足机器人，所述方法包括：
检测所述双足机器人当前的上身姿态是否偏离对应的预设期望轨迹；
当检测到所述上身姿态偏离所述预设期望轨迹时，确定所述双足机器人当前的支撑足，以及机器人上身相对于该支撑足的目标广义坐标；
根据所述目标广义坐标对姿态反馈线性化控制器方程进行解耦，得到所述机器人上身在该支撑足的作用下与所述预设期望轨迹对应的目标广义力俯仰分量及目标广义力滚转分量；
根据所述目标广义力俯仰分量、所述目标广义力滚转分量及所述支撑足当前的行走姿态，确定出与该支撑足对应的目标关节控制信号；
控制该支撑足所对应的机器人关节按照所述目标关节控制信号运行，使所述上身姿态与所述预设期望轨迹保持一致。
在可选的实施方式中，所述确定所述双足机器人当前的支撑足，以及机器人上身相对于该支撑足的目标广义坐标，包括：
对所述双足机器人的每个足部当前在竖直方向上受到的地面反力进行测量，并将地面反力不小于预设反力阈值的足部作为对应的支撑足；
确定所述支撑足在所述机器人上身所对应的随体球坐标系下的足端球坐标；
在以该支撑足为坐标原点的足部坐标系下对所述足端球坐标进行坐标反向转换，得到所述机器人上身相对于该支撑足的空间坐标；
对所述机器人上身当前相对于竖直方向的俯仰角及滚转角进行测量，并将测量得到的俯仰角、滚转角及所述空间坐标进行数据整合，得到所述机器人上身相对于该支撑足的目标广义坐标。
在可选的实施方式中，所述根据所述目标广义坐标对姿态反馈线性化控制器方程进行解耦，得到所述机器人上身在该支撑足的作用下与所述预设期望轨迹对应的目标广义力俯仰分量及目标广义力滚转分量，包括：
对所述双足机器人在与所述支撑足的足端球坐标对应的半径延伸方向上受到的广义力延伸分量进行测量；
根据所述目标广义坐标确定所述机器人上身当前对应的质量矩阵、动力学分量矩阵、第一映射矩阵及第二映射矩阵，其中所述第一映射矩阵用于表示所述广义力延伸分量的广义力贡献度，所述第二映射矩阵用于表示所述双足机器人在与所述支撑足的足端球坐标对应的第一偏转角方向及第二偏转角方向上各自受到的第一广义力偏转分量及第二广义力偏转分量的广义力贡献度；
将确定出的质量矩阵、动力学分量矩阵、第一映射矩阵及第二映射矩阵输入到所述姿态反馈线性化控制器方程中进行方程解耦，得到所述双足机器人在所述支撑足的作用下与所述预设期望轨迹对应的目标第一广义力偏转分量及目标第二广义力偏转分量；
根据预设的第一广义力偏转分量与广义力俯仰分量之间的转换关系及第二广义力偏转分量与广义量滚转分量之间的转换关系，计算得到与所述目标第一广义力偏转分量对应的期望广义力俯仰分量，以及与所述目标第二广义力偏转分量对应的期望广义力滚转分量；
根据当前支撑足的数目以及计算出的与支撑足对应的期望广义力俯仰分量及期望广义力滚转分量，计算得到对应的目标广义力俯仰分量及目标广义力滚转分量。
在可选的实施方式中，所述根据当前支撑足的数目以及计算出的与支撑足对应的期望广义力俯仰分量及期望广义力滚转分量，计算得到对应的目标广义力俯仰分量及目标广义力滚转分量，包括：
若当前支撑足的数目仅为一个，则直接将计算出的与该支撑足对应的所述期望广义力俯仰分量作为所述目标广义力俯仰分量，并直接将计算出的与该支撑足对应的所述期望广义力滚转分量作为所述目标广义力滚转分量；
若当前支撑足的数目为两个，则针对每个支撑足，计算该支撑足在竖直方向上受到的地面反力与所述双足机器人的重力之间的比值，并将与该支撑足对应的期望广义力俯仰分量及期望广义力滚转分量分别与该比值进行乘积运算，得到与该支撑足对应的目标广义力俯仰分量及目标广义力滚转分量。
在可选的实施方式中，所述根据所述目标广义力俯仰分量、所述目标广义力滚转分量及所述支撑足当前的行走姿态，确定出与该支撑足对应的目标关节控制信号，包括：
根据所述支撑足的行走姿态确定该支撑足当前对应的关节力矩轨迹信号，并得到该关节力矩轨迹信号在与所述支撑足的足端球坐标对应的半径延伸方向上的力矩信号延伸分量；
将与所述支撑足对应的目标广义力俯仰分量及目标广义力滚转分量分别换算到与所述支撑足对应的关节力矩空间中，得到对应的力矩信号俯仰分量及力矩信号滚转分量；
将同一支撑足对应的所述力矩信号延伸分量、所述力矩信号俯仰分量及所述力矩信号滚转分量进行力矩信号合成，得到与该支撑足对应的目标关节控制信号。
在可选的实施方式中，所述根据所述目标广义力俯仰分量、所述目标广义力滚转分量及所述支撑足当前的行走姿态，确定出与该支撑足对应的目标关节控制信号，包括：
根据所述支撑足的行走姿态确定该支撑足当前对应的关节位置轨迹信号；
根据与所述支撑足对应的目标广义力俯仰分量及目标广义力滚转分量，计算与所述预设期望轨迹对应的位置偏差俯仰分量及位置偏差滚转分量；
将同一支撑足对应的关节位置轨迹信号、位置偏差俯仰分量及位置偏差滚转分量进行位置信号合成，得到与该支撑足对应的目标关节控制信号。
在可选的实施方式中，所述姿态反馈线性化控制器方程如下所示：
其中，
在上述方程中，qR表示所述机器人上身相对于对应支撑足的目标广义坐标，x,y,z分别表示机器人上身在相对于该支撑足的空间坐标中的第一坐标方向分量、第二坐标方向分量及第三坐标方向分量，表示qR的一阶导数，θ表示所述机器人上身相对于竖直方向的俯仰角，/>表示所述机器人上身相对于竖直方向的滚转角，ur表示所述双足机器人在与该支撑足的足端球坐标对应的半径延伸方向上的广义力延伸分量，M表示机器人上身的与目标广义坐标对应的质量矩阵，A,B分别表示机器人上身的与目标广义坐标对应的第一映射矩阵及第二映射矩阵，P表示机器人上身的与目标广义坐标对应的动力学分量矩阵，/>分别表示所述双足机器人在该支撑足的作用下与所述预设期望轨迹对应的目标第一广义力偏转分量及目标第二广义力偏转分量。
第二方面，本申请实施例提供一种姿态控制装置，应用于双足机器人，所述装置包括：
偏离检测模块，用于检测所述双足机器人当前的上身姿态是否偏离对应的预设期望轨迹；
坐标确定模块，用于当检测到所述上身姿态偏离所述预设期望轨迹时，确定所述双足机器人当前的支撑足，以及机器人上身相对于该支撑足的目标广义坐标；
广义解耦模块，用于根据所述目标广义坐标对姿态反馈线性化控制器方程进行解耦，得到所述机器人上身在该支撑足的作用下与所述预设期望轨迹对应的目标广义力俯仰分量及目标广义力滚转分量；
信号确定模块，用于根据所述目标广义力俯仰分量、所述目标广义力滚转分量及所述支撑足当前的行走姿态，确定出与该支撑足对应的目标关节控制信号；
运行控制模块，用于控制该支撑足所对应的机器人关节按照所述目标关节控制信号运行，使所述上身姿态与所述预设期望轨迹保持一致。
第三方面，本申请实施例提供一种双足机器人，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中任意一项所述的姿态控制方法。
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，实现前述实施方式中任意一项所述的姿态控制方法。
本申请具有以下有益效果：
本申请在检测到双足机器人当前的上身姿态偏离对应的预设期望轨迹时，确定该双足机器人当前的支撑足，及机器人上身相对于该支撑足的目标广义坐标，并根据该目标广义坐标对用于反映动力学前馈信息的姿态反馈线性控制器方程进行解耦，得到机器人上身在该支撑足的作用下与预设期望轨迹对应的目标广义力俯仰分量及目标广义力滚转分量，而后根据目标广义力俯仰分量、目标广义力滚转分量及该支撑足当前的行走姿态，确定与该支撑足对应的目标关节控制信号，并控制该支撑足所对应的机器人关节按照该目标关节控制信号运行，使上身姿态与预设期望轨迹保持一致，从而在需要上身姿态控制时通过动力学前馈信息实现姿态控制的方式，提高双足机器人的姿态控制响应速度及行走连贯性，无需双足机器人具有踝关节驱动能力，并增强机器人在行走过程中保持姿态稳定及姿态跟踪的性能。
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双足机器人的结构组成示意图；
图2为本申请实施例提供的双足机器人的设备组成示意图；
图3为本申请实施例提供的姿态控制方法的流程示意图；
图4为图3中的步骤S220包括的子步骤的流程示意图；
图5为本申请实施例提供的支撑足与机器人上身之间的坐标表达示意图之一；
图6为本申请实施例提供的支撑足与机器人上身之间的坐标表达示意图之二；
图7为图3中的步骤S230包括的子步骤的流程示意图；
图8为图3中的步骤S240包括的子步骤的流程示意图之一；
图9为图3中的步骤S240包括的子步骤的流程示意图之二；
图10为本申请实施例提供的姿态控制装置的功能模块示意图。
图标：10-双足机器人；11-存储器；12-处理器；100-姿态控制装置；110-偏离检测模块；120-坐标确定模块；130-广义解耦模块；140-信号确定模块；150-运行控制模块。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。
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组合。
请参照图1及图2，其中图1是本申请实施例提供的双足机器人10的结构组成示意图，图2是本申请实施例提供的双足机器人10的设备组成示意图。在本申请实施例中，所述双足机器人10具有良好的上身姿态稳定性及姿态跟踪性能，能够在行走过程中对上身姿态进行姿态跟踪，并在机器人上身姿态出现偏差时通过机器人的动力学前馈信息快速地对上身姿态进行调整，以提高机器人的姿态控制响应速度及行走连贯性，除去现有双足机器人需要在具有踝关节驱动能力的基础上才能进行上身姿态控制的技术限制，从而在机器人行走过程中达到维持机器人上身姿态稳定的效果。
在本实施例中，所述双足机器人10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。其中，所述髋关节驱动结构的与每个机械腿结构连接的位置处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，如图1中位于表示机器人上身的长方体两侧的两两正交的圆柱体；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，如图1中位于表示机器人上身的长方体下方且处于表示机械腿结构的实线上的圆柱体。
在本实施例中，所述双足机器人10还包括姿态控制装置100、存储器11及处理器12。所述存储器11与所述处理器12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及所述处理器12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还用于所述双足机器人10在行走时的与行走步态对应的期望步态轨迹，及与上身姿态对应的预设期望轨迹。
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。
在本实施例中，所述姿态控制装置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中或固化在所述双足机器人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，例如所述姿态控制装置100所包括软件功能模块及计算机程序等。所述双足机器人10通过所述姿态控制装置100在需要上身姿态控制时通过动力学前馈信息实现姿态控制的方式，提高双足机器人10的姿态控制响应速度及行走连贯性，无需双足机器人10具有踝关节驱动能力，并增强机器人在行走过程中保持姿态稳定及姿态跟踪的性能。
可以理解的是，图2所示的方框示意图仅为双足机器人10的一种设备组成示意图，所述双足机器人10还可包括比图2中所示更多或者更少的组件，或者具有与图2所示不同的配置。图2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，为确保上述双足机器人10能够在行走过程中出现上身姿态出现偏差时，根据机器人的动力学前馈信息快速地响应对上身姿态的调整控制，解除现有双足机器人须通过踝关节驱动能力实现上身姿态控制，以提高机器人的行走连贯性，本申请通过提供应用于上述双足机器人10的姿态控制方法的方式实现上述功能。下面对本申请提供的姿态控制方法进行相应描述。
可选地，请参照图3，图3是本申请实施例提供的姿态控制方法的流程示意图。在本申请实施例中，图3所示的姿态控制方法的具体流程和步骤如下文所示。
步骤S210，检测双足机器人当前的上身姿态是否偏离对应的预设期望轨迹。
在本实施例中，双足机器人10可通过安装的IMU(Inertial Measurement Unit，惯性测量单元)器件测量该双足机器人10的机器人上身的三轴姿态角(或角速率)以及加速度，以确定该双足机器人10在行走过程或奔跑过程中的上身姿态。该双足机器人10在确定出当前的上身姿态后，可通过从存储器11中调用出与双足机器人10当前运动状态匹配的预设期望轨迹，而后将确定出的上身姿态与对应的预设期望轨迹进行姿态比对，以判断当前上身姿态是否偏离该预设期望轨迹。
步骤S220，当检测到上身姿态偏离预设期望轨迹时，确定双足机器人当前的支撑足，以及机器人上身相对于该支撑足的目标广义坐标。
在本实施例中，若检测到双足机器人10的上身姿态与预设期望轨迹存在偏差，则表明该双足机器人10需要对上身姿态进行调整，以维持机器人上身姿态稳定，而后该双足机器人10将对应确定当前导致上身姿态存在偏差的支撑足，以及机器人上身相当于对应支撑足的目标广义坐标。
可选地，请结合参照图4、图5及图6，图4是图3中的步骤S220包括的子步骤的流程示意图，图5为本申请实施例提供的支撑足与机器人上身之间的坐标表达示意图之一，图6为本申请实施例提供的支撑足与机器人上身之间的坐标表达示意图之二。在本申请实施例中，步骤S220中的确定双足机器人10当前的支撑足，以及机器人上身相对于该支撑足的目标广义坐标的步骤可以包括子步骤S221～子步骤S224。
子步骤S221，对双足机器人的每个足部当前在竖直方向上受到的地面反力进行测量，并将地面反力不小于预设反力阈值的足部作为对应的支撑足。
在本实施例中，双足机器人10可通过设置在两个机械腿结构的足部底的压力传感器，测量每个足部在竖直方向上受到的地面反力，而后将测量出的地面反力与预设反力阈值进行比较，并将地面反力不小于预设反力阈值的足部作为该双足机器人10当前的支撑足。其中，当某个足部的地面反力不小于预设反力阈值时，表明该足部当前正处于地面上，用以支撑该双足机器人10。
子步骤S222，确定支撑足在机器人上身所对应的随体球坐标系下的足端球坐标。
在本实施例中，机器人上身所对应的随体球坐标系可以是以髋关节连线中心或机器人上身的质点为坐标原点进行构建，而确定出的支撑足在该随体球坐标系下的足端球坐标可相应表示为[r,α,β]，其中r用于表示对应支撑足相对于以该随体球坐标系的坐标原点B为球心的半径长度，α用于表示对应支撑足相对于以该随体球坐标系的坐标原点B为球心的与水平面(xBy平面)之间的第一偏转角，β用于表示对应支撑足相对于以该随体球坐标系的坐标原点B为球心的与竖直平面(xBz平面)之间的第二偏转角。在本实施例的一种实施方式中，机器人上身所对应的随体球坐标系以髋关节连线中心为坐标原点进行构建。
子步骤S223，在以该支撑足为坐标原点的足部坐标系下对足端球坐标进行坐标反向转换，得到机器人上身相对于该支撑足的空间坐标。
在本实施例中，图5用于表达图1所示的双足机器人10的右视图，图6用于表达图1所示的双足机器人10的前视图。当双足机器人10确定出当前某个支撑足在上述随体球坐标系(xyBz)下的足端球坐标[r,α,β]时，该双足机器人10可通过在以该支撑足为坐标原点的足部坐标系(xyPz)中对该足端球坐标进行坐标方向转换，得到该机器人上身相对于该支撑足的空间坐标[x,y,z]。其中，x用于表示该随体球坐标系的坐标原点B在足部坐标系(xyPz)中的x轴上的映射量，y用于表示该随体球坐标系的坐标原点B在足部坐标系(xyPz)中的y轴上的映射量，z用于表示该随体球坐标系的坐标原点B在足部坐标系(xyPz)中的z轴上的映射量。
子步骤S224，对机器人上身当前相对于竖直方向的俯仰角及滚转角进行测量，并将测量得到的俯仰角、滚转角及空间坐标进行数据整合，得到机器人上身相对于该支撑足的目标广义坐标。
在本实施例中，机器人上身当前相对于竖直方向的俯仰角可以表现为该机器人上身的穿过其质点及随体球坐标系的坐标原点B的直线相对于竖直平面(zPy平面)的偏转角度θ，机器人上身当前相对于竖直方向的滚转角可以表现为该机器人上身的穿过其质点及随体球坐标系的坐标原点B的直线相对于竖直平面(xPz平面)的偏转角度该双足机器人10在确定出机器人上身所对应的俯仰角θ及滚转角/>后，可通过对上述空间坐标[x,y,z]、俯仰角θ及滚转角/>进行坐标整合，得到该机器人上身相对于该支撑足的目标广义坐标，此时该目标广义坐标可相应地表现为/>
请再次参照图3，步骤S230，根据目标广义坐标对姿态反馈线性化控制器方程进行解耦，得到机器人上身在该支撑足的作用下与预设期望轨迹对应的目标广义力俯仰分量及目标广义力滚转分量。
在本实施例中，姿态反馈线性化控制器方程用于反映机器人上身的动力学前馈信息在整个上身姿态控制中的影响程度，该双足机器人10通过求解该姿态反馈线性化控制器方程的方式稳定而快速地实现上身姿态控制操作。其中，该双足机器人10通过对姿态反馈线性化控制器方程进行解耦，得到该机器人上身在对应支撑足的作用下能够使上身姿态调整到预设期望轨迹的在俯仰角方向上的广义力分量(即目标广义力俯仰分量)及在滚转角方向上的广义力分量(即目标广义力滚转分量/>)，而后通过调整该支撑足的运行状态，使该支撑足表达出上述目标广义力俯仰分量及上述目标广义力滚转分量的广义力，以确保调整后的上身姿态与预设期望轨迹保持一致。
可选地，请参照图7，图7是图3中的步骤S230包括的子步骤的流程示意图。在本申请实施例中，步骤S230可以包括子步骤S231～子步骤S235。
子步骤S231，对双足机器人在与支撑足的足端球坐标对应的半径延伸方向上受到的广义力延伸分量进行测量。
在本实施例中，可通过安装在支撑足的关节端位置处的力传感器或位于支撑足的足底的六维力传感器，对该双足机器人10在与对应支撑足的足端球坐标[r,α,β]中的半径长度所在的半径延伸方向上受到的广义力分量(即广义力延伸分量ur)进行测量。
子步骤S232，根据目标广义坐标确定机器人上身当前对应的质量矩阵、动力学分量矩阵、第一映射矩阵及第二映射矩阵。
在本实施例中，质量矩阵为该机器人上身的与目标广义坐标对应的包括该机器人上身的质量信息及惯性信息的矩阵，动力学分量矩阵为该机器人上身的与目标广义坐标对应的包括科氏力分量及离心力分量的矩阵，第一映射矩阵用于表示广义力延伸分量ur的广义力贡献度，第二映射矩阵用于表示双足机器人10在与该支撑足的足端球坐标对应的第一偏转角方向及第二偏转角方向上各自受到的第一广义力偏转分量uα及第二广义力偏转分量uβ的广义力贡献度。其中，不同支撑足所对应的质量矩阵、动力学分量矩阵、第一映射矩阵及第二映射矩阵相互之间可以相同，也可以不同。
子步骤S233，将确定出的质量矩阵、动力学分量矩阵、第一映射矩阵及第二映射矩阵输入到姿态反馈线性化控制器方程中进行方程解耦，得到双足机器人在支撑足的作用下与预设期望轨迹对应的目标第一广义力偏转分量及目标第二广义力偏转分量。
在本实施例中，所述姿态反馈线性化控制器方程可采用如下式子进行表示：
其中，
在上述方程中，qR表示所述机器人上身相对于对应支撑足的目标广义坐标，x,y,z分别表示机器人上身在相对于该支撑足的空间坐标中的第一坐标方向分量、第二坐标方向分量及第三坐标方向分量，表示qR的一阶导数，θ表示所述机器人上身相对于竖直方向的俯仰角，/>表示所述机器人上身相对于竖直方向的滚转角，ur表示所述双足机器人10在与该支撑足的足端球坐标对应的半径延伸方向上的广义力延伸分量，M表示机器人上身的与目标广义坐标对应的质量矩阵，A,B分别表示机器人上身的与目标广义坐标对应的第一映射矩阵及第二映射矩阵，P表示机器人上身的与目标广义坐标对应的动力学分量矩阵，分别表示所述双足机器人10在该支撑足的作用下与所述预设期望轨迹对应的目标第一广义力偏转分量及目标第二广义力偏转分量。
子步骤S234，根据预设的第一广义力偏转分量与广义力俯仰分量之间的转换关系及第二广义力偏转分量与广义量滚转分量之间的转换关系，计算得到与目标第一广义力偏转分量对应的期望广义力俯仰分量，以及与目标第二广义力偏转分量对应的期望广义力滚转分量。
在本实施例中，当采用髋关节连线中心作为机器人上身所对应的随体球坐标系原点，并按照图1、图5及图6所示的坐标系对第一广义力偏转分量、第二广义力偏转分量、广义力俯仰分量及广义量滚转分量之间的转换关系进行表达时，该转换关系可采用如下式子进行表示：
所述双足机器人10在确定出与当前支撑足对应的目标第一广义力偏转分量及目标第二广义力偏转分量/>后，可按照上述转换关系表达式转换得到与目标第一广义力偏转分量/>对应的期望广义力俯仰分量/>以及与目标第二广义力偏转分量/>对应的期望广义力滚转分量/>
子步骤S235，根据当前支撑足的数目以及计算出的与支撑足对应的期望广义力俯仰分量及期望广义力滚转分量，计算得到对应的目标广义力俯仰分量及目标广义力滚转分量。
在本实施例中，当双足机器人10计算出某个支撑足所对应的期望广义力俯仰分量及期望广义力滚转分量/>后，可根据该双足机器人10的支撑足数目确定得到每个支撑足所对应的用于将机器人上身的上身姿态调整为预设期望轨迹的目标广义力俯仰分量/>及目标广义力滚转分量/>
其中，所述根据当前支撑足的数目以及计算出的与支撑足对应的期望广义力俯仰分量及期望广义力滚转分量，计算得到对应的目标广义力俯仰分量及目标广义力滚转分量，包括：
若当前支撑足的数目仅为一个，则直接将计算出的与该支撑足对应的期望广义力俯仰分量作为目标广义力俯仰分量/>并直接将计算出的与该支撑足对应的期望广义力滚转分量/>作为目标广义力滚转分量/>
若当前支撑足的数目为两个，则针对每个支撑足，计算该支撑足在竖直方向上受到的地面反力与双足机器人10的重力之间的比值，并将与该支撑足对应的期望广义力俯仰分量及期望广义力滚转分量/>分别与该比值进行乘积运算，得到与该支撑足对应的目标广义力俯仰分量/>及目标广义力滚转分量/>
请再次参照图3，步骤S240，根据目标广义力俯仰分量、目标广义力滚转分量及支撑足当前的行走姿态，确定出与该支撑足对应的目标关节控制信号。
在本实施例中，当双足机器人10确定出某个支撑足所对应的目标广义力俯仰分量目标广义力滚转分量/>后，会根据该支撑足当前的行走姿态确定出与该支撑足对应的期望步态轨迹，并确定与该期望步态轨迹对应的关节力矩轨迹信号或关节位置轨迹信号，而后基于该支撑足所对应的目标广义力俯仰分量/>及目标广义力滚转分量/>以及关节力矩轨迹信号或关节位置轨迹信号进行信号生成，得到与该支撑足对应的目标关节控制信号。
可选地，请参照图8，图8是图3中的步骤S240包括的子步骤的流程示意图之一。在本实施例的一种实施方式中，若某个机械腿结构所对应的关节在被控制时所采用的关节控制信号为力矩信号，则所述步骤S240可以包括子步骤S241～子步骤S243。
子步骤S241，根据支撑足的行走姿态确定该支撑足当前对应的关节力矩轨迹信号，并得到该关节力矩轨迹信号在与支撑足的足端球坐标对应的半径延伸方向上的力矩信号延伸分量。
在本实施例中，当双足机器人10的任意一个机械腿结构在作为支撑足时，与该支撑足当前行走姿态对应的关节力矩轨迹信号可采用进行表达，其中τ1,τ2,τ3分别表示对应支撑足所涉及到的三个可旋转驱动结构的力矩量，此时该关节力矩轨迹信号在与支撑足的足端球坐标对应的半径延伸方向上的力矩信号延伸分量为/>/>
子步骤S242，将与支撑足对应的目标广义力俯仰分量及目标广义力滚转分量分别换算到与支撑足对应的关节力矩空间中，得到对应的力矩信号俯仰分量及力矩信号滚转分量。
在本实施例中，所述双足机器人10可通过逆运动学或力雅可比矩阵将支撑足的目标广义力俯仰分量及目标广义力滚转分量/>换算到该支撑足的关节力矩空间中，得到与该支撑足对应的力矩信号俯仰分量/>及力矩信号滚转分量/>
子步骤S243，将同一支撑足对应的力矩信号延伸分量、力矩信号俯仰分量及力矩信号滚转分量进行力矩信号合成，得到与该支撑足对应的目标关节控制信号。
在本实施例中，当所述双足机器人10确定出某个支撑足当前对应的力矩信号延伸分量力矩信号俯仰分量/>及力矩信号滚转分量/>可通过将这三项力矩信号分量进行力矩信号合成，得到与该支撑足对应的目标关节控制信号。此时该目标关节控制信号可用式子/>进行表达。
可选地，请参照图9，图9是图3中的步骤S240包括的子步骤的流程示意图之二。在本实施例的另一种实施方式中，若某个机械腿结构所对应的关节在被控制时所采用的关节控制信号为位置信号，则所述步骤S240可以包括子步骤S244～子步骤S246。
子步骤S244，根据支撑足的行走姿态确定该支撑足当前对应的关节位置轨迹信号。
在本实施例中，当双足机器人10的任意一个机械腿结构在作为支撑足时，与该支撑足当前行走姿态对应的关节位置轨迹信号可采用进行表达，其中q1,q2,q3分别表示对应支撑足所涉及到的三个可旋转驱动结构的旋转自由度。
子步骤S245，根据与支撑足对应的目标广义力俯仰分量及目标广义力滚转分量，计算与预设期望轨迹对应的位置偏差俯仰分量及位置偏差滚转分量。
在本实施例中，所述双足机器人10可通过逆运动学或力雅可比矩阵将支撑足的目标广义力俯仰分量及目标广义力滚转分量/>换算到该支撑足的关节力矩空间中，得到与该支撑足对应的力矩信号俯仰分量/>及力矩信号滚转分量/>而后通过关节端导纳控制器相对于该支撑足当前的关节位置轨迹信号，计算该力矩信号俯仰分量在俯仰角方向上的位置偏差俯仰分量/>以及该力矩信号滚转分量在滚转角方向上的位置偏差滚转分量/>
子步骤S246，将同一支撑足对应的关节位置轨迹信号、位置偏差俯仰分量及位置偏差滚转分量进行位置信号合成，得到与该支撑足对应的目标关节控制信号。
在本实施例中，当所述双足机器人10确定出某个支撑足当前对应的关节位置轨迹信号位置偏差俯仰分量/>及位置偏差滚转分量/>可通过将这三项位置信号进行力矩信号合成，得到与该支撑足对应的目标关节控制信号。此时该目标关节控制信号可用式子/>进行表达。其中，当所述双足机器人10按照位控信息对该支撑足所对应的机器人关节进行姿态控制时，可通过对目标关节控制信号/>进行求导运算，得到与该目标关节控制信号对应的机器人关节的姿态调整速度信号/>以配合该目标关节控制信号进行上身姿态控制操作。
请再次参照图3，步骤S250，控制该支撑足所对应的机器人关节按照目标关节控制信号运行，使上身姿态与预设期望轨迹保持一致。
在本实施例中，当双足机器人10确定出某个支撑足所对应的目标关节控制信号后，可通过将该目标关节控制信号输出到该支撑足所对应的机器人关节，使该支撑足所对应的机器人关节按照所述目标关节控制信号运行，从而确保该双足机器人10的上身姿态在基于动力学前馈信息进行姿态控制的操作下，能够极快地回复到预设期望轨迹，以确保双足机器人10的姿态控制响应速度及行走连贯性，无需双足机器人10具有踝关节驱动能力，增强机器人在行走过程中保持姿态稳定及姿态跟踪的性能。
在本申请中，为确保所述双足机器人10所包括的姿态控制装置100能够正常实施，本申请通过对所述姿态控制装置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姿态控制装置100的具体组成进行相应描述。
可选地，请参照图10，图10是本申请实施例提供的姿态控制装置100的功能模块示意图。在本申请实施例中，所述姿态控制装置100包括偏离检测模块110、坐标确定模块120、广义解耦模块130、信号确定模块140及运行控制模块150。
偏离检测模块110，用于检测双足机器人当前的上身姿态是否偏离对应的预设期望轨迹。
坐标确定模块120，用于当检测到上身姿态偏离预设期望轨迹时，确定双足机器人当前的支撑足，以及机器人上身相对于该支撑足的目标广义坐标。
广义解耦模块130，用于根据目标广义坐标对姿态反馈线性化控制器方程进行解耦，得到机器人上身在该支撑足的作用下与预设期望轨迹对应的目标广义力俯仰分量及目标广义力滚转分量。
信号确定模块140，用于根据目标广义力俯仰分量、目标广义力滚转分量及支撑足当前的行走姿态，确定出与该支撑足对应的目标关节控制信号。
运行控制模块150，用于控制该支撑足所对应的机器人关节按照目标关节控制信号运行，使上身姿态与预设期望轨迹保持一致。
需要说明的是，本申请实施例所提供的姿态控制装置100，其基本原理及产生的技术效果与前述的姿态控制方法相同，为简要描述，本实施例部分未提及之处，可参考上述的针对姿态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姿态控制方法、装置、双足机器人及可读存储介质中，本申请在检测到双足机器人当前的上身姿态偏离对应的预设期望轨迹时，确定该双足机器人当前的支撑足，及机器人上身相对于该支撑足的目标广义坐标，并根据该目标广义坐标对用于反映动力学前馈信息的姿态反馈线性控制器方程进行解耦，得到机器人上身在该支撑足的作用下与预设期望轨迹对应的目标广义力俯仰分量及目标广义力滚转分量，而后根据目标广义力俯仰分量、目标广义力滚转分量及该支撑足当前的行走姿态，确定与该支撑足对应的目标关节控制信号，并控制该支撑足所对应的机器人关节按照该目标关节控制信号运行，使上身姿态与预设期望轨迹保持一致，从而在需要上身姿态控制时通过动力学前馈信息实现姿态控制的方式，提高双足机器人的姿态控制响应速度及行走连贯性，无需双足机器人具有踝关节驱动能力，并增强机器人在行走过程中保持姿态稳定及姿态跟踪的性能。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种姿态控制方法，其特征在于，应用于双足机器人，所述方法包括：
检测所述双足机器人当前的上身姿态是否偏离对应的预设期望轨迹；
当检测到所述上身姿态偏离所述预设期望轨迹时，确定所述双足机器人当前的支撑足，以及机器人上身相对于该支撑足的目标广义坐标；
根据所述目标广义坐标对姿态反馈线性化控制器方程进行解耦，得到所述机器人上身在该支撑足的作用下与所述预设期望轨迹对应的目标广义力俯仰分量及目标广义力滚转分量；
根据所述目标广义力俯仰分量、所述目标广义力滚转分量及所述支撑足当前的行走姿态，确定出与该支撑足对应的目标关节控制信号；
控制该支撑足所对应的机器人关节按照所述目标关节控制信号运行，使所述上身姿态与所述预设期望轨迹保持一致。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定所述双足机器人当前的支撑足，以及机器人上身相对于该支撑足的目标广义坐标，包括：
对所述双足机器人的每个足部当前在竖直方向上受到的地面反力进行测量，并将地面反力不小于预设反力阈值的足部作为对应的支撑足；
确定所述支撑足在所述机器人上身所对应的随体球坐标系下的足端球坐标；
在以该支撑足为坐标原点的足部坐标系下对所述足端球坐标进行坐标反向转换，得到所述机器人上身相对于该支撑足的空间坐标；
对所述机器人上身当前相对于竖直方向的俯仰角及滚转角进行测量，并将测量得到的俯仰角、滚转角及所述空间坐标进行数据整合，得到所述机器人上身相对于该支撑足的目标广义坐标。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述目标广义坐标对姿态反馈线性化控制器方程进行解耦，得到所述机器人上身在该支撑足的作用下与所述预设期望轨迹对应的目标广义力俯仰分量及目标广义力滚转分量，包括：
对所述双足机器人在与所述支撑足的足端球坐标对应的半径延伸方向上受到的广义力延伸分量进行测量；
根据所述目标广义坐标确定所述机器人上身当前对应的质量矩阵、动力学分量矩阵、第一映射矩阵及第二映射矩阵，其中所述第一映射矩阵用于表示所述广义力延伸分量的广义力贡献度，所述第二映射矩阵用于表示所述双足机器人在与所述支撑足的足端球坐标对应的第一偏转角方向及第二偏转角方向上各自受到的第一广义力偏转分量及第二广义力偏转分量的广义力贡献度；
将确定出的质量矩阵、动力学分量矩阵、第一映射矩阵及第二映射矩阵输入到所述姿态反馈线性化控制器方程中进行方程解耦，得到所述双足机器人在所述支撑足的作用下与所述预设期望轨迹对应的目标第一广义力偏转分量及目标第二广义力偏转分量；
根据预设的第一广义力偏转分量与广义力俯仰分量之间的转换关系及第二广义力偏转分量与广义量滚转分量之间的转换关系，计算得到与所述目标第一广义力偏转分量对应的期望广义力俯仰分量，以及与所述目标第二广义力偏转分量对应的期望广义力滚转分量；
根据当前支撑足的数目以及计算出的与支撑足对应的期望广义力俯仰分量及期望广义力滚转分量，计算得到对应的目标广义力俯仰分量及目标广义力滚转分量。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据当前支撑足的数目以及计算出的与支撑足对应的期望广义力俯仰分量及期望广义力滚转分量，计算得到对应的目标广义力俯仰分量及目标广义力滚转分量，包括：
若当前支撑足的数目仅为一个，则直接将计算出的与该支撑足对应的所述期望广义力俯仰分量作为所述目标广义力俯仰分量，并直接将计算出的与该支撑足对应的所述期望广义力滚转分量作为所述目标广义力滚转分量；
若当前支撑足的数目为两个，则针对每个支撑足，计算该支撑足在竖直方向上受到的地面反力与所述双足机器人的重力之间的比值，并将与该支撑足对应的期望广义力俯仰分量及期望广义力滚转分量分别与该比值进行乘积运算，得到与该支撑足对应的目标广义力俯仰分量及目标广义力滚转分量。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述目标广义力俯仰分量、所述目标广义力滚转分量及所述支撑足当前的行走姿态，确定出与该支撑足对应的目标关节控制信号，包括：
根据所述支撑足的行走姿态确定该支撑足当前对应的关节力矩轨迹信号，并得到该关节力矩轨迹信号在与所述支撑足的足端球坐标对应的半径延伸方向上的力矩信号延伸分量；
将与所述支撑足对应的目标广义力俯仰分量及目标广义力滚转分量分别换算到与所述支撑足对应的关节力矩空间中，得到对应的力矩信号俯仰分量及力矩信号滚转分量；
将同一支撑足对应的所述力矩信号延伸分量、所述力矩信号俯仰分量及所述力矩信号滚转分量进行力矩信号合成，得到与该支撑足对应的目标关节控制信号。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述目标广义力俯仰分量、所述目标广义力滚转分量及所述支撑足当前的行走姿态，确定出与该支撑足对应的目标关节控制信号，包括：
根据所述支撑足的行走姿态确定该支撑足当前对应的关节位置轨迹信号；
根据与所述支撑足对应的目标广义力俯仰分量及目标广义力滚转分量，计算与所述预设期望轨迹对应的位置偏差俯仰分量及位置偏差滚转分量；
将同一支撑足对应的关节位置轨迹信号、位置偏差俯仰分量及位置偏差滚转分量进行位置信号合成，得到与该支撑足对应的目标关节控制信号。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的方法，其特征在于，所述姿态反馈线性化控制器方程如下所示：
其中，
在上述方程中，qR表示所述机器人上身相对于对应支撑足的目标广义坐标，x,y,z分别表示机器人上身在相对于该支撑足的空间坐标中的第一坐标方向分量、第二坐标方向分量及第三坐标方向分量，表示qR的一阶导数，θ表示所述机器人上身相对于竖直方向的俯仰角，/>表示所述机器人上身相对于竖直方向的滚转角，ur表示所述双足机器人在与该支撑足的足端球坐标对应的半径延伸方向上的广义力延伸分量，M表示机器人上身的与目标广义坐标对应的质量矩阵，A,B分别表示机器人上身的与目标广义坐标对应的第一映射矩阵及第二映射矩阵，P表示机器人上身的与目标广义坐标对应的动力学分量矩阵，/>分别表示所述双足机器人在该支撑足的作用下与所述预设期望轨迹对应的目标第一广义力偏转分量及目标第二广义力偏转分量。
8.一种姿态控制装置，其特征在于，应用于双足机器人，所述装置包括：
偏离检测模块，用于检测所述双足机器人当前的上身姿态是否偏离对应的预设期望轨迹；
坐标确定模块，用于当检测到所述上身姿态偏离所述预设期望轨迹时，确定所述双足机器人当前的支撑足，以及机器人上身相对于该支撑足的目标广义坐标；
广义解耦模块，用于根据所述目标广义坐标对姿态反馈线性化控制器方程进行解耦，得到所述机器人上身在该支撑足的作用下与所述预设期望轨迹对应的目标广义力俯仰分量及目标广义力滚转分量；
信号确定模块，用于根据所述目标广义力俯仰分量、所述目标广义力滚转分量及所述支撑足当前的行走姿态，确定出与该支撑足对应的目标关节控制信号；
运行控制模块，用于控制该支撑足所对应的机器人关节按照所述目标关节控制信号运行，使所述上身姿态与所述预设期望轨迹保持一致。
9.一种双足机器人，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1-7中任意一项所述的姿态控制方法。
10.一种可读存储介质，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1-7中任意一项所述的姿态控制方法。
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