CN113830197B - 一种应用于双足机器人动态行走的平衡控制方法 - Google Patents

一种应用于双足机器人动态行走的平衡控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种双足机器人动态行走的平衡控制方法，该方法首先规划理想步态，进一步根据机器人当前状态计算落脚时间并确定优先平面，基于优先平面计算落脚点位置实现在存在外部扰动的情况下对落脚点的规划控制。本发明无需对扰动的大小和方向进行测量，仅通过观测扰动施加后机器人的状态变化，实现机器人的平衡控制，可用于双足机器人全向行走过程中受到各个方向扰动的情形。

Description

一种应用于双足机器人动态行走的平衡控制方法
技术领域
本发明涉及机器人领域，具体涉及一种应用于双足机器人动态行走的平衡控制方法。
背景技术
双足机器人具有仿人的形态和类似人类行走的位移方式，相比于传统的轮式移动机器人，更能适应人类的工作和生活环境，是未来配合或者代替人类工作的终极机器人形态。双足机器人走向实际应用需要在行走稳定性、步态多样性、行走速度和能耗等方面均达到较高水平。尽管近年来世界范围内多款双足机器人样机展示了一些性能上的提升，但距离人类的行走性能仍有较大的差距。在上述四个主要行走性能中，行走稳定性是最重要的性能，也是其他性能进一步体现的前提条件，没有强稳定性的保障，双足行走的其他性能都无从谈起。
行走稳定性的主要体现形式是在机器人行走过程中受到外力扰动时，能否保持平衡而不摔倒，并逐渐恢复到原有的行走姿态中。由于双足行走是两只脚交替与地面接触并带动上肢进行位移的混杂过程，机器人的双足行走过程本身具有较高的不稳定性，行走平衡控制的复杂度和难度较高。目前已有一些平衡控制算法被提出并应用在双足机器人样机上，基于混杂零动态（HZD）的极限环控制方法被应用到双足机器人的平衡控制中，但受限于该方法的收敛域极小，只能抵抗较小的扰动；本田公司的仿人机器人ASIMO和韩国的仿人机器人HUBO均采用零力矩点（ZMP）的规划和平衡控制方式，机器人的零力矩点不能超出脚板构成的支撑多边形，步态的动态性能差，行走能效低且行走稳定性差；波士顿动力的Atlas机器人基于捕获点的方法实现平衡控制，展示了较高的动态性能和爆发力，但在抗外部扰动时的平衡性能展示较少。总之，现有应用于双足机器人的平衡控制方案有的为了追求稳定性放弃了行走的动态性能，有的追求动态性能而降低了行走稳定性，如何实现兼具动态性能和平衡能力的行走是运动控制领域的核心问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种应用于双足机器人动态行走的平衡控制方法。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种双足机器人动态行走的平衡控制方法，包括以下步骤：
步骤一，获取双足机器人行走速度指令，并统一为二维的行走速度向量形式；
步骤二，对双足机器人规划理想步态，并根据步骤一获得的行走速度向量及机器 人相关信息计算获得双足机器人在完成当前步，并向下一步切换时的理想质心状态
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
分别表示机器人在完成当前步，并向下一步切换时质心在x方向和y方向 的理想位置，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
分别表示机器人在完成当前步，并向下一步切换时质心在x方向和y方向的 理想速度；
步骤三，实时获取双足机器人的当前质心状态
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE004
，其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE005
分别表示 当前时刻机器人质心在x方向和y方向的位置，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE006
分别表示当前时刻机器人质心在x方向 和y方向的速度；结合步骤二获取的双足机器人在完成当前步，并向下一步切换时的理想质 心状态依次计算前向平面内机器人的落脚时间和侧向平面内机器人的落脚时间并确定优 先平面；
步骤四，以优先平面的落脚时间作为本次落脚控制的剩余摆动时间，计算优先平面的ZMP点和落脚点、非优先平面的ZMP点和落脚点，从而实现存在外部扰动的情况下对落脚点的规划和平衡控制。
进一步地，所述步骤二中，利用简化的三维倒立摆模型作为对象对双足机器人规 划理想步态，根据步骤一获得的行走速度向量及机器人相关信息计算获得双足机器人在完 成当前步，并向下一步切换时的理想质心状态
Figure 775616DEST_PATH_IMAGE001
具体如下：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE007
其中，V x 为机器人向正前方的行走速度，V y 为向正左方的行走速度；V x max为机器人 前向行走速度最大值；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE008
为在侧向速度指令为V y 时，双足切换状态下的质心侧 向位置；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE009
为机器人质心在行走过程中距离支撑脚中心点最近点至双足切换 状态的时间；α为机器人质心在行走过程中距离支撑脚中心点最近时沿y轴方向的距离；δ为 机器人质心在双足切换状态时距离支撑脚中心点沿y轴方向的距离；σ为机器人质心距离支 撑脚中心点距离最近时沿x方向的行走速度；ω为机器人侧向行走速度为最大值V y max时，质 心在双足切换状态时距离支撑脚中心点沿y方向的距离；λϵ{-1,1}用于说明当前的双足支 撑状态；C为双足机器人的行走高度参数。
进一步地，所述步骤三中，实时获取双足机器人的当前质心状态
Figure 196205DEST_PATH_IMAGE004
，结合 步骤二获取的双足机器人在完成当前步，并向下一步切换时的理想质心状态依次计算前向 平面内机器人的落脚时间和侧向平面内机器人的落脚时间，具体为：
规划ZMP偏移量：其中，侧向平面内对应的ZMP偏移量计算如下，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE010
前向平面内对应的ZMP偏移量如下，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE011
式中，C为双足机器人的行走高度参数；
根据ZMP偏移量计算落脚时间如下：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE012
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE013
其中T l 为侧向平面的落脚时间，T f 为前向平面的落脚时间；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE017
；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE018
、
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE019
为考虑侧向ZMP偏移量 情况下的质心位置和速度；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE020
、
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE021
为考虑前向ZMP偏移量情况下的质心位置和速度。
进一步地，所述步骤三中，确定优先平面具体为：选择落脚时间小对应的平面为优先平面。
进一步地，所述步骤四具体为：
以优先平面的落脚时间作为本次落脚控制的剩余摆动时间t t0，同时结合平面的ZMP偏移量，分别计算前向平面和侧向平面的落脚位置，结合机器人本体的结构布局，选取通用的逆运动学解算方法，完成对机器人各个关节角度的实时规划计算；其中，侧向平面的落脚位置计算方法如下：
先计算双足机器人到达双足切换位置时的侧向平面内的速度
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE022
如下：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE023
C为双足机器人的行走高度参数；
进一步计算落脚点优先平面对应的坐标如下：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE024
α为机器人质心在行走过程中距离支撑脚中心点最近时的沿y轴方向的距离；λϵ{-1,1}用于说明当前的双足支撑状态；
前向平面的落脚位置计算方法如下：以优先平面的落脚时间作为本次落脚控制的 剩余摆动时间重新计算前向平面的ZMP偏移量
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE025
如下：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE026
其中，
Figure 151174DEST_PATH_IMAGE021
为考虑前向ZMP偏移量
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE027
情况下的质心速度；
Figure 671017DEST_PATH_IMAGE011
；
进一步计算双足机器人到达双足切换位置时的前向速度如下，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE028
最后计算落脚点非优先平面对应的坐标如下：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE029
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE030
为距离支撑脚最近点至双足切换点的时间。
本发明的有益效果是：
本发明方法根据机器人当前状态计算落脚时间并确定优先平面，基于优先平面落脚点时间作为本次落脚控制的剩余摆动时间计算落脚点位置，实现在存在外部扰动的情况下对落脚点的规划控制。本发明方法无需对扰动的大小和方向进行测量，仅通过观测扰动施加后机器人的状态变化，实现机器人的平衡控制，可用于双足机器人全向行走过程中受到各个方向扰动的情形。
附图说明
图1为三维倒立摆模型及其坐标系定义说明示意图；
图2为一步行走过程中质心投影轨迹与支撑脚相对位置关系参数的说明示意图；
图3为一步行走过程中质心投影轨迹与支撑脚、落脚点之间的位置关系说明示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明的一种双足机器人动态行走的平衡控制方法，包含以下步骤：
步骤一：处理输入的双足机器人行走速度指令信息
如图1所示，为处在三维空间的机器人定义坐标系，以支撑脚中心点1-1作为坐标原点，以机器人前向行走方向为x轴正方向，以机器人左侧方向为y轴正方向，以竖直向上方向为z轴正方向。本发明的运动控制方法输入形式为二维的行走速度向量(V x , V y )，其中V x 为机器人向正前方的行走速度，V y 为向正左方的行走速度。当输入为其他形式时，可通过步幅（步长）和行走频率等步态信息进行转换，统一为上述行走速度向量形式。
步骤二：规划理想步态
为保证系统的动态性能，步态规划算法需要具备高实时性，为了简化运算复杂度， 在综合分析算法有效性的前提下，本发明选用简化的三维倒立摆模型作为对象实现步态规 划，三维倒立摆模型质心1-2如图所示，规划机器人行走过程中的质心高度为h CoM ，定义机器 人行走高度参数为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE031
，其中g为重力加速度常量，则三维倒立摆在前向和侧向的运动 可以进行解耦，以机器人质心在水平面上的投影坐标(x, y)作为状态变量，则系统的动态 方程如下，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE032
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE033
、
Figure DEST_PATH_IMAGE034
分别表示机器人质心在x方向、y方向移动的加速度。
如图2所示，α为机器人质心在行走过程中距离支撑脚中心点最近时沿y轴方向的距离；δ为机器人质心在双足切换状态时距离支撑脚中心点沿y轴方向的距离；σ为机器人质心距离支撑脚中心点最近时沿x方向的行走速度（图中未示出）；ω为机器人侧向行走速度为最大值V y max时，质心在双足切换状态时距离支撑脚中心点沿y方向的距离。
在侧向速度指令为V y 时，双足切换状态的质心侧向位置
Figure DEST_PATH_IMAGE035
计算如下，
Figure DEST_PATH_IMAGE036
进一步计算由质心距离支撑脚最近点至双足切换状态的时间τ如下，
Figure DEST_PATH_IMAGE037
如图3所示，3-1为支撑脚位置，3-2为摆动脚落地位置，3-3为机器人在完成当前 步，并向下一步切换时的质心状态
Figure 19477DEST_PATH_IMAGE001
可计算如下，
Figure DEST_PATH_IMAGE038
其中
Figure 123434DEST_PATH_IMAGE002
分别表示机器人在完成当前步，并向下一步切换时质心在x方向和y方向 的理想位置，
Figure 515101DEST_PATH_IMAGE003
分别表示机器人在完成当前步，并向下一步切换时质心在x方向和y方向的 理想速度，V x max为机器人前向行走速度最大值；λϵ{-1,1}用来说明当前的双足支撑状态，当 右脚为支撑脚时λ=1，当左脚为支撑脚时，λ=-1。
步骤三：计算落脚时间并确定优先平面
机器人行走的动态平衡需要同时考虑来自机器人各个方向的扰动，本发明无需对扰动的大小和方向进行测量，仅通过观测扰动施加后机器人的状态变化，并基于机器人的实时状态即可实现平衡控制。
如图3中3-4所示，机器人当前时刻的质心状态为
Figure 776318DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure DEST_PATH_IMAGE039
分别表示当前 时刻机器人质心在x方向和y方向的位置，
Figure DEST_PATH_IMAGE040
分别表示当前时刻机器人质心在x方向和y方 向的速度。采用前向平面与侧向平面解耦的方式，依次计算前向平面内机器人的落脚时间T f 和侧向平面内机器人的落脚时间T l ，比较两个落脚时间的大小，较小的落脚时间表示在不 进行额外干预的情况下，机器人在该平面内会率先着地，即在该平面内的步态可以优先进 行规划与控制，因此以较小落脚时间所在的平面作为优先平面并进一步进行平衡控制策略 的实施。
对于侧向平面，计算落脚时间T l 的方法如下。
首先规划侧向的ZMP偏移量。为了让机器人到达目标切换状态，需要对ZMP点进行规划，在计算落脚时间时也要考虑这一因素，因此需要提前规划好ZMP偏移量之后才能进一步计算得到该平面的落脚时间。
侧向的ZMP偏移量计算如下，
Figure 795264DEST_PATH_IMAGE010
在此基础上计算侧向的落脚时间如下，
Figure 913262DEST_PATH_IMAGE012
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE041
，
Figure DEST_PATH_IMAGE042
，
Figure 824848DEST_PATH_IMAGE018
、
Figure 889756DEST_PATH_IMAGE019
为考虑侧向ZMP偏移量情况 下的质心状态（即原质心状态减去ZMP偏移量）。
同理，计算前向的ZMP偏移量如下，
Figure DEST_PATH_IMAGE043
在此基础上计算前向的落脚时间如下，
Figure DEST_PATH_IMAGE044
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE045
，
Figure DEST_PATH_IMAGE046
，
Figure 852289DEST_PATH_IMAGE020
、
Figure 344450DEST_PATH_IMAGE021
为考虑前向ZMP偏移量情况下 的质心状态。
如果T f ≥T l ，则选择侧向平面为优先平面，如果T f <T l ，则选择前向平面为优先平面。
步骤四：计算落脚位置
以侧向平面作为优先平面为例进行平衡控制策略说明，当前向平面为优先平面时同理。以侧向平面的落脚时间作为本次落脚控制的剩余摆动时间t t0= T l ，同时考虑侧向的ZMP偏移量z y ，计算在上述条件下机器人到达双足切换位置时的侧向速度如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE047
并进一步计算落脚点侧向坐标如下，
Figure 477754DEST_PATH_IMAGE024
进一步，计算非优先平面也就是前向平面的ZMP偏移量如下，
Figure 815194DEST_PATH_IMAGE026
在此基础上，计算机器人到达双足切换位置时的前向速度如下，
Figure DEST_PATH_IMAGE048
最后计算落脚点的前向坐标如下，
Figure DEST_PATH_IMAGE049
当前向平面为优先平面时，同上述方法计算即可。
至此完成了以前向平面为优先平面的前向平面与侧向平面的ZMP规划与下一步的落脚点规划。基于上述结论，结合机器人本体的结构布局，选取通用的逆运动学解算方法，即可完成对机器人各个关节角度的实时规划计算，后续步骤在本发明中不进行详细说明。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种双足机器人动态行走的平衡控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，获取双足机器人行走速度指令，并统一为二维的行走速度向量形式；
步骤二，对双足机器人规划理想步态，并根据步骤一获得的行走速度向量及机器人相 关信息计算获得双足机器人在完成当前步，并向下一步切换时的理想质心状态
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE002
分别表示机器人在完成当前步，并向下一步切换时质心在x方向和y 方向的理想位置，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
分别表示机器人在完成当前步，并向下一步切换时质心在x方向和y方 向的理想速度；
步骤三，实时获取双足机器人的当前质心状态
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
分别表示当前 时刻机器人质心在x方向和y方向的位置，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
分别表示当前时刻机器人质心在x方向和y 方向的速度；结合步骤二获取的双足机器人在完成当前步，并向下一步切换时的理想质心 状态依次计算前向平面内和侧向平面内机器人的落脚时间并确定优先平面；
步骤四，以优先平面的落脚时间作为本次落脚控制的剩余摆动时间，分别计算前向平面和侧向平面的落脚位置，从而实现存在外部扰动的情况下对落脚点的规划和平衡控制。
2.如权利要求1所述的一种双足机器人动态行走的平衡控制方法，其特征在于，所述步 骤二中，利用简化的三维倒立摆模型作为对象对双足机器人规划理想步态，根据步骤一获 得的行走速度向量及机器人相关信息计算获得双足机器人在完成当前步，并向下一步切换 时的理想质心状态
Figure 376690DEST_PATH_IMAGE001
具体如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
其中，V x 为机器人向正前方的行走速度，V y 为向正左方的行走速度；V x max为机器人前向 行走速度最大值；
Figure DEST_PATH_IMAGE008
为在侧向速度指令为V y 时，双足切换状态下的质心侧向位 置；
Figure DEST_PATH_IMAGE009
为机器人质心在行走过程中距离支撑脚中心点最近点至双足切换状态 的时间；α为机器人质心在行走过程中距离支撑脚中心点最近时沿y轴方向的距离；δ为机器 人质心在双足切换状态时距离支撑脚中心点沿y轴方向的距离；σ为机器人质心距离支撑脚 中心点距离最近时沿x方向的行走速度；ω为机器人侧向行走速度为最大值V y max时，质心在 双足切换状态时距离支撑脚中心点沿y方向的距离；λϵ{-1,1}用于说明当前的双足支撑状 态；C为双足机器人的行走高度参数。
3.如权利要求1所述的一种双足机器人动态行走的平衡控制方法，其特征在于，所述步 骤三中，实时获取双足机器人的当前质心状态
Figure 526786DEST_PATH_IMAGE004
，结合步骤二获取的双足机器人 在完成当前步，并向下一步切换时的理想质心状态依次计算前向平面内和侧向平面内机器 人的落脚时间，具体为：
规划ZMP偏移量：其中，侧向平面内对应的ZMP偏移量计算如下，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
前向平面内对应的ZMP偏移量如下，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
式中，C为双足机器人的行走高度参数；
根据ZMP偏移量计算落脚时间如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE012
Figure DEST_PATH_IMAGE013
其中T l 为侧向平面的落脚时间，T f 为前向平面的落脚时间；
Figure DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure DEST_PATH_IMAGE017
；
Figure DEST_PATH_IMAGE018
、
Figure DEST_PATH_IMAGE019
为考虑侧向ZMP偏移量 情况下的质心位置和速度；
Figure DEST_PATH_IMAGE020
、
Figure DEST_PATH_IMAGE021
为考虑前向ZMP偏移量情况下的质心位置和速度。
4.如权利要求1所述的一种双足机器人动态行走的平衡控制方法，其特征在于，所述步骤三中，确定优先平面具体为：选择落脚时间小对应的平面为优先平面。
5.如权利要求1所述的一种双足机器人动态行走的平衡控制方法，其特征在于，所述步骤四具体为：
以优先平面的落脚时间作为本次落脚控制的剩余摆动时间t t0，同时结合平面的ZMP偏移量，分别计算前向平面和侧向平面的落脚位置，结合机器人本体的结构布局，选取通用的逆运动学解算方法，完成对机器人各个关节角度的实时规划计算；其中，侧向平面的落脚位置计算方法如下：
先计算双足机器人到达双足切换位置时的侧向平面内的速度
Figure DEST_PATH_IMAGE022
如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE023
C为双足机器人的行走高度参数；
Figure 864446DEST_PATH_IMAGE010
；
进一步计算落脚点优先平面对应的坐标如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE024
α为机器人质心在行走过程中距离支撑脚中心点最近时的沿y轴方向的距离；λϵ{-1,1}用于说明当前的双足支撑状态；
前向平面的落脚位置计算方法如下：以优先平面的落脚时间作为本次落脚控制的剩余 摆动时间t t0重新计算前向平面的ZMP偏移量
Figure DEST_PATH_IMAGE025
如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE026
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE027
为考虑前向ZMP偏移量
Figure DEST_PATH_IMAGE028
情况下的质心速度；
Figure DEST_PATH_IMAGE029
；
进一步计算双足机器人到达双足切换位置时的前向速度如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE030
最后计算落脚点非优先平面对应的坐标如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE031
Figure DEST_PATH_IMAGE032
为机器人质心在行走过程中距离支撑脚中心点最近点至双足切换状态的时间。
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