CN113977586A - 仿人机器人拟人站立抗扰动控制方法 - Google Patents

仿人机器人拟人站立抗扰动控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种仿人机器人拟人站立抗扰动控制方法，基于二次规划的全身运动控制方法优化关节角度和接触力，不对足部压力中心施加位置约束，在受扰时，有效协同仿人机器人全身各关节，实现拟人踮脚运动；本发明还设计了踮脚触发条件和迈步触发条件，通过判断是否满足触发条件，仿人机器人根据外界扰动的大小采取相应的拟人抗扰动策略；将踮脚与迈步有效结合，提高机器人站立抗扰能力。

Description

仿人机器人拟人站立抗扰动控制方法
技术领域
本发明属于仿人机器人技术领域，具体涉及一种仿人机器人拟人站立抗扰动控制方法。
背景技术
仿人机器人在实际环境中受到外界扰动后仍能维持稳定，是其能在人类生产生活环境中得以应用的重要技术条件。仿人机器人站立抗扰动能力是衡量机器人在实际环境中抗扰能力的一项重要指标，且仿人机器人站立抗扰动控制方法能为仿人机器人运动抗扰动控制方法提供指导思路。因此，仿人机器人站立抗扰动方法的研究具备重要的研究意义。
人体站立受扰时，会通过踮脚帮助人体恢复稳定，若扰动进一步增大，无法通过踮脚来恢复稳定时，会向前迈步以维持定。目前，仿人机器人站立抗扰动控制方法常将调节后的零力矩点或足部压力中心限制在机器人的足部支撑区域范围之内，从而使机器人足部能与地面贴合，避免足部翻转，但是这会使机器人无法产生有助于恢复稳定的拟人踮脚运动，使机器人能承受的外界扰动幅度降低。此外，存在少许仿人机器人抗扰动控制方法未限制调节后的零力矩点位置，该方法通过加速质心并快速转动躯干来产生踮脚，但是同时必须调节落脚点位置。因此，与人体抗扰动策略不同，无法根据外界扰动大小选择不同的抗干扰策略，且该方法使用机器人简化模型产生运动，无法有效协调全身各个关节进行踮脚运动，限制踮脚可应对的外界扰动幅度。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种仿人机器人拟人站立抗扰动控制方法，将踮脚与迈步有效结合，提高机器人站立抗扰能力。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种仿人机器人拟人站立抗扰动控制方法，具体为：
S1，若仿人机器人上一周期未使用迈步，转至S2，若使用迈步，转至S7；
S2，通过未使用迈步的基于二次规划的全身运动控制方法优化关节角度和接触力，得到期望的足部接触力和各关节角度；
S3，若仿人机器人上一周期若未使用踮脚，转至S4，若使用踮脚，转至S5；
S4，判断踮脚触发条件是否为真，若为假，无需踮脚即可恢复稳定，并转至S9，若为真，需要踮脚才可恢复稳定，转至S5；
S5，判断迈步触发条件是否为真，若为假，无需迈步即可恢复稳定，并转至S9，若为真，
需要迈步才可恢复稳定，转至S6；
S6，确定的支撑腿和摆动腿，转至S7；
S7，计算摆动腿落脚点位置，并确定摆动腿踝关节期望位置，转至S8；
S8，通过使用迈步的基于二次规划的全身运动控制方法优化关节角度，得到期望各关节角度，转至S9；
S9，向仿人机器人发送优化得到的期望关节角度。
进一步地，所述基于二次规划的全身运动控制方法，具体为：
选取接触力、六维浮动基加速度及各关节加速度作为优化变量y，选取需要使用的约束条件，并引入松弛因子v、w，构建如下二次规划问题：
Figure BDA0003375064100000021
s.t.V(Ay+a)≤v
W(By+b)＝w
其中：A、a、B、b为系数矩阵，V、W分别为约束条件的权重矩阵；
通过求解所述二次规划问题，得到优化后的期望足部接触力和各关节角度。
更进一步地，所述未使用迈步的基于二次规划的全身运动控制方法，接触力由左右踝关节在足底的投影点受到的六维力/力矩组成，使用的不等式约束条件为关节角度范围约束和接触点摩擦锥约束，使用的等式约束为：浮动基动力学约束、接触点加速度-微分控制和质心状态反馈控制。
更进一步地，所述使用迈步的基于二次规划的全身运动控制方法，接触力由支撑腿的足部压力中心受到的六维力/力矩组成，使用的不等式约束条件为关节角度范围约束和接触点摩擦锥约束，使用的等式约束为：浮动基动力学约束、接触点加速度微分控制、质心状态反馈控制和摆动腿踝关节加速度微分控制。
进一步地，所述踮脚触发条件为期望足部压力中心位置超过对应的单足足部支撑范围，具体为：
(xRCoP≥xRf∪xRCoP≤xRb∪yRCoP≥yRr∪yRCoP≤yRl)∪(xLCoP≥xLf∪xLCoP≤xLb∪yLCoP≥yLr∪yLCoP≤yLl)
其中，xLCoP为在对应踝关节局部坐标系下左单足足部压力中心沿x轴的位置，xRCoP为在对应踝关节局部坐标系下右单足足部压力中心沿x轴的位置，yLCoP为在对应踝关节局部坐标系下左单足足部压力中心沿y轴的位置，yRCoP为在对应踝关节局部坐标系下右单足足部压力中心沿y轴的位置，xLf为在对应踝关节局部坐标系下左足足部支撑范围的前边界沿x轴的坐标，xLb为在对应踝关节局部坐标系下左足足部支撑范围的后边界沿x轴的坐标，xRf为在对应踝关节局部坐标系下右足足部支撑范围的前边界沿x轴的坐标，xRb为在对应踝关节局部坐标系下右足足部支撑范围的后边界沿x轴的坐标，yLl为在对应踝关节局部坐标系下左单足足部支撑范围左边界沿y轴的坐标，yLr为在对应踝关节局部坐标系下左单足足部支撑范围右边界沿y轴的坐标，yRl为在对应踝关节局部坐标系下右单足足部支撑范围左边界沿y轴的坐标，yRr为在对应踝关节局部坐标系下右单足足部支撑范围右边界沿y轴的坐标。
进一步地，所述迈步触发条件瞬时捕获点超出初始足部支撑范围且质心位置超出足部支撑可调范围，具体为：
(xCoM≥xmf∪xCoM≤xmb∪yCoM≥ymr∪yCoM≤yml)∩(xICP≥xff∪xICP≤xfb∪yICP≥yfr∪yICP≤yfl)
其中：xCoM为在世界坐标系下机器人质心沿x轴的位置，yCoM为在世界坐标系下机器人质心沿y轴的位置，xICP为瞬时捕获点在世界坐标系下沿x轴的位置，yICP为为瞬时捕获点在世界坐标系下沿y轴的位置，xff为初始足部支撑范围前边界在世界坐标系下沿x轴的坐标，xfb为初始足部支撑范围后边界在世界坐标系下沿x轴的坐标，xmf为足部支撑可调范围的前边界在世界坐标系下沿x轴的坐标，xmb为足部支撑可调范围的后边界在世界坐标系下沿x轴的坐标，yfr为初始足部支撑范围右边界在世界坐标系下沿y轴的坐标，yfl为初始足部支撑范围左边界在世界坐标系下沿y轴的坐标，ymr为足部支撑可调范围右边界在世界坐标系下沿y轴的坐标，yml为足部支撑可调范围左边界在世界坐标系下沿y轴的坐标。
更进一步地，所述足部支撑可调范围与初始足部支撑范围形状相同，且面积按比例α缩小，其中
Figure BDA0003375064100000031
本发明的有益效果为：
(1)本发明在使用基于二次规划的全身运动控制时，解除对期望足部压力中心位置的限制，使机器人在受到外界扰动时，能够有效协同全身各关节产生拟人踮脚运动。
(2)本发明提出了无踮脚迈步/踮脚/踮脚-迈步的拟人站立抗扰动控制方法，设计了踮脚触发条件和迈步触发条件，通过判断是否满足触发条件，实现机器人根据外界扰动的大小采取相应拟人抗扰动策略，充分利用踮脚运动，并将踮脚与迈步有效结合，提高机器人站立抗扰能力。
附图说明
图1(a)为本发明使用的世界坐标系图；
图1(b)为本发明使用的踝关节局部坐标系图；
图2为本发明所述仿人机器人拟人站立抗扰动控制流程图；
图3(a)为本发明左足单足支撑范围示意图；
图3(b)为本发明右足单足支撑范围示意图；
图4为本发明初始足部支撑范围及足部支撑可调范围示意图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1(a)、(b)所示，本发明使用的坐标系定义为：世界坐标系定义x轴为沿机器人前进方向，向前为正，y轴沿机器人左右方向，向左为正，z轴垂直于地面，向上为正，原点与地面固连；踝关节局部坐标系原点与踝关节固连，各轴与踝关节为随动关系，各轴初始方向与世界坐标系相同。图1(b)中，P代表俯仰，R代表横滚，Y代表偏航。
如图2所示，本发明一种仿人机器人拟人站立抗扰动控制方法，具体包括如下步骤：
步骤(1)，判断仿人机器人上一控制周期是否迈步，若未使用迈步，转至步骤(2)，若使用迈步，转至步骤(7)；
步骤(2)，通过未使用迈步的基于二次规划的全身运动控制方法优化关节角度和接触力，得到期望的足部接触力和全身各关节角度；
所述基于二次规划的全身运动控制，具体为：
本发明通过求解二次规划问题实现对机器人全身各关节的运动控制。
首先，选取接触力、六维浮动基加速度及各关节加速度作为优化变量y；然后，选取需要使用的约束条件，一般为线性不等式约束或等式约束，其形式为：
Figure BDA0003375064100000041
其中，A、a、B、b为系数矩阵；
再次，引入松弛因子v、w，构建如下二次规划问题：
Figure BDA0003375064100000051
其中，V、W分别为各不等式、各等式约束条件的权重矩阵，权重越大，对应的约束条件优先级越高；
最后，通过求解该二次规划问题即可得到优化后的期望足部接触力和全身各关节角度。
下面分别介绍未使用迈步和使用迈步时使用的具体优化变量和约束条件。
1)未使用迈步
优化变量与y相同，其中，接触力由左右踝关节在足底的投影点受到的六维力/力矩组成。
使用的不等式约束条件有：关节角度范围约束、接触点摩擦锥约束；使用的等式约束有：浮动基动力学约束、接触点加速度-微分(PD)控制、质心状态反馈控制；以上约束可整理成式(1)形式。
需要强调的是，由于未对机器人足部压力中心位置进行不等式约束，因此，优化得到的期望接触力所对应的足部压力中心超出足部支撑区域时，优化得到的各关节角度会使机器人足部相对地面产生翻转，从而产生拟人踮脚动作。
2)使用迈步
优化变量与y相同，其中，接触力由支撑腿的足部压力中心受到的六维力/力矩组成。
使用的不等式约束条件有：关节角度范围约束、接触点摩擦锥约束；使用的等式约束有：浮动基动力学约束、接触点加速度微分(PD)控制、质心状态反馈控制、摆动腿踝关节加速度微分(PD)控制；以上约束可整理成式(1)形式。
下面具体介绍不等式约束条件和等式约束。令优化变量为
Figure BDA0003375064100000052
令浮动基及关节加速度
Figure BDA0003375064100000053
Figure BDA0003375064100000054
浮动基的加速度，
Figure BDA0003375064100000055
为关节加速度，λ为接触力。
①浮动基动力学约束为：
Figure BDA0003375064100000056
其中，M、N、
Figure BDA0003375064100000057
分别为机器人系统的惯性矩阵与浮动基相关的六行、非接触力向量与浮动基相关的六行、接触点雅克比矩阵的转置与浮动基相关的六行。
②关节角度范围约束为：
Figure BDA0003375064100000058
其中，q，
Figure BDA0003375064100000061
分别为当前浮动基及关节位置、当前浮动基及关节速度，T为控制周期，qmin、qmax为关节能达到的最小、最大角度。
③接触点加速度比例-微分(P D)控制为：
Figure BDA0003375064100000062
其中，xcd、
Figure BDA0003375064100000063
分别为接触点的期望位置、速度、加速度，xc、
Figure BDA0003375064100000064
分别为接触点的当前实际位置、速度，Kp1、Kd1为反馈系数，Jc为接触点雅克比矩阵，
Figure BDA0003375064100000065
为Jc的一阶导数。
④接触点摩擦锥约束为：
Figure BDA0003375064100000066
其中，fz为接触点处的法向接触力，fx,y为接触点处的切向接触力，μ为摩擦系数。
⑤质心状态反馈控制为：
该控制通过质心的位置及速度进行状态反馈，计算得到期望的接触力大小，具体约束表达式如下：
Figure BDA0003375064100000067
其中，λd为期望接触力，K为状态反馈矩阵，ΔxCoM、
Figure BDA0003375064100000068
分别为当前机器人质心的位置误差和速度误差。
⑥摆动腿踝关节加速度PD控制，表达式如下，同样可整理成式(1)形式：
Figure BDA0003375064100000069
其中，xsd、
Figure BDA00033750641000000610
分别为踝关节的期望位置、速度、加速度，Js为踝关节雅克比矩阵，
Figure BDA00033750641000000611
为Js的一阶导数，xs、
Figure BDA00033750641000000612
分别为踝关节的当前实际位置、速度，
Figure BDA00033750641000000613
为预先规划的踝关节加速度，Kp2、Kd2为反馈系数。
步骤(3)，判断仿人机器人上一周期是否垫脚，若未使用踮脚，转至步骤(4)，若使用踮脚，转至步骤(5)；
步骤(4)，判断踮脚触发条件是否为真，若为假，无需踮脚即可恢复稳定，转至步骤(9)，若为真，需要踮脚才可恢复稳定，转至步骤(5)；
所述踮脚触发条件为期望足部压力中心位置超过对应的单足足部支撑范围。
期望单足足部压力中心位置根据优化得到的期望足部接触力计算，计算方法如下：
Figure BDA0003375064100000071
其中，xLCoP、xRCoP、yLCoP、yRCoP分别为在对应踝关节局部坐标系下左、右单足足部压力中心沿x轴、y轴的位置，τLx、τLy、τRx、τRy分别为在对应踝关节局部坐标系下左、右接触点受到的绕x轴、y轴期望力矩，fLz、fRz为在对应踝关节局部坐标系下左、右接触点受到的沿z轴期望足部接触力。
单足足部支撑范围为单足足部与地面接触部分形成的凸多边形大小，如图3(a)、(b)所示；
故踮脚触发条件可表达为：
(xRCoP≥xRf∪xRCoP≤xRb∪yRCoP≥yRr∪yRCoP≤yRl)∪(xLCoP≥xLf∪xLCoP≤xLb∪yLCoP≥yLr∪yLCoP≤yLl) (10)
其中，xLf、xLb、xRf、xRb分别为在对应踝关节局部坐标系下左、右单足足部支撑范围的前、后边界沿x轴的坐标，yLl、yLr、yRl、yRr分别为在对应踝关节局部坐标系下左、右单足足部支撑范围左、右边界沿y轴的坐标。
若式(10)为真，机器人将产生踮脚动作，若式(10)为假，则不产生踮脚。
步骤(5)，判断迈步触发条件是否为真，若为假，无需迈步即可恢复稳定，转至步骤(9)，若为真，需要迈步才可恢复稳定，转至步骤(6)；
所述迈步触发条件为瞬时捕获点超出初始足部支撑范围且质心位置超出足部支撑可调范围。
瞬时捕获点的计算方法如下：
Figure BDA0003375064100000072
其中，rCoM＝[xCoM,yCoM,0]T为在世界坐标系下机器人质心地面投影点位置，
Figure BDA0003375064100000073
为在世界坐标系下机器人质心地面投影点速度，rICP＝[xICP,yICP,0]T为在世界坐标系下瞬时捕获点位置。
初始足部支撑范围指未踮脚时双足与地面接触部分形成的凸多边形；足部支撑可调范围与初始足部支撑范围形状相同，但面积按比例α缩小，如图4所示：其中，xff、xfb、xmf、xmb分别为初始足部支撑范围、足部支撑可调范围的前后边界在世界坐标系下沿x轴的坐标，yfr、yfl、ymr、yml分别为初始足部支撑范围、足部支撑可调范围的右左边界在世界坐标系下沿y轴的坐标，
Figure BDA0003375064100000081
α初始值可设为0.6，α初始值根据实际实验效果调整。
则迈步触发条件如下：
(xCoM≥xmf∪xCoM≤xmb∪yCoM≥ymr∪yCoM≤yml)∩(xICP≥xff∪xICP≤xfb∪yICP≥yfr∪yICP≤yfl) (12)
其中：xCoM为在世界坐标系下机器人质心沿x轴的位置，yCoM为在世界坐标系下机器人质心沿y轴的位置，xICP为瞬时捕获点在世界坐标系下沿x轴的位置，yICP为为瞬时捕获点在世界坐标系下沿y轴的位置。
若式(12)为真，机器人将进行迈步，若式(12)为假，机器人不迈步。
步骤(6)，读取双腿力传感器数据，受力较大的腿作为支撑腿，受力较小的腿作为摆动腿，转至步骤(7)；
步骤(7)，基于捕获点理论计算摆动腿落脚点位置，并通过三次样条插值确定摆动腿踝关节期望位置，转至步骤(8)；
计算摆动腿落脚点位置的公式为：
Figure BDA0003375064100000082
其中，rCoP当前压力中心位置，当前压力中心位置的计算先由支撑腿力传感器测量得到六维力/力矩，再将该六维力/力矩通过坐标变换将踝关节局部坐标系下的六维力/力矩转换为世界坐标系下的六维力/力矩，最后根据式(9)求得；rICP为当前瞬时捕获点位置(式(11)得到)；zCoM为当前质心高度；Δt为当前最小迈步时间，该时间由实际机器人平台硬件结构决定。
步骤(8)，通过使用迈步的基于二次规划的全身运动控制方法优化关节角度，得到期望各关节角度，转至步骤(9)；
步骤(9)，向仿人机器人发送优化得到的期望关节角度。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种仿人机器人拟人站立抗扰动控制方法，其特征在于，包括步骤：
S1，若仿人机器人上一周期未使用迈步，转至S2，若使用迈步，转至S7；
S2，通过未使用迈步的基于二次规划的全身运动控制方法优化关节角度和接触力，得到期望的足部接触力和各关节角度；
S3，若仿人机器人上一周期若未使用踮脚，转至S4，若使用踮脚，转至S5；
S4，判断踮脚触发条件是否为真，若为假，无需踮脚即可恢复稳定，并转至S9，若为真，需要踮脚才可恢复稳定，转至S5；
S5，判断迈步触发条件是否为真，若为假，无需迈步即可恢复稳定，并转至S9，若为真，需要迈步才可恢复稳定，转至S6；
S6，确定的支撑腿和摆动腿，转至S7；
S7，计算摆动腿落脚点位置，并确定摆动腿踝关节期望位置，转至S8；
S8，通过使用迈步的基于二次规划的全身运动控制方法优化关节角度，得到期望各关节角度，转至S9；
S9，向仿人机器人发送优化得到的期望关节角度。
2.根据权利要求1所述的仿人机器人拟人站立抗扰动控制方法，其特征在于，所述基于二次规划的全身运动控制方法，具体为：
选取接触力、六维浮动基加速度及各关节加速度作为优化变量y，选取需要使用的约束条件，并引入松弛因子v、w，构建如下二次规划问题：
Figure FDA0003375064090000011
s.t.V(Ay+a)≤v
W(By+b)＝w
其中：A、a、B、b为系数矩阵，V、W分别为约束条件的权重矩阵；
通过求解所述二次规划问题，得到优化后的期望足部接触力和各关节角度。
3.根据权利要求2所述的仿人机器人拟人站立抗扰动控制方法，其特征在于，所述未使用迈步的基于二次规划的全身运动控制方法，接触力由左右踝关节在足底的投影点受到的六维力/力矩组成，使用的不等式约束条件为关节角度范围约束和接触点摩擦锥约束，使用的等式约束为：浮动基动力学约束、接触点加速度-微分控制和质心状态反馈控制。
4.根据权利要求2所述的仿人机器人拟人站立抗扰动控制方法，其特征在于，所述使用迈步的基于二次规划的全身运动控制方法，接触力由支撑腿的足部压力中心受到的六维力/力矩组成，使用的不等式约束条件为关节角度范围约束和接触点摩擦锥约束，使用的等式约束为：浮动基动力学约束、接触点加速度微分控制、质心状态反馈控制和摆动腿踝关节加速度微分控制。
5.根据权利要求1所述的仿人机器人拟人站立抗扰动控制方法，其特征在于，所述踮脚触发条件为期望足部压力中心位置超过对应的单足足部支撑范围，具体为：
(xRCoP≥xRf∪xRCoP≤xRb∪yRCoP≥yRr∪yRCoP≤yRl)∪(xLCoP≥xLf∪xLCoP≤xLb∪yLCoP≥yLr∪yLCoP≤yLl)
其中，xLCoP为在对应踝关节局部坐标系下左单足足部压力中心沿x轴的位置，xRCoP为在对应踝关节局部坐标系下右单足足部压力中心沿x轴的位置，yLCoP为在对应踝关节局部坐标系下左单足足部压力中心沿y轴的位置，yRCoP为在对应踝关节局部坐标系下右单足足部压力中心沿y轴的位置，xLf为在对应踝关节局部坐标系下左足足部支撑范围的前边界沿x轴的坐标，xLb为在对应踝关节局部坐标系下左足足部支撑范围的后边界沿x轴的坐标，xRf为在对应踝关节局部坐标系下右足足部支撑范围的前边界沿x轴的坐标，xRb为在对应踝关节局部坐标系下右足足部支撑范围的后边界沿x轴的坐标，yLl为在对应踝关节局部坐标系下左单足足部支撑范围左边界沿y轴的坐标，yLr为在对应踝关节局部坐标系下左单足足部支撑范围右边界沿y轴的坐标，yRl为在对应踝关节局部坐标系下右单足足部支撑范围左边界沿y轴的坐标，yRr为在对应踝关节局部坐标系下右单足足部支撑范围右边界沿y轴的坐标。
6.根据权利要求1所述的仿人机器人拟人站立抗扰动控制方法，其特征在于，所述迈步触发条件瞬时捕获点超出初始足部支撑范围且质心位置超出足部支撑可调范围，具体为：
(xCoM≥xmf∪xCoM≤xmb∪yCoM≥ymr∪yCoM≤yml)∩(xICP≥xff∪xICP≤xfb∪yICP≥yfr∪yICP≤yfl)
其中：xCoM为在世界坐标系下机器人质心沿x轴的位置，yCoM为在世界坐标系下机器人质心沿y轴的位置，xICP为瞬时捕获点在世界坐标系下沿x轴的位置，yICP为为瞬时捕获点在世界坐标系下沿y轴的位置，xff为初始足部支撑范围前边界在世界坐标系下沿x轴的坐标，xfb为初始足部支撑范围后边界在世界坐标系下沿x轴的坐标，xmf为足部支撑可调范围的前边界在世界坐标系下沿x轴的坐标，xmb为足部支撑可调范围的后边界在世界坐标系下沿x轴的坐标，yfr为初始足部支撑范围右边界在世界坐标系下沿y轴的坐标，yfl为初始足部支撑范围左边界在世界坐标系下沿y轴的坐标，ymr为足部支撑可调范围右边界在世界坐标系下沿y轴的坐标，yml为足部支撑可调范围左边界在世界坐标系下沿y轴的坐标。
7.根据权利要求6所述的仿人机器人拟人站立抗扰动控制方法，其特征在于，所述足部支撑可调范围与初始足部支撑范围形状相同，且面积按比例α缩小，其中
Figure FDA0003375064090000031
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BENJAMIN STEPHENS: ""Humanoid Push Recovery"" *

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