CN115793683A - 一种重心控制方法、调整机构及足式机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种重心控制方法、调整机构及足式机器人，其中重心控制方法包括：规划机器人运动轨迹，通过模型预测机器人质心理论运动状态数据；通过机器人的数据采集设备采集实际运动过程中机器人质心真实运动状态数据；于机器人实际运动过程中，通过调整机器人身上配重元件的位置，来补偿质心真实运动状态数据和理论运动状态数据之间的偏差值，本发明中采用调整机器人身上配重元件水平位置的方法，来保持机器人运动过程中重心平衡，相较于现有技术中的运动自适应方法，能够大量减少数据模型的训练次数，简化训练模型的难度，还能够提高重心调控精度，提高足式机器人运动平稳性。

Description

一种重心控制方法、调整机构及足式机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种重心控制方法、调整机构及足式机器人。

背景技术

仿人机器人(以下简称机器人)跟人一样，是靠两条腿的行走实现移动的。它的双腿结构跟人类似，相较于传统的轮式和履带式机器人有更好的机动性，尤其是在凹凸不平的地面、楼梯以及与地面仅有离散不连续的接触点的场合更体现出优越性。但是双足机器人行走不稳定问题突出，容易摔倒。

为了使机器人行走，需要给定机器人的行走轨迹，即动态步态，包括关节机器人各个关节的角度。机器人的动态步态是一种固有的、周期的运动，是依据双足机器人整体动力学产生的。由于约束条件的耦合性和动力学方程的复杂性，动态步态计算需要一个长期的优化过程。因此，动态步态一般通过离线计算方法来实现。也就是动态步态一般是在假设双足机器人模型和周围环境已知的情况下生成的。实际上，双足机器人行走现实环境中与模型训练中的环境和条件不同，机器人机械的按照预先规划好的动态步态完全执行，不会重心进行调整，很可能会由于重心不稳而发生摔倒。

目前针对机器人动态步态优化的方法，主要是通过增加复杂场景和相应数据进行大量且复杂的自适应优化，从而接近真实环境，然而这种方式，需要大量增加数据模型的训练次数，增加工作人员的工作量，同时需要对动力学方程进行优化，增大了训练难度。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本公开总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种重心控制方法、调整机构及足式机器人，能够减少数据模型的训练次数，简化训练模型的难度，还能够提高重心调控精度，保持运动过程中重心平衡，提高足式机器人运动平稳性。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种足式机器人重心控制方法，包括：

规划机器人运动轨迹，通过模型预测机器人质心理论运动状态数据；

通过机器人的数据采集设备采集实际运动过程中机器人质心真实运动状态数据；

于机器人实际运动过程中，通过调整机器人身上配重元件的位置，来补偿质心真实运动状态数据和理论运动状态数据之间的偏差值。

本发明基于以下的认知，即，足式机器人的行走类似于人类行走，人类行走或者动作过程中，会通过摆臂来调整重心，目的是保持运动平稳，防止摔倒，同样的原理，目前开发的足式机器人的行走过程也需要调整重心，使其保持运动平衡，足式机器人的行走或动作前，处理器会接收到动作指令，该动作指令用于指导机器人接下来的行走或动作过程，通过该动作指定，机器人规划好行进路径，同时做好每一步的运动轨迹规划，运动轨迹的生成是依靠腿部和手臂的动作构成，这里的动作规划，是通过模型进行建立的，在训练模型中，建立动作指令与手臂摆动角度、摆动角速度和腿部摆动角度以及摆动角速度的关系，从而根据动作指令，手臂和腿部做出相应的动作，根据理论模型，得出手臂和腿部动作后的质心位置，以及动作过程中，质心的变化过程，从而得出机器人质心理论运动状态的数据，在设计机器人的动作时，理论质心是可以直接计算出来的，所以为了保证机器人动作的平衡，理论质心虽然发生变化，但始终是保持机器人平衡的，而机器人真实质心的变化数据，主要是通过布设于身上的传感器采集的数据获得，具体采用的传感器包括有足底压力传感器、IMU数据采集模块等，通过上述传感器采集到的数据进行计算得出机器人质心真实运动状态的数据，通过实时计算质心理论运动状态数据和真实运动状态数据之间的偏差值，并采用调整机器人身上配重元件的位置来对偏差值进行补偿，从而保证真实运动状态下，机器人始终保持平衡。

进一步地，在机器人实际运动前，还需要采集当前机器人位姿。

需要说明的是，机器人在实际运动前，可能是腿部保持直立，手臂保持垂直向下状态，也可以是结束完之前动作，腿部和手臂都呈现弯曲状态，所以，在执行接下来动作前，需要采集当前机器人的位置，这里的位姿可以通过采集足底的传感器来实现，足底布设多个传感器，通过采集左右脚底不同位置的压力值，并通过双足运动学的逆解，来确定当前机器人的位置，从而获知当前机器人的质心位置，从而使机器人以当前动作开始，进行接下来的动作。

进一步地，通过足部多点位压力采集和IMU数据采集来反馈机器人质心真实运动状态数据。

需要强调的是，本发明基于以下认知，以上公开了本发明中具体的数据采集设备，能够反馈机器人运动状态变化的数据有多种，比如各个关节处的电机角位移和角速度来反馈关节摆动角度，从而推算出质心的真实变化数据，同时也可以采用本申请中公开的，采用足底多点位压力采集和IMU数据采集的方式来作为推算质心变化的输入量，机器人身体不同动作状态下，足底各处感应到的压力各不同，通过建立压力与身体状态的对应关系，从而判断机器人的位姿，并通过IMU数据采集，包含陀螺仪和加速度仪，检测欧拉角的变化，来推算出质心的真实变化数据。

进一步地，配重元件于水平面内X轴和Y轴方向进行移动，所述X轴和Y轴相互垂直。

本发明基于以下的认知，机器人在竖直方向，即Z轴方向上发生质心改变时，是不会导致机器人平衡的问题的，所以，无需对质心在竖直方向上发生改变进行补偿，所以，配重元件仅需要在水平方向内进行移动即可，为了方便调控，采用X轴和Y轴方向的方式进行具体操作控制。

进一步地，X轴方向为人体左右方向，Y轴方向为人体前后方向，通过对配重元件左右移动和前后移动来对偏差量进行补偿，主要是为了方便计算，简化控制方式。

进一步地，所述配重元件为电池模组。

特别强调的是，本发明中特别将电池模组作为配重元件，一方面是因为电池模组重量大，通过短距离移动可以实现平衡重心偏差的效果，另一方面，采用电池模组作为配重元件，这就无需引入专门的配重元件，对机器人的重量进行了降低，同时也降低了成本，电池模组外形为矩形，内部可集成一些其他元器件，构造更简单，安装更加方便。

进一步地，将质心理论运动状态数据和质心真实运动状态数据输入到世界坐标系内来计算偏差值，在计算机内建立世界坐标系，将质心理论运动状态数据和质心真实运动状态数据在世界坐标系内呈现出来，方便展示以及偏差值的计算。

进一步地，规划机器人运动轨迹时，需要生成双足运动轨迹和双臂运动轨迹，通过控制双足行走和双臂摆动来使机器人保持重心平衡。

这里的运动轨迹规划，是在机器人开始前完成的，通俗的讲，人从屋内某个位置走出屋子的过程中，脑子里已经规划好了行进路径和相应的运动轨迹，机器人也一样，在接收到动作指令后，会根据现场情况，进行运动轨迹的规划，具体的，需要生成双足运动轨迹和双臂运动轨迹，从而在运动过程中保持平衡，这里的运动轨迹的规划，也是为了能够生成质心的理论运动数据。

为了能够实现上述方案中提出的质心偏差值补偿，本发明还公开了一种足式机器人重心调整机构，包括：

电池模组，安装于身体躯干部分；

X轴移动机构，包括第一电机、第一线轨、第一滑块和第一基座，所述电池模组底部固定于所述第一滑块上，所述第一电机安装于所述第一基座一侧，所述第一电机的输出端连接有沿所述第一线轨长度方向的第一丝杆，所述第一滑块具有与所述第一丝杆配合的第一螺母，所述第一电机输出扭矩，带动所述电池模组沿第一线轨长度方向运动；

Y轴移动机构，包括第二电机、第二线轨、第二滑块和第二基座，所述第二线轨长度方向和所述第一线轨长度方向相互垂直，所述第二滑块固定于所述第一基座下方，所述第二电机安装于所述第二基座一侧，所述第二电机的输出端连接有沿所述第二线轨长度方向的第二丝杆，所述第二滑块具有与所述第二丝杆配合的第二螺母，所述第二电机输出扭矩，带动电池模组沿第二线轨长度方向运动。

更广泛的，本发明还公开了一种足式机器人，采用前述的重心控制方法。

本发明的有益效果为：本发明中采用调整机器人身上配重元件水平位置的方法，来保持机器人运动过程中重心平衡，相较于现有技术中的运动自适应方法，能够大量减少数据模型的训练次数，简化训练模型的难度，还能够提高重心调控精度，提高足式机器人运动平稳性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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发明中记载的一些实施例，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他的附图。

图1为本发明实施例中重心控制方法的整体框架图；

图2为本发明实施例中计算板的内部框架图；

图3为本发明实施例中重心调整机构的结构示意图；

图4为本发明实施例中足式机器人的结构示意图；

图5为本发明实施例中重心调整机构(省略电池模组)的结构示意图；

图6为本发明实施例中另一视角下重心调整机构(省略电池模组)的结构示意图；

图7为本发明实施例中重心调整机构(省略电池模组)的俯视图。

附图标记：1、电池模组；2、第一电机；3、第一线轨；4、第一滑块；5、第一基座；6、第二电机；7、第二线轨；8、第二滑块；9、第二基座。

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1所示的重心控制方法，在输入开始的命令后，要先对胳膊各关节以及腿部各关节处的电机进行校准，在本实施例中采用的电机均配置有编码器，通过编码器来对电机进行校准，查看各处电机是否能够正常使用以及是否存在使用误差，若存在，直接结束任务，检修后再重新开始，若正常无误差，则进入到计算板处理环节，位于足部的传感器将压力信号传输给计算板，同时，位于身体躯干部分的IMU模块采集质心在x、y、z轴上的真实坐标值和欧拉角的变化值，反馈质心的真实运动状态数据，计算板根据接收到的动作指令，生成具体的动作，用于驱动双臂上的驱动电机以及双腿上的驱动电机进行转动，从而实现双臂和双足的动作，为了更加精确的对重心进行调控，补偿质心的理论运动状态和真实运动状态之间的偏差值，计算板在接收到实时监测到的足部传感器和IMU产生的数据时，通过计算偏差值，来控制第一电机和第二电机进行工作，本实施例采用的补偿周期可以为机器人在行走过程中，单脚落地后，脚底传感器传出压力信号后，计算板对压力信号以及IMU模块数据进行处理，从而获得偏差值，补偿周期也可以某一个时间段为节点，当一个时间段过完后，各处传感器传回数据，计算板经过处理后进行补偿，补偿周期还可以在机器人双足支撑，手臂进行一次动作完成后，进行一次补偿，其中，补偿周期越短，对电机的控制要求越高，同时操控的难度越大，但补偿精度高，相较于运动自适应的方法，本实施例采用的补偿方法，能够节省模型训练次数，简化模型的搭建难度，同时调节的精准度更高。

为了更加便于理解本实施例中的重心控制方法，如图2所示，对计算板的功能做了更详细的介绍，对算法做了进一步公开，具体的，每个足部底面均布设有四个传感器，四个传感器呈矩形分布，采集各个足部传感器的压力信号，并依次通过脚部位姿转换器、双足运动学的逆解和机器人位姿转换器得到当前机器人的位姿，反馈位姿的数据进入到五质心模型预测控制算法内进行处理，其中五质心包括两条胳膊质心、两条腿质心和身体躯干质心，该五质心模型预测控制算法是根据各处质心的变化来反馈整个机器人运动状态，其中在采用脚部位姿转换器处理后的数据直接传输给ZMP，ZMP为零力矩点，而为了反馈机器人在运动过程中，是否是平衡的，通过设置于机器人身上的IMU模块来采集质心的x，y，z的坐标和欧拉角的变化值，将数值代入到世界坐标系中来获得真实的质心变化数据，计算板根据动作指令，来生成双足轨迹，五质心模型预测控制算法需要先进行双足运动学正解，之后通过步态算法后对双足轨迹进行规划，而为了保证运动过程中，身体是平衡的，就像人一样，机器人也需要摆臂来完成对质心的位置补偿，五质心模型预测控制算法，通过双臂运动学正解、轨迹规划算法和位置补偿来生成双臂的运动轨迹，通过控制双足行走和双臂摆动来使机器人保持理论重心平衡，然而在真实运动过程中，通过足部传感器和IMU检测不断的检测实际行走过程中的质心真实运动数据，通过计算偏差值，来控制第一电机和第二电机进行工作，通过对电池模组的重心进行移动来补偿偏差值。

如图3-7所示，本实施例还提出了一种足式机器人重心调整机构，包括：电池模组1、X轴移动机构和Y轴移动机构，其中电池模组1安装于身体躯干部分，X轴移动机构，包括第一电机2、第一线轨3、第一滑块4和第一基座5，电池模组1底部固定于第一滑块4上，第一电机2安装于第一基座5一侧，第一电机2的输出端连接有沿第一线轨3长度方向的第一丝杆，第一滑块4具有与第一丝杆配合的第一螺母，第一电机2输出扭矩，带动电池模组1沿第一线轨3长度方向运动；Y轴移动机构，包括第二电机6、第二线轨7、第二滑块8和第二基座9，第二线轨7长度方向和第一线轨3长度方向相互垂直，第二滑块8固定于第一基座5下方，第二电机6安装于第二基座9一侧，第二电机6的输出端连接有沿第二线轨7长度方向的第二丝杆，第二滑块8具有与第二丝杆配合的第二螺母，第二电机6输出扭矩，带动电池模组1沿第二线轨7长度方向运动。

本发明提出的重心调整机构，运行平稳，调节精度高，使用方式简单，容易操控。

本实施例还公开了一种足式机器人，采用前述的重心控制方法来保持运动平衡。

本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种足式机器人重心控制方法，其特征在于，包括：

规划机器人运动轨迹，通过模型预测机器人质心理论运动状态数据；

通过机器人的数据采集设备采集实际运动过程中机器人质心真实运动状态数据；

于机器人实际运动过程中，通过调整机器人身上配重元件的位置，来补偿质心真实运动状态数据和理论运动状态数据之间的偏差值。

2.根据权利要求1所述的足式机器人重心控制方法，其特征在于，在机器人实际运动前，还需要采集当前机器人位姿。

3.根据权利要求1所述的足式机器人重心控制方法，其特征在于，通过足部多点位压力采集和IMU数据采集来反馈机器人质心真实运动状态数据。

4.根据权利要求1所述的足式机器人重心控制方法，其特征在于，配重元件于水平面内X轴和Y轴方向进行移动，所述X轴和Y轴相互垂直。

5.根据权利要求4所述的足式机器人重心控制方法，其特征在于，X轴方向为人体左右方向，Y轴方向为人体前后方向。

6.根据权利要求1所述的足式机器人重心控制方法，其特征在于，所述配重元件为电池模组。

7.根据权利要求1所述的足式机器人重心控制方法，其特征在于，将质心理论运动状态数据和质心真实运动状态数据输入到世界坐标系内来计算偏差值。

8.根据权利要求1所述的足式机器人重心控制方法，其特征在于，规划机器人运动轨迹时，需要生成双足运动轨迹和双臂运动轨迹，通过控制双足行走和双臂摆动来使机器人保持理论重心平衡。

9.一种足式机器人重心调整机构，其特征在于，包括：

电池模组，安装于身体躯干部分；

X轴移动机构，包括第一电机、第一线轨、第一滑块和第一基座，所述电池模组底部固定于所述第一滑块上，所述第一电机安装于所述第一基座一侧，所述第一电机的输出端连接有沿所述第一线轨长度方向的第一丝杆，所述第一滑块具有与所述第一丝杆配合的第一螺母，所述第一电机输出扭矩，带动所述电池模组沿第一线轨长度方向运动；

Y轴移动机构，包括第二电机、第二线轨、第二滑块和第二基座，所述第二线轨长度方向和所述第一线轨长度方向相互垂直，所述第二滑块固定于所述第一基座下方，所述第二电机安装于所述第二基座一侧，所述第二电机的输出端连接有沿所述第二线轨长度方向的第二丝杆，所述第二滑块具有与所述第二丝杆配合的第二螺母，所述第二电机输出扭矩，带动电池模组沿第二线轨长度方向运动。

10.一种足式机器人，其特征在于，采用如权利要求1-8任一项所述的重心控制方法。

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