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      一種消除雙足仿人機(jī)器人上身姿態(tài)晃動的控制方法

      文檔序號:6264918閱讀:491來源:國知局
      專利名稱:一種消除雙足仿人機(jī)器人上身姿態(tài)晃動的控制方法
      技術(shù)領(lǐng)域
      本發(fā)明涉及雙足機(jī)器人行走或者作業(yè)的控制方法,特別是雙足機(jī)器人行走或者作 業(yè)時消除上身晃動的控制方法。
      背景技術(shù)
      仿人機(jī)器人(以下簡稱機(jī)器人)跟人一樣,是靠兩條腿的行走實現(xiàn)移動的。它的 雙腿結(jié)構(gòu)跟人類似,較傳統(tǒng)的輪式和履帶式機(jī)器人有更好的機(jī)動性,尤其是在凹凸不平的 地面、樓梯以及與地面僅有離散不連續(xù)的接觸點(diǎn)的場合更體現(xiàn)出優(yōu)越性。但是雙足機(jī)器人 有本質(zhì)不穩(wěn)定的特點(diǎn),容易摔倒。為了使機(jī)器人行走,需要給定機(jī)器人的行走軌跡,即動態(tài)步態(tài),包括關(guān)節(jié)機(jī)器人各 個關(guān)節(jié)的角度。機(jī)器人的動態(tài)步態(tài)是一種固有的、周期的運(yùn)動,是依據(jù)雙足機(jī)器人整體動 力學(xué)產(chǎn)生的。由于約束條件的耦合性和動力學(xué)方程的復(fù)雜性,動態(tài)步態(tài)計算需要一個優(yōu)化 過程。因此,動態(tài)步態(tài)一般通過離線計算方法來實現(xiàn)。也就是說,動態(tài)步態(tài)一般是在假設(shè)雙 足機(jī)器人模型和周圍環(huán)境已知的情況下生成的。實際上,雙足機(jī)器人行走現(xiàn)實環(huán)境不可能 與設(shè)定的環(huán)境和條件完全相同,由于機(jī)器人周圍環(huán)境的變化或產(chǎn)生了未知狀況,如果機(jī)器 人機(jī)械地按照預(yù)先規(guī)劃好的動態(tài)步態(tài)完全執(zhí)行,不對所規(guī)劃的動態(tài)步態(tài)進(jìn)行實時修正和控 制,很可能會產(chǎn)生不穩(wěn)定甚至摔倒等異?,F(xiàn)象。因此,必須根據(jù)當(dāng)前的環(huán)境信息和機(jī)器人當(dāng) 前的自身狀態(tài),對規(guī)劃的動態(tài)步態(tài)進(jìn)行修正,進(jìn)行實時步態(tài)控制,克服環(huán)境的改變與不確定 性,使機(jī)器人能在實際環(huán)境中穩(wěn)定行走。仿人機(jī)器人的步行周期分為單腳支撐期和雙腳支撐期,單腳支撐期主要進(jìn)行擺腿 運(yùn)動,雙腳支撐期主要進(jìn)行移腰運(yùn)動,因此機(jī)器人上身的運(yùn)動不論在其前后方向還是左右 方向,其速度都不是恒定的。再加上由于機(jī)器人向前移動時腿的擺動,腳著地時對機(jī)器人的 沖擊,造成了機(jī)器人上身的劇烈晃動,影響到整個機(jī)器人的穩(wěn)定性;同時,機(jī)器人的上肢在 作業(yè)時,由于負(fù)載或者手臂的作業(yè)姿態(tài)等的變化、擾動,都會造成上身的晃動,在很大程度 上影響了機(jī)器人手臂作業(yè)的穩(wěn)定性。申請?zhí)枮?00810171980. 6的中國專利中公開了一種調(diào)節(jié)仿人機(jī)器人上身姿態(tài)的 方法,該方法根據(jù)姿態(tài)傳感器測出的姿態(tài)傾角,調(diào)節(jié)仿人機(jī)器人的髖關(guān)節(jié),保持上身姿態(tài)到 規(guī)劃值。該方法調(diào)節(jié)髖關(guān)節(jié),對機(jī)器人擺動腿的著地時間影響很大,并且該方法建立的模型 不適用于具有腰部的仿人機(jī)器人上身姿態(tài)的控制。該方法的計算公式采用積分算法,當(dāng)機(jī) 器人實際的姿態(tài)偏離規(guī)劃的姿態(tài)時,就調(diào)節(jié)髖關(guān)節(jié),直到二者相等,該方法無法消除上身的 晃動。^ifei:"Realization of Stretch-legged Walking of the Humanoid Robot,,巾, 仿人機(jī)器人的膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動事先給定,仿人機(jī)器人腰關(guān)節(jié)的作用是給機(jī)器人下肢增加自由 度,以滿足下肢逆運(yùn)動學(xué)的求解。該方法的腰關(guān)節(jié)的兩個自由度的目的是補(bǔ)充減少的膝關(guān)節(jié)的自由度,通過逆運(yùn)動 學(xué)求解出腰關(guān)節(jié)的角度,實現(xiàn)機(jī)器人的直膝行走,在論文中沒有提及用腰關(guān)節(jié)給上身消除
      權(quán)利要求
      一種消除雙足仿人機(jī)器人上身姿態(tài)晃動的控制方法,所述機(jī)器人具有腰部、姿態(tài)傳感器,以及計算機(jī)伺服控制系統(tǒng),其特征在于,所述方法包括如下步驟生成所述機(jī)器人的規(guī)劃步態(tài);通過所述姿態(tài)傳感器測量所述機(jī)器人上身的傾角及角速度;根據(jù)所述傾角及角速度計算所述腰部的關(guān)節(jié)的修正量;根據(jù)所述修正量調(diào)節(jié)所述關(guān)節(jié),以消除機(jī)器人上身姿態(tài)晃動。
      2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于,所述腰部的關(guān)節(jié)具有俯仰和滾轉(zhuǎn)兩個自由度。
      3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法,其特征在于,所述修正量采用如下方法計算 Δ θ w ⑴=Kp* ( θ b。dy—ref- θ body) +Kv/ (s+a) * ω其中Δ θ w是機(jī)器人腰關(guān)節(jié)的修正量,Kp是比例反饋系數(shù),Kv是速度反饋系數(shù),eb。dy 是機(jī)器人上身的規(guī)劃姿態(tài),θ b。dy是機(jī)器人上身的實際姿態(tài),ω是機(jī)器人上身的實際角速 度,s是拉普拉斯變換的變量,a是低通濾波系數(shù)。 經(jīng)過離散化得到實時修正量Δ θψ(ηΤ)計算如下
      4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法,其特征在于,所述動態(tài)步態(tài)通過離線計算方法實現(xiàn)。
      5.根據(jù)權(quán)利要求1-4之一所述的方法,其特征在于,所述姿態(tài)傳感器是陀螺儀和加速 度計。
      6.一種雙足仿人機(jī)器人,包括腰部,其具有關(guān)節(jié);姿態(tài)傳感器,其用于測量所述機(jī)器人的上身的傾角及角速度;計算機(jī)伺服控制系統(tǒng),其用于控制機(jī)器人的關(guān)節(jié)跟隨給定目標(biāo)值運(yùn)動;步態(tài)生成部,其用于生成所述機(jī)器人的規(guī)劃步態(tài);修正量計算部,其根據(jù)所述傾角及角速度計算所述腰部的關(guān)節(jié)的修正量;關(guān)節(jié)調(diào)節(jié)部,其根據(jù)所述修正量調(diào)節(jié)所述關(guān)節(jié),以消除機(jī)器人上身姿態(tài)晃動。
      7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的機(jī)器人,其特征在于,所述腰部的關(guān)節(jié)具有俯仰和滾轉(zhuǎn)兩個 自由度。
      8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的機(jī)器人,其特征在于所述修正量采用如下方法計算 Δ θ w ⑴=Kp* ( θ b。dy—ref- θ body) +Kv/ (s+a) * ω其中Δ θ w是機(jī)器人腰關(guān)節(jié)的修正量,Kp是比例反饋系數(shù),Kv是速度反饋系數(shù),eb。dy 是機(jī)器人上身的規(guī)劃姿態(tài),θ b。dy是機(jī)器人上身的實際姿態(tài),ω是機(jī)器人上身的實際角速 度,s是拉普拉斯變換的變量,a是低通濾波系數(shù); 經(jīng)過離散化得到實時修正量Δ θψ(ηΤ)計算如下
      9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的機(jī)器人,其特征在于,所述步態(tài)生成部通過離線計算方法生 成所述步態(tài)。
      10.根據(jù)權(quán)利要求6-9之一所述的機(jī)器人,其特征在于,所述姿態(tài)傳感器是陀螺儀和加 速度計。
      全文摘要
      本發(fā)明提供了一種消除雙足仿人機(jī)器人上身姿態(tài)晃動的控制方法,所述機(jī)器人具有腰部及姿態(tài)傳感器,所述方法包括如下步驟生成所述機(jī)器人的規(guī)劃步態(tài);通過所述姿態(tài)傳感器測量所述機(jī)器人上身的傾角及角速度;根據(jù)所述傾角及角速度計算所述腰部的關(guān)節(jié)的修正量;根據(jù)所述修正量調(diào)節(jié)所述關(guān)節(jié),以消除機(jī)器人上身姿態(tài)晃動。該方法只是調(diào)節(jié)腰關(guān)節(jié),不影響機(jī)器人的著地時間,在機(jī)器人整個行走工程或者作業(yè)過程中均起作用。
      文檔編號G05D1/08GK101943912SQ20101026991
      公開日2011年1月12日 申請日期2010年9月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月2日
      發(fā)明者余張國, 張偉民, 李敬, 許威, 陳學(xué)超, 馬淦, 黃強(qiáng) 申請人:北京理工大學(xué)
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