專(zhuān)利名稱(chēng)：基于雙平衡控制機(jī)制的仿人足球機(jī)器人全向踢球方法
基于雙平衡控制機(jī)制的仿人足球機(jī)器人全向踢球方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于仿人機(jī)器人踢球技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于雙平衡機(jī)制的仿人足球機(jī)器人全向踢球方法。
背景技術(shù)：
仿人足球機(jī)器人是仿人機(jī)器人技術(shù)研究的分支，與一般的仿人機(jī)器人相比，仿人足球機(jī)器人具有體積小、質(zhì)量輕、運(yùn)動(dòng)靈活等特點(diǎn)。另外由于仿人足球機(jī)器人的競(jìng)技娛樂(lè)性，使得其更容易走進(jìn)人類(lèi)的生活。因此仿人足球機(jī)器人已經(jīng)成為煩人機(jī)器人技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一。
1996年，RoboCup國(guó)際聯(lián)合會(huì)成立，并在日本舉行了表演賽。2002年的RoboCup比賽中啟動(dòng)了類(lèi)人組的比賽，比賽要求仿人足球機(jī)器人反應(yīng)迅速，能進(jìn)行較為激烈的對(duì)抗，因此參賽隊(duì)伍要綜合考慮其仿人機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力、平衡等多方面的技術(shù)。
在仿人機(jī)器人踢球方面，也有其它一些方法，如Rui Ferreira的仿人機(jī)器人全向踢球的方法，采用貝塞爾曲線規(guī)劃足部運(yùn)動(dòng)軌跡，并結(jié)合基于質(zhì)心的穩(wěn)定性控制模塊，該方法當(dāng)修改支撐腿的關(guān)節(jié)位置以更好的維穩(wěn)時(shí)，會(huì)同時(shí)改變游腳的位置即踢球的腳的運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)出現(xiàn)偏差；Patrick MacAlpine的踢球引擎執(zhí)行機(jī)制,建立踢球技能文件以動(dòng)態(tài)規(guī)劃不同踢球方式下的足部運(yùn)動(dòng)軌跡，根據(jù)足球的位置確定固定的踢球方向。該方法使用CMA-ES優(yōu)化足部運(yùn)動(dòng)的軌跡點(diǎn)，以控制踢球的距離和速度等重要的參數(shù)。
由于上述方法都是研究基于特定模塊的踢球運(yùn)動(dòng)，而在動(dòng)態(tài)對(duì)抗和時(shí)間因素等方面有一定地缺陷，即無(wú)法快速、準(zhǔn)確而又穩(wěn)定的完成踢球動(dòng)作。上述問(wèn)題是在仿人足球機(jī)器人的踢球過(guò)程中應(yīng)當(dāng)予以考慮并解決的問(wèn)題。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于雙平衡機(jī)制的仿人足球機(jī)器人全向踢球方法解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的基于特定模塊踢球運(yùn)動(dòng)，而在動(dòng)態(tài)對(duì)抗和有限的時(shí)間內(nèi)應(yīng)用效率并不高，即抗外界干擾性不高，無(wú)法快速、準(zhǔn)確而又穩(wěn)定的完成踢球動(dòng)作的問(wèn)題。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是: 一種基于雙平衡控制機(jī)制的仿人足球機(jī)器人全向踢球方法，包括踢球點(diǎn)選擇機(jī)制、足部空間軌跡規(guī)劃、關(guān)節(jié)角度計(jì)算和雙平衡控制機(jī)制， 步驟一，踢球點(diǎn)選擇機(jī)制: 以球?yàn)閳A心、目標(biāo)偏移TOffsetP為半徑確定圓，該圓周上面的點(diǎn)均為可行的踢球點(diǎn)K1、K2……Κη，對(duì)其中若干個(gè)踢球點(diǎn)的踢球代價(jià)值KickCost進(jìn)行分析；選取踢球代價(jià)值KickCost為最小值時(shí)的踢球點(diǎn)得到最小代價(jià)踢球點(diǎn)，并控制機(jī)器人A行走至該最小代價(jià)踢球點(diǎn)； 步驟二，足部空間軌跡規(guī)劃:由機(jī)器人A身體重心的轉(zhuǎn)移，同時(shí)利用三次樣條插值法進(jìn)行足部三維空間軌跡的規(guī)劃，以獲得機(jī)器人A每個(gè)時(shí)刻足部運(yùn)動(dòng)的參考位姿； 步驟三，關(guān)節(jié)角度計(jì)算:由步驟二得出機(jī)器人A每個(gè)時(shí)刻足部運(yùn)動(dòng)的參考位姿利用逆運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí)計(jì)算出機(jī)器人A的膝蓋處的關(guān)節(jié)角、踝關(guān)節(jié)的滾動(dòng)角和俯仰角，以及股關(guān)節(jié)的偏擺角、滾動(dòng)角和俯仰角；
步驟四，雙平衡控制機(jī)制:包括機(jī)器人A身體的傾斜角度的控制和機(jī)器人A髖關(guān)節(jié)的滾動(dòng)和俯仰角速度變化的控制，采用基于質(zhì)心平衡的方法，維持機(jī)器人A身體在的X-Y平面上的穩(wěn)定同時(shí)控制機(jī)器人A身體的傾斜角度；采用陀螺儀反饋平衡機(jī)制對(duì)機(jī)器人A髖關(guān)節(jié)的滾動(dòng)和俯仰角速度變化的控制。
進(jìn)一步改進(jìn)在于:所述步驟一的踢球點(diǎn)選擇機(jī)制中最小代價(jià)踢球點(diǎn)的選取包括步驟Ia和步驟Ib:
步驟la，踢球點(diǎn)選擇機(jī)制:以球?yàn)閳A心、目標(biāo)偏移TOffsetP為半徑確定圓，該圓周上面的點(diǎn)均為可行的踢球點(diǎn)Kl、K2……Kn，對(duì)其中若干個(gè)踢球點(diǎn)的踢球代價(jià)值KickCost進(jìn)行分析；機(jī)器人A的當(dāng)前位置AgentP為機(jī)器人A相對(duì)于球而言的二維坐標(biāo)值，目標(biāo)偏移位置TOffsetP為機(jī)器人A的踢球點(diǎn)Kl相對(duì)于球而言的偏移量，當(dāng)前位置AgentP與目標(biāo)偏移位置TOffsetP之差的絕對(duì)值除以標(biāo)準(zhǔn)值m得到距離代價(jià)值DistCost:
DistCost = [AgenlP—TOffsetP|/m(I)
步驟Ib,計(jì)算機(jī)器人A的轉(zhuǎn)身代價(jià)值TurnCost,機(jī)器人A的當(dāng)前朝向與球形成的夾角￡￡踢球點(diǎn)Kl的朝向與球形成的夾角於，夾角a與夾角聲之差的絕對(duì)值除以360即是轉(zhuǎn)身代價(jià)值TurnCost:
TnmCost =丨 AgentOientrfi an — T afgetOientdia(i| /360 = jff —爲(wèi)',360(2)
步驟Ic,距離代價(jià)值DistCost和轉(zhuǎn)身代價(jià)值TurnCost之和為機(jī)器人A在踢球點(diǎn)的踢球代價(jià)值KickCost:
EdtCtist — DistGbst + TumCiist(3 )
選取式(3)中踢球代價(jià)值KickCost為最小值時(shí)的踢球點(diǎn)得到最小代價(jià)踢球點(diǎn)。
進(jìn)一步改進(jìn)在于:所述步驟二的足部空間軌跡規(guī)劃包括步驟2a和步驟2b:
步驟2a，根據(jù)機(jī)器人A游腳的運(yùn)動(dòng)情況能夠?qū)C(jī)器人A的一個(gè)完整地踢球動(dòng)作劃分為后抬腿、擺動(dòng)和復(fù)位三個(gè)階段，即得到抬腿、擺動(dòng)和復(fù)位三條運(yùn)動(dòng)曲線；
步驟2b，由步驟2a中的抬腿、擺動(dòng)和復(fù)位三條運(yùn)動(dòng)曲線分別利用三次樣條插值法保證插值得出低階分段且光滑的曲線函數(shù)，得出機(jī)器人A的踝關(guān)節(jié)每個(gè)時(shí)刻的參考位姿，以實(shí)現(xiàn)對(duì)足部踢球運(yùn)動(dòng)的控制。所述步驟2b中機(jī)器人A的踝關(guān)節(jié)每個(gè)時(shí)刻的參考位姿的算法為:
的n個(gè)時(shí)刻有n個(gè)插值點(diǎn)=Pj , I=IJ1-1i，三次樣條插值函數(shù)在每個(gè)區(qū)間是一個(gè)三次多項(xiàng)式，而且三次樣條插值函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)sr(t)和二階導(dǎo)數(shù)在區(qū)間(Iv t )是連續(xù)的;
權(quán)利要求
1.一種基于雙平衡控制機(jī)制的仿人足球機(jī)器人全向踢球方法，其特征在于:包括踢球點(diǎn)選擇機(jī)制、足部空間軌跡規(guī)劃、關(guān)節(jié)角度計(jì)算和雙平衡控制機(jī)制， 步驟一，踢球點(diǎn)選擇機(jī)制:以球?yàn)閳A心、目標(biāo)偏移TOffsetP為半徑確定圓，該圓周上面的點(diǎn)均為可行的踢球點(diǎn)K1、K2……Kn，對(duì)其中若干個(gè)踢球點(diǎn)的踢球代價(jià)值KickCost進(jìn)行分析；選取踢球代價(jià)值KickCost為最小值時(shí)的踢球點(diǎn)得到最小代價(jià)踢球點(diǎn)，并控制機(jī)器人A行走至該最小代價(jià)踢球點(diǎn)； 步驟二，足部空間軌跡規(guī)劃:由機(jī)器人A身體重心的轉(zhuǎn)移，同時(shí)利用三次樣條插值法進(jìn)行足部三維空間軌跡的規(guī)劃，以獲得機(jī)器人A每個(gè)時(shí)刻足部運(yùn)動(dòng)的參考位姿； 步驟三，關(guān)節(jié)角度計(jì)算:由步驟二得出機(jī)器人A每個(gè)時(shí)刻足部運(yùn)動(dòng)的參考位姿利用逆運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí)計(jì)算出機(jī)器人A的膝蓋處的關(guān)節(jié)角、踝關(guān)節(jié)的滾動(dòng)角和俯仰角，以及股關(guān)節(jié)的偏擺角、滾動(dòng)角和俯仰角； 步驟四，雙平衡控制機(jī)制:包括機(jī)器人A身體的傾斜角度的控制和機(jī)器人A髖關(guān)節(jié)的滾動(dòng)和俯仰角速度變化的控制，采用基于質(zhì)心平衡的方法，維持機(jī)器人A身體在的X-Y平面上的穩(wěn)定同時(shí)控制機(jī)器人A身體的傾斜角度；采用陀螺儀反饋平衡機(jī)制對(duì)機(jī)器人A髖關(guān)節(jié)的滾動(dòng)和俯仰角速度變化的控制。
2.如權(quán)利要求1所述的基于雙平衡機(jī)制的仿人足球機(jī)器人全向踢球方法，其特征在于，所述步驟一的踢球點(diǎn)選擇機(jī)制中最小代價(jià)踢球點(diǎn)的選取包括以下步驟: 步驟la，踢球點(diǎn)選擇機(jī)制:以球?yàn)閳A心、目標(biāo)偏移TOffsetP為半徑確定圓，該圓周上面的點(diǎn)均為可行的踢球點(diǎn)Kl、K2……Kn，對(duì)其中若干個(gè)踢球點(diǎn)的踢球代價(jià)值KickCost進(jìn)行分析；機(jī)器人A的當(dāng)前位置AgentP為機(jī)器人A相對(duì)于球而言的二維坐標(biāo)值，目標(biāo)偏移位置TOffsetP為機(jī)器人A的踢球點(diǎn)Kl相對(duì)于球而言的偏移量，當(dāng)前位置AgentP與目標(biāo)偏移位置TOffsetP之差的絕對(duì)值除以標(biāo)準(zhǔn)值m得到距離代價(jià)值DistCost: DistCbst = |Ag ntP-TQHsetP|/m(I) 步驟lb,計(jì)算機(jī)器人A的轉(zhuǎn)身代價(jià)值TurnCost,機(jī)器人A的當(dāng)前朝向與球形成有夾角a，踢球點(diǎn)Kl的朝向與球形成的夾角於，夾角a與夾角於之差的絕對(duì)值除以3__即是轉(zhuǎn)身代價(jià)值TurnCost:TnmCost; — [AgentOrienlatiaft—T acgdtOtiaitaliaal /360 = \a—0\ /360(2) 步驟Ic,距離代價(jià)值DistCost和轉(zhuǎn)身代價(jià)值TurnCost之和為機(jī)器人A在踢球點(diǎn)的踢球代價(jià)值KickCost: KiddCost: =+ TmtOxst;(3 ) 選取式(3)中踢球代價(jià)值KickCost為最小值時(shí)的踢球點(diǎn)得到最小代價(jià)踢球點(diǎn)。
3.如權(quán)利要求1所述的基于雙平衡機(jī)制的仿人足球機(jī)器人全向踢球方法，其特征在于，所述步驟二的足部空間軌跡規(guī)劃包括以下步驟: 步驟2a，根據(jù)機(jī)器人A游腳的運(yùn)動(dòng)情況能夠?qū)C(jī)器人A的一個(gè)完整地踢球動(dòng)作劃分為后抬腿、擺動(dòng)和復(fù)位三個(gè)階段，即得到抬腿、擺動(dòng)和復(fù)位三條運(yùn)動(dòng)曲線； 步驟2b，由步驟2a中的抬腿、擺動(dòng)和復(fù)位三條運(yùn)動(dòng)曲線分別利用三次樣條插值法保證插值得出低階分段且光滑的曲線函數(shù)， 得出機(jī)器人A的踝關(guān)節(jié)每個(gè)時(shí)刻的參考位姿，以實(shí)現(xiàn)對(duì)足部踢球運(yùn)動(dòng)的控制。
4.如權(quán)利要求3所述的基于雙平衡機(jī)制的仿人足球機(jī)器人全向踢球方法，其特征在于，所述步驟2b中機(jī)器人A的踝關(guān)節(jié)每個(gè)時(shí)刻的參考位姿的算法為: 在I1Ct2O--Ktn的η個(gè)時(shí)刻有η個(gè)插值點(diǎn)
5.如權(quán)利要求1所述的基于雙平衡機(jī)制的仿人足球機(jī)器人全向踢球方法，其特征在于，所述步驟四的雙平衡控制機(jī)制包括以下步驟: 步驟4a，機(jī)器人A身體的傾斜角度的控制:利用機(jī)器人A質(zhì)心COM的投影必須在支撐多邊形內(nèi)部準(zhǔn)則來(lái)維持自身穩(wěn)定性；如果機(jī)器人A質(zhì)心COM的投影不在支撐多邊形內(nèi)，將打開(kāi)與支撐腿同側(cè)的手臂直到機(jī)器人A質(zhì)心COM的投影在支撐多邊形內(nèi)為止；利用PID控制機(jī)器人A身體在X、Y平面上的平衡性，對(duì)于機(jī)器人A整個(gè)身體在三維空間中穩(wěn)定性，采用畢達(dá)哥拉斯定理控制踝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度； 步驟4b，機(jī)器人A髖關(guān)節(jié)的滾動(dòng)和俯仰角速度變化的控制:利用陀螺儀反饋控制，使用指數(shù)平滑迭代法彌補(bǔ)陀螺儀傳感器信息的延遲，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人A髖關(guān)節(jié)的滾動(dòng)和俯仰角速度變化的精確控制。
6.如權(quán)利要求5所述的基于雙平衡機(jī)制的仿人足球機(jī)器人全向踢球方法，其特征在于，所述步驟4a的機(jī)器人A身體的傾斜角度的控制的具體算法為:控制器輸入的誤差值是測(cè)量的質(zhì)心位置值COMra與理想的質(zhì)心位置值COMfc之間的差值，即Sir = CDMra-CXM1ta ,其中理想的質(zhì)心位置值COM_是通過(guò)未來(lái)n個(gè)時(shí)刻支撐腳的位置值的調(diào)和平均數(shù)計(jì)算得出的，測(cè)量的質(zhì)心位置值COMm為:
7.如權(quán)利要求5所述的基于雙平衡機(jī)制的仿人足球機(jī)器人全向踢球方法，其特征在于，所述步驟4b的機(jī)器人A髖關(guān)節(jié)的滾動(dòng)和俯仰角速度變化的控制的具體算法為: 利用髖關(guān)節(jié)的滾動(dòng)角每_*和俯仰角得出角度變化的目標(biāo)速度，即目標(biāo)角速度Desli ,Des5l的計(jì)算如下所示:
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于雙平衡控制機(jī)制的仿人足球機(jī)器人全向踢球方法，根據(jù)距離代價(jià)值和角度代價(jià)值確定具有最小代價(jià)的踢球點(diǎn)，并控制機(jī)器人行走至該踢球點(diǎn)；機(jī)器人身體重心的轉(zhuǎn)移，同時(shí)利用三次樣條插值法進(jìn)行足部空間軌跡的規(guī)劃，即可獲得機(jī)器人每個(gè)時(shí)刻足部運(yùn)動(dòng)的參考位姿；由上述得出的參考位姿利用逆運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí)計(jì)算出機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的角度；采用基于質(zhì)心和陀螺儀反饋的雙平衡機(jī)制維持機(jī)器人在踢球過(guò)程中穩(wěn)定性。本發(fā)明一種基于雙平衡控制機(jī)制的仿人足球機(jī)器人全向踢球方法，在仿人機(jī)器人踢球過(guò)程中，利用質(zhì)心和陀螺儀反饋雙平衡機(jī)制實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的全向踢球。相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的機(jī)器人踢球方法具有穩(wěn)定性好、執(zhí)行效率高的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G05B13/04GK103217903SQ20131011687
公開(kāi)日2013年7月24日 申請(qǐng)日期2013年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月7日
發(fā)明者梁志偉, 劉娟, 郝越, 朱松豪 申請(qǐng)人:南京郵電大學(xué)