一種仿人機器人不平整地面行走的穩(wěn)定控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種仿人機器人不平整地面行走的穩(wěn)定控制方法，屬于機器人【技術(shù)領(lǐng)域】。所述方法包括4個步驟：基于最大穩(wěn)定區(qū)域的著地腳面姿態(tài)控制；二階彈簧阻尼的阻抗控制；正運動學計算和腳面慣性傳感器測量相結(jié)合的腳面狀態(tài)估計；基于支撐腳壓力中心的質(zhì)心加速度控制。該方法利用著地柔順控制，能夠有效地減少不平整地面對著地腳面的沖擊，并使著地腳具有相對較大的支撐區(qū)域；傾斜腳面的平衡穩(wěn)定控制，使機器人實現(xiàn)各種支撐腳面姿態(tài)的穩(wěn)定行走。因此，仿人機器人能夠?qū)崿F(xiàn)不平整地面的穩(wěn)定行走，有效提高仿人機器人在應(yīng)用過程中的安全性。
【專利說明】一種仿人機器人不平整地面行走的穩(wěn)定控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明公開了一種仿人機器人不平整地面行走的穩(wěn)定控制方法，屬于機器人技術(shù) 領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】：
[0002] 仿人機器人是指具有人類外形特征，并具有與其外形特征相應(yīng)的類人功能的人形 機器人，是集機械、電子、材料、計算機、傳感技術(shù)、控制技術(shù)、人工智能、人體工學、仿生學等 多門學科于一體的綜合性平臺，是一個高新技術(shù)密集的機電一體化產(chǎn)品。仿人機器人研究 的目的是研究一種能與人和諧共處的類人形機器人，它能在人類現(xiàn)實環(huán)境中工作，使用人 們所用的工具，同時能夠作為人類的伙伴與人類進行情感交流。
[0003] 為了實現(xiàn)仿人機器人走出實驗室，參與人類的日常生活，甚至代替人類完成某些 工作這一目標，必須提高仿人機器人的環(huán)境適應(yīng)能力，而環(huán)境適應(yīng)能力的一個重要前提是 仿人機器人具有在各種場合快速、穩(wěn)定行走的能力。仿人機器人在結(jié)構(gòu)化的平整地面上行 走是仿人機器人早期研究的重點，因為結(jié)構(gòu)化的平整地面能夠有效地簡化仿人機器人的步 態(tài)規(guī)劃和平衡穩(wěn)定控制。然而隨著研究的深入和相關(guān)科學技術(shù)的發(fā)展，科研人員清楚地認 識到仿人機器人的應(yīng)用必須應(yīng)對環(huán)境中的各種地面（如，崎嶇路面，臺階，斜面等），這也是 仿人機器人優(yōu)于其他類型機器人的一個重要特征。本發(fā)明就是以實現(xiàn)仿人機器人不平整地 面的穩(wěn)定行走這一目標提出的。
[0004] 中國專利CN201110449923. 1，公開了一種具有多自由度的仿人機器人腳板機構(gòu)， 嘗試通過機構(gòu)設(shè)計的方式使仿人機器人適應(yīng)任意不平整地面。但是，該發(fā)明沒有解釋腳面 狀態(tài)的改變對仿人機器人的平衡穩(wěn)定控制的影響。
[0005] 中國專利CN200810171985. 9,提出了一種仿人機器人穩(wěn)定行走的腳著地時間的控 制方法及系統(tǒng)，通過對腳著地時間的控制，一定程度上能夠解決地面的凸起和凹陷，但是沒 有考慮腳面旋轉(zhuǎn)傾斜適應(yīng)不平整地面的著地過程。
[0006] 現(xiàn)有論文"Biped Landing Pattern Modification Method with Nonlinear Compliance Control",闡述了采用非線性柔順控制雙足的著地步態(tài)，使機器人實現(xiàn)不平整 地面的行走。但是該方法具有局限性，不能適應(yīng)各種不平整地面，比如腳底中部踩到凸起這 種情況，即著地柔順控制和腳底支撐區(qū)域的綜合考慮。
[0007] 日本專利文獻JP2012-196743A公開了一種腿式機器人的控制方法，其根據(jù)傳感 器檢測腳底與地面的接觸狀況決定行走的步態(tài)，進而驅(qū)動關(guān)節(jié)進行運動，但是該方法對腳 底與地面的接觸狀況包括接觸點、ZMP，不能完全滿足穩(wěn)定控制需求，不是最大穩(wěn)定裕度的 平衡控制。
[0008] 雖然現(xiàn)有不少的文獻和專利嘗試解決仿人機器人在不平整地面行走的問題，但是 多數(shù)研究具有局限性，只能適應(yīng)腳面邊緣范圍的不平整，而對于腳面中部先著地的研究較 少，因此，本發(fā)明提出了一種適應(yīng)各種接觸情況的著地控制和穩(wěn)定控制，以實現(xiàn)仿人機器人 在不平整地面的穩(wěn)定行走。


【發(fā)明內(nèi)容】
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[0009] 為了實現(xiàn)仿人機器人在不平整地面上的行走，提高仿人機器人的環(huán)境適應(yīng)性。本 發(fā)明公開了一種仿人機器人不平整地面行走的穩(wěn)定控制，著地的柔順控制能有效減少著地 過程的沖擊力，傾斜支撐腳面的壓力中心控制能夠提高行走的穩(wěn)定性。
[0010] 本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)。
[0011] 一種仿人機器人不平整地面行走的穩(wěn)定控制方法，所述方法包括以下步驟：
[0012] 步驟1，檢測仿人機器人擺動腿是否著地及其壓力中心C0P的信息；
[0013] 步驟2,根據(jù)擺動腿檢測的C0P信息決定腳面旋轉(zhuǎn)方向，設(shè)置阻抗控制參數(shù)，從而 得到較大的穩(wěn)定區(qū)域；
[0014] 步驟3,控制腳底板與地面的阻抗，實現(xiàn)擺動腳的軟著地，減少地面沖擊力；
[0015] 步驟4,擺動腿軟著地踩踏實后，通過正運動學的狀態(tài)估計和腳面陀螺儀的測量， 得到腳面的相關(guān)位置和姿態(tài)信息；
[0016] 步驟5,基于傾斜支撐腳面壓力中心處于有效腳面積內(nèi)的穩(wěn)定控制，保證仿人機器 人在不平整地面行走的平衡穩(wěn)定性。
[0017] 優(yōu)選地，所述步驟1包括使用腳踝六維力傳感器檢測所述擺動腿的腳面是否與地 面接觸，以及通過C0P的計算得到最初接觸位置（x s，ys)，所述六維力傳感器的安裝位置中 心為腳底C0P測量坐標系原點；然后依據(jù)（x s，ys)決定著地腳面的旋轉(zhuǎn)方向以及腳面與地面 之間的二階阻抗接觸模型的剛度系數(shù)K p和阻尼系數(shù)Kd。
[0018] 優(yōu)選地，所述步驟2中的決定腳面旋轉(zhuǎn)方向進一步包括：
[0019] 當-

【權(quán)利要求】
1. 一種仿人機器人不平整地面行走的穩(wěn)定控制方法，所述方法包括以下步驟： 步驟1，檢測仿人機器人擺動腿是否著地及其壓力中心COP的信息； 步驟2,根據(jù)擺動腿檢測的COP信息決定腳面旋轉(zhuǎn)方向，設(shè)置阻抗控制參數(shù)，從而得到 較大的穩(wěn)定區(qū)域； 步驟3,控制腳底板與地面的阻抗，實現(xiàn)擺動腳的軟著地，減少地面沖擊力； 步驟4,擺動腿軟著地踩踏實后，通過正運動學的狀態(tài)估計和腳面陀螺儀的測量，得到 腳面的相關(guān)位置和姿態(tài)信息； 步驟5,基于傾斜支撐腳面壓力中心處于有效腳面積內(nèi)的穩(wěn)定控制，保證仿人機器人在 不平整地面行走的平衡穩(wěn)定性。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的穩(wěn)定控制方法，其特征在于，所述步驟1包括使用腳踝六維力 傳感器檢測所述擺動腿的腳面是否與地面接觸，以及通過COP (壓力中心）的計算得到最初 接觸位置（xs，ys)，所述六維力傳感器的安裝位置中心為腳底COP測量坐標系原點；然后依 據(jù)（x s，ys)決定著地腳面的旋轉(zhuǎn)方向以及腳面與地面之間的二階阻抗接觸模型的剛度系數(shù) Kp和阻尼系數(shù)Kd。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的穩(wěn)定控制方法，其特征在于，所述步驟2中的決定腳面旋轉(zhuǎn)方 向進一步包括： 當_Lbac;k < ys < 〇,腳后跟先著地，腳面朝腳尖方向旋轉(zhuǎn)，采用被動柔順控制，而且ys越 大，阻抗控制的剛度系數(shù)Kp越大； 當Lmid < ys < LfMnt，腳尖先著地，腳面朝腳后跟方向旋轉(zhuǎn)，采用被動柔順控制，而且ys 越大，阻抗控制的剛度系數(shù)Kp越??； 當0 < ys < Lmid，腳底中部著地，腳面朝腳尖方向旋轉(zhuǎn)，采用主動柔順控制，而且ys越 大，阻抗控制的剛度系數(shù)Kp越??； 式中LfMnt為所述六維力傳感器的安裝位置中心到腳面前端的距離，Lbadt為所述六維力 傳感器的安裝位置中心到腳面后端的距離，Lmid為六維力傳感器的安裝位置中心到腳底板 形心位置的距離。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的穩(wěn)定控制方法，其特征在于，所述步驟3中的控制腳底板與地 面的阻抗進一步包括：構(gòu)建腳面與地面的二階彈簧阻尼模型，得到地面反力與腳面位置和 姿態(tài)關(guān)系表達式，+ + Pe = P_Pd，其中P表示末端實際位姿向量（6X1); Pd表示末端給定位姿向量，通過變換就可以得到末端速度的控制表達式： ^MjCF-K冰-ΚρΡι.)，增加到原有位置控制的反饋環(huán)路當中，實現(xiàn)阻抗控制器設(shè) 計，所述步驟2中的Κρ只是Κρ矩陣中的一個元素。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的穩(wěn)定控制方法，其特征在于，所述步驟4中進一步包括： 通過雙腳支撐期已知后腳的位置和姿態(tài)通過正運動學計算前腳的位置和姿態(tài)，同時需 要安裝在腳面上的慣性測量單元MU進行腳面傾角的校正；同時，六維力傳感器固定在仿 人機器人的腳踝位置處實現(xiàn)腳面壓力中心COP的測量，以保證仿人機器人的壓力中心處于 穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)，當腳面傾斜時，需要利用腳與地面的接觸狀態(tài)，得到與穩(wěn)定裕度相關(guān)的有效腳 面積，當仿人機器人平衡所需壓力中心處于有效腳面積內(nèi)，仿人機器人能夠保持穩(wěn)定，當所 需壓力中心跑到有效腳面積范圍外，腳面將會發(fā)生翻轉(zhuǎn)，導致不穩(wěn)定。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的穩(wěn)定控制方法，其特征在于，所述步驟5中進一步包括： 基于質(zhì)心加速度的仿人機器人平衡穩(wěn)定控制，得到支持腳面信息后，利用仿人機器人 的桌子-小車簡化模型的動力學約束方程，推導得出傾斜腳面壓力中心與質(zhì)心加速度的關(guān) 系式：
其中，yOT是指腳面上壓力中心的相對腳踝坐標系Σ A的位置，y表示質(zhì)心位置，^表示 質(zhì)心高度，P表示腳面傾角，表示質(zhì)心加速度，g表示重力加速度。
【文檔編號】G05D1/08GK104298243SQ201410409806
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年8月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月19日
【發(fā)明者】陳學超, 余張國, 張文, 黃強, 孟立波, 張思, 張偉民 申請人:北京理工大學