专利名称：一种具有环境适应性的足式机器人稳定性控制方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种具有环境适应性的足式机器人稳定性控制方法及系统。
背景技术：
地球陆地表面有超过50%以上是山丘或沼泽等复杂地形，相对于轮式机器人和履带机器人，足式机器人在这些复杂地形上具有更好的适应性和运动性能。人们希望足式机器人能够像自然界中各种足式动物一样可以在陆地复杂地形上稳定、快速的运动，从而辅助人类完成各种任务。因此，越来越多的研究人员将仿生学方法引入到机器人研究之中，通过研究、学习、模仿的仿生学方法来复制和再造生物的结构、功能及控制机制。自然界中的生物往往是一个复杂的高度非线性系统，而且多腿、多关节和肌肉冗余严重，因此对生物体不加简化的模仿和复现相当困难且不现实。为了解决这个问题，研究人员科学合理的将各种具有不同骨骼结构、腿数和姿态的动物用相对统一的模型表示，同时获取相应的等效参数，力求通过合理有效的简化模型来等效足式动物的运动。为考察系统整体的行为特性所建立的等效模型应该是最为简化的，一种有效的尝试是弹簧倒立摆模型(SLIP, Spring Loaded Inverted Pendulum),即将生物体简化为单质量一弹簧系统，用不同质量、刚度、阻尼以及相关形态参数来表征具体的生物体运动。SLIP模型是20世纪80年代以来发展起来的研究足式机器人的有效模型，研究人员通过对哺乳动物的腿部和肌肉的细致研究表明弹性机制确实存在于动物的运动中，而且对动物的性能有很大的影响。该模型可以有效的解释腿部对地面冲击的缓冲机制，通过调整系统着地角度、腿部等效刚度等参数可以达到控制系统水平运动速度和弹跳高度的目的。且通过相关学者提出的等效虚拟腿的概念，足式机器人(如双足机器人、四足机器人、六足机器人等)均可等效为最简化的单质量——弹簧系统即单SLIP等效模型进行研究和分析。现有的足式机器人大都停留在实验室样机阶段，少有能够真正实现复杂环境下的运动控制，其难点就在于足式机器人复杂环境下的动态稳定控制方法尚不成熟。足式机器人是一种多自由度、强非线性、多冗余的系统，其完整动力学特性分析十分复杂，直接对其进行复杂环境下的动态稳定性控制往往不能满足控制实时性的要求。因此越来越多的研究人员开始从SLIP等效模型入手，研究和分析SLIP等效模型在复杂环境下的动态稳定性控制方法，从而以该等效模型为基础，再次延伸和扩展至整个足式机器人，由简入繁，最终达到对整个足式机器人系统稳定控制的目的。现有技术一公开了一种针对无阻尼SLIP模型的周期稳定运动控制方法，其通过推导无阻尼SLIP模型在飞行相和着地相的动力学方程，近似得到整个着地过程中SLIP模型着地角度和离地角度与时间的关系，以及整个着地过程中弹簧长度和时间的关系等。进而通过对不同可变参数的取值迭代，仿真得到不同条件下SLIP模型一次着地前后的状态，从而找到满足SLIP不动点周期运动的合适初始参数，实现其稳定运动控制。现有技术二公开了一种针对有阻尼SLIP模型的周期稳定运动控制方法，其在SLIP动力学模型推导中增加了阻尼项，考虑了整个运动过程中的能量损失，近似得到SLIP模型着地过程中的能量损失方程，通过改变弹簧刚度等方法对损失的能量进行补偿，继续通过对不同可变参数的取值迭代，仿真得到能量补偿后的SLIP模型着地前后的状态，从而找到满足SLIP不动点周期运动的合适初始参数，实现其稳定运动控制。在对现有技术进行研究后，本发明人发现现有技术一中考虑的是一种十分理想的等效模型，其忽略了足式机器人运动过程中存在的阻尼因素，在反映机器人实际运动过程中存在模型误差；而现有技术二虽然考虑了等效模型的阻尼因素，且对其运动过程中损失的能量进行了补偿，但是该技术实现不动点稳定控制需要通过大量的赋值迭代才能找到合适的初值条件，不满足机器人系统实时性控制的要求，不易运用在实际的机器人稳定控 制中。且现有技术均只考虑了 SLIP模型在平面地形上的控制，对相对较为复杂的环境地形不具有适应性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够克服上述缺陷的足式机器人稳定性控制方法及系统，以SLIP等效模型为研究对象，不仅考虑足式机器人运动过程中的阻尼损失，而且使得控制后的SLIP模型不再仅仅适应于平面地形，对台阶、坑洼等较为复杂的地形也具有较好的稳定适应性，另外对模型的初始条件要求较低，不需要多次迭代，解决了控制实时性不能满足的问题。本发明提供的一种具有环境适应性的足式机器人稳定性控制方法，该方法包括下述步骤第I步系统参数初始化，包括系统基本信息、转角PID控制的比例增益系数kP、积分时间常数匕和微分时间常数kD ;令11=1 ;令第一次触地相补偿的能量AE1+为零；初始化控制目标，并计算得到稳定周期运动期望系统总能量Ed ;所述系统基本信息包括质量m、等效 弹簧刚度k、等效阻尼c和初始等效腿长A ;所述控制目标包括稳定周期运动期望水平速度4和期望最高点竖直高度；第2步检测第一次触地前的初始水平速度矣;第3步在第n次触地之前计算得到第n次触地角0 TD ；第4步实时检测系统状态，得到当前时刻SLIP模型的状态信息，包括质心A的水平速度i、竖直方向速度j、腿的摆角9、腿长度r、竖直方向脚力F。和当前系统时间t ；第5步判断SLIP模型是否触地，触地时刻判定条件为足端脚力F。发生由等于零到大于零的突变，且系统竖直速度j < 0 ;如果触地执行第7步，如果没有触地执行第6步；第6步通过PID控制，在第n次触地之前将SLIP模型控制到预定的触地角，即使腿的摆角等于触地角eTD;第7步读取触地时刻系统相关状态参数，包括触地时刻的水平速度，竖直速度yTD，等效腿长rTD，以及实际触地角度e TD，并计算触地时刻系统总能量En，即为第n次触地之如系统总能量；第8步判断SLIP模型是否压缩至底部，如果压缩至底部执行第9步，否则执行第4步；
第9步进行系统能量补偿，使系统达到期望系统总能量Ed 第10步判断SLIP模型是否离地，如果离地执行第11步，否则执行第9步；第11步读取离地时刻系统相关状态参数，包括离地时刻的水平速度,竖直速度jiO，等效腿长rw，以及实际触地角度e L0,并计算离地时刻系统总能量En+1，即为第n次触地之后系统总能量；第12步计算第n次触地过程中系统损失的能I At -，其计算公式为
权利要求
1.ー种具有环境适应性的足式机器人稳定性控制方法，该方法包括下述步骤 第I步系统參数初始化，包括系统基本信息、转角PID控制的比例増益系数kP、积分时间常数h和微分时间常数kD ;令n=l ;令第一次触地相补偿的能量AE1+为零；初始化控制目标，并计算得到稳定周期运动期望系统总能量Ed ;所述系统基本信息包括质量m、等效弹簧刚度k、等效阻尼c和初始等效腿长
2.根据权利要求I所述的具有环境适应性的足式机器人稳定性控制方法，其特征在于，第3步中， 第η次触地角Θ TD的计算过程为 设Λ S即为实际触地点Ptd与中性点Pn之间的调整距离み为触地点是中性点时触地过程运动水平距离的一半,
3.根据权利要求I或2所述的具有环境适应性的足式机器人稳定性控制方法，其特征在于，触地时刻系统总能量Εη，即为第η次触地之前系统总能量的计算公式为
4.根据权利要求I或2所述的具有环境适应性的足式机器人稳定性控制方法，其特征在于，第9步中，补偿能量的方法如下 在压缩至底部时刻增加沿弹簧方向的冲量Fn · dt，计算欲补偿能量为Δ￡时的驱动カFn，其计算公式为
5.根据权利要求I或2所述的具有环境适应性的足式机器人稳定性控制方法，其特征在于，第9步中，补偿能量的方法如下 在压缩至底部时刻开始直到系统离地时刻持续增加沿弹簧方向的补偿恒力Fn，计算欲补偿能量为时的驱动カFn，其计算公式为
6.根据权利要求I或2所述的具有环境适应性的足式机器人稳定性控制方法，其特征在于，第9步中，补偿能量的方法如下 在压缩至底部时刻开始直到系统离地时刻改变系统等效刚度，在原等效刚度k的基础上増加补偿刚度Ak，其计算公式为
7.根据权利要求I或2所述的具有环境适应性的足式机器人稳定性控制方法，其特征在于，第6步中，PID控制的输入为当前摆角，输出为关节カ矩。
8.ー种具有环境适应性的足式机器人稳定性控制系统，其特征在干，该系统包括系统状态检测模块和稳定控制模块； 稳定控制模块由触地角控制模块，PID控制器，能量补偿模块和补偿カ控制器组成；触地角控制模块用于进行计算飞行时的触地角，并提供给PID控制器；PID控制器根据触地角控制模块提供的触地角控制腿到对应的摆角；能量补偿模块计算系统从弹簧压缩至最低点到起飞期间需要补偿的能量；补偿カ控制器通过改变弹簧刚度，改变作用在等效质量上的作用カ实现系统能量的补偿；系统状态检测模 块用于实时检测系统控制所需的系统状态量，并提供给稳定控制模块。
全文摘要
一种具有环境适应性的足式机器人稳定性控制方法及系统，该控制方法通过利用上一触地过程相关参数信息与期望达到的控制目标进行比较，对飞行相水平运动速度和系统总能量实行反馈控制，预测控制触地角度并进行系统能量补偿控制，最终实现足式机器人SLIP等效模型在不同地面环境下的期望稳定周期运动。系统包括系统状态检测模块和稳定控制模块。本发明不需要建立具体的机器人动力学模型，不需要计算精确的不动点触地角度，通过反馈控制实现控制收敛，控制方法简单，计算迅速，很好的解决了现有方法控制实时性不足、适应性不够等问题。且具有较好的未知环境适应性，为足式机器人稳定性控制提供了一种较好的解决方案。
文档编号G05D1/02GK102736628SQ20121019283
公开日2012年10月17日 申请日期2012年6月12日 优先权日2012年6月12日
发明者刘清宇, 周博, 姜伟, 程品, 罗欣, 陈学东, 陈霈, 韩斌 申请人:华中科技大学