一种仿人机器人偏摆力矩控制方法与流程

本发明涉及仿人机器人控制技术领域。具体而言，是一种仿人机器人偏摆力矩控制方法。

背景技术：

仿人机器人是当今机器人领域最热门和前沿的研究课题之一，集机械、电子、计算机、材料、传感器、控制技术及人工智能等多门学科于一体，是一个国家高科技实力的重要标志。同时，仿人机器人是一个复杂的自由度多、结构复杂、耦合性强的非线性系统，其中步行稳定性问题是仿人机器人领域重要的基础性问题。机器人在步行过程中，由于身体各部分不在同一平面内运动，因而不可避免的会产生偏摆力矩，影响垂直方向的力矩平衡，进而影响步行稳定性。传统方法通常采用双臂摆动、髂关节或腰关节转动的方式抵消偏摆力矩的影响，双臂摆动的方式对步态影响小且步态自然，但不适合无双臂机器人或机器人手提重物等场合，而髂关节或腰关节转动的方式消耗的能量较大，且对原有位姿有较大影响，这些缺点都制约了这些方法的进一步应用。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明采用的技术方案是: 通过控制踝关节消除偏摆力矩对步行稳定性的影响，通过建立支撑足受力模型并以最小化踝关节等效力为目标建立优化方程1，并采用在线迭代算法得到踝关节位置补偿偏移量。

在上述方案中，所述的支撑足受力模型如图1所示，点A代表踝关节，与分别表示步行过程中机器人踝关节以上部分作用在踝关节的等效力与力矩，G点表示支撑足的重心位置，其质量为，g为重力加速度，P代表合力矩为零的零力矩点，为地面反作用力。

在上述方案中，所述支撑足部受力模型将步行过程中躯干及四肢运动对稳定性造成的影响抽象为作用在踝关节上的等效力及力矩。

在上述的方案中，所述的优化方程1由最小踝关节角加速度及垂直方向力矩平衡条件组成，优化方程可表示为：

（1）

其中，为等效力位置向量，具体为；变量为偏摆力矩与等效力矩的垂直分量之和的相反数，即。

在上述的方案中，所述的在线迭代算法采用迭代不等式生成时间序列，其中为可调参数，，为与映射函数之间的误差，与分别为等效力的取值范围的上界与下界，。当超过最大迭代次数或，其中为可调整的最小误差，则迭代停止，得到解，且向量的前三个分量为等效力的值。

在上述的方案中，所述的踝关节位置矫正量可由踝关节加速度的修正量计算得到，其中，，与分别为小腿的长度与质量。

本发明的优点在于：仅通过控制踝关节即达到了抵消偏摆力矩对步行稳定性的影响，对原有步行姿态影响更小，且能够适用于无臂机器人或机器人手提重物等场合，具有应用范围更广的优点。

附图说明

图1为支撑足受力模型。

图2为二维步行离散时间步态图。

图3偏摆力矩控制前后对比。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的实施过程

如图1所示，按照本发明的支撑足受力模型图，将步行过程中躯干及四肢运动对稳定性造成的影响抽象为作用在踝关节上的等效力及力矩,由力矩平衡原理可得，，其中，表示机器人踝关节以上部分作用在踝关节总力矩的垂直分量，表示踝关节位置坐标，与分别表示身体各部分的质量与加速度，、、、分别表示机器人身体各部分质心的x轴、y轴坐标及相应方向的加速度。

在本实例中，根据机器人步行平衡原理，建立支撑足受力模型，以踝关节角等效力最小为目标,根据支撑足受力模型的力矩平衡条件建立的优化方程1，并得到等效力位置向量W。如下所示

其中，由垂直方向力矩平衡条件可得到变量的表达式为偏摆力矩与等效力矩的垂直分量之和的相反数，即，等效力位置向量。

在本实例中，所述的在线迭代算法采用迭代不等式生成时间序列，其中为可调参数，，为与映射函数之间的误差，与分别为等效力的取值范围的上界与下界，。当超过最大迭代次数或，其中为可调整的最小误差，则迭代停止，得到解。

在本实例中，所述的踝关节位置矫正量由式计算得到，其中，代表踝关节加速度的矫正量，与分别为小腿的长度与质量。

在得到了踝关节加速度的矫正量之后，可最终得到下一时刻踝关节的最终角度。

下面，采用仿真实验验证本发明所提的控制方法的性能，主要仿真平台采用Matlab 2010b版本。整个步行过程包含三种步态，分别是起步步态、周期步行步态、止步步态，每个步行周期左右脚各跨出一步，每个周期持续1.2s。其二维步行离散时间步态图如图2所示，控制前后偏摆力矩比较图如图3所示，其中，图3中实线表示采用本发明所提方法控制以后的偏摆力矩，黑色双划线代表最大静摩擦力力矩，虚线代表控制前的偏摆力矩，当偏摆力矩超出最大静摩擦力力矩时，机器人将发生侧滑、甚至摔倒。

由仿真结果可看出，采用本发明所提算法步态自然、轨迹平滑，偏摆力矩得到了有效控制。