一种基于控制策略的三维步态自我同步和自我稳定方法与流程

本发明涉及机器人控制领域，尤其是涉及了一种基于控制策略的三维步态自我同步和自我稳定方法。

背景技术：

机器人技术是一门新兴的综合学科，它是计算机技术、电子、机械、自动控制、人工智能等多个领域新技术的综合应用，代表了机电一体化的最新成就，是目前科技发展最活跃的领域之一。双足机器人与其它足机器人相比，具有更高度的灵活性，在康复、护理、一般家务处理等日常服务和危险环境作业等领域具有广阔的应用潜力。以助行机器人为例，由于其需要为操作者提供助力和保护，维持操作者的身体平衡，同时还要通过感知操作者的状态采取相应的控制策略，因此，机器人需要根据不同需求制定训练模式，采取不同的行走方式，实现智能化。然而，由于双足机器人具有多关节、多驱动器和多传感器的特点，一般都具有很多多余的自由度，这些特点使其稳定性不高，也给其控制带来了很大的难度。

本发明提出了一种基于控制策略的三维步态自我同步和自我稳定方法，首先在简单的倒立摆模型中为组件对象模型的垂直位置定义虚拟约束，接着将引导自同步的控制策略用于组件对象模型恒定高度的周期性行走步态，再利用摆锤模型的组件对象模型的垂直振荡渐近地稳定周期性行走步态，最后将这些属性扩展到人形机器人的现实模型。本发明应用自同步的控制策略，提高了行走的速度、效能和适应环境的能力；同时，协调性更强，稳定性更高，更加有利于投入应用。

技术实现要素：

针对控制难度大的问题，本发明的目的在于提供一种基于控制策略的三维步态自我同步和自我稳定方法，先在简单的倒立摆模型中为组件对象模型的垂直位置定义虚拟约束，接着将引导自同步的控制策略用于组件对象模型恒定高度的周期性行走步态，再利用摆锤模型的组件对象模型的垂直振荡渐近地稳定周期性行走步态，最后将这些属性扩展到人形机器人的现实模型。

为解决上述问题，本发明提供一种基于控制策略的三维步态自我同步和自我稳定方法，其主要内容包括：

(一)简单的倒立摆模型；

(二)定义虚拟约束；

(三)将控制策略用于周期性行走步态；

(四)利用垂直振荡稳定周期性行走步态；

(五)扩展到人形机器人的现实模型。

其中，所述的简单的倒立摆模型，首先提出双腿倒立摆模型，其包括两个在集中质量的可伸缩的无质量的腿和重合的臀部；支撑腿可以在地面接触点周围的轴s₀和n₀自由旋转，并且每个支腿的长度可以修改，从而可以获得所需摆锤的垂直运动；摇臂的启动允许通过髋部执行器控制摆动腿端的位移和腿部长度的控制；

机器人的构造通过集中质量(x,y,z)固定在脚上参考框架的位置，由(x_s,y_s,z_s)表示的摆动腿尖的位置来定义；沿轴s₀和n₀的角动量由σ_x和σ_y表示；沿轴s₀和n₀施加的归一化比例因子取决于所需的步长S、期望的步长D和机器人的质量m；因此，定义了一组新的变量：(z,X_s,Y_s,z_s)是致动变量，(X,Y,σ_X,σ_Y)是由于立体腿尖和地面之间的被动接触而导致的未执行变量；

动力学模型由上式给出。

其中，所述的定义虚拟约束，将控制变量的期望演变定义为不受控制的CoM位置(X,Y)的函数；对于平面机器人，虚拟约束通常表示为单个未执行变量的函数；对于存在二自由度欠驱动的三维行走机器人，虚拟约束可以表示为两个未执行变量的函数；在简化的双腿两足动物中，由于姿态腿围绕轴s₀和n₀的旋转，存在二自由度欠驱动的程度；因此，受控变量(z,X_s,Y_s,z_s)的虚拟约束将表示为未执行变量X和Y的函数；作为示例，CoM的高度和垂直速度表示为其水平位置和速度的函数：

z^d＝f(X,Y) (2)

通过使用虚拟约束，摆动腿尖的期望运动定义为未执行变量(X,Y)的函数。

其中，所述的将控制策略用于周期性行走步态，3D行走模型具有二自由度欠驱动的X和Y，所以触点z_s(X,Y)＝0不对应于机器人的独特结构，切换流形为：

之前(之后)交替腿部的状态表示为指数-(+)；在支撑腿的交换期间，机器人的配置是固定的，但是参考框架被设置在脚尖上而改变；从几何上看：

其中，第二个方程中的符号变化对应于轴n₀方向的变化。

进一步地，所述的具有恒定高度的步态，具有恒定高度z＝z₀的倒立摆被称为3D线性倒立摆(3D LIP)；由于条件z＝z₀，矢状面和正面中的运动被解耦，3D LIP动力学的表达式为：

对于3D LIP模型，轨道能量在一个步骤间是守恒的，数量也是守恒的，称为同步度量；如果该数量为零，则矢量与正面之间的运动是同步的；

由于矢状和正面运动之间的同步意味着这两个运动之间的耦合，并且由于这些运动在单个支撑阶段期间解耦，所以在转换时引入耦合是很自然的；这通过以椭圆形式定义切换流形来完成：

如上式所示。

其中，所述的利用垂直振荡稳定周期性行走步态，已知CoM的垂直振荡可以渐近地稳定周期性行走步态，为了稳定(X₀,Y₀)-不变步态中的动能水平，CoM的振荡将通过以下虚拟约束引入：

z^d(X,Y)＝z₀-aS_a(X,Y) (8)

S_a选择的表达式是确保在z^d＝z₀转变时z位置的连续性；特别地，如果(X₀,Y₀)是姿态阶段中的初始配置，则通过公式(9)，S_a(X₀,Y₀)＝0；另一方面，如果(X_f,Y_f)＝z₀是姿态阶段的结束配置，那么S_a(X_f,X_f)＝0；因此，通过S_a的定义，确保z^d(X₀,Y₀)＝z^d(X_f,Y_f)＝z₀；

在单支撑阶段，质量的水平位置位于椭圆内；因此，当接近切换流形椭圆时，S_a(X,Y)为负值并增加，选择a>0将确保在转换时质量的负垂直速度；在支撑变化之前的CoM的负垂直速度意味着在支撑变化时角动量σ_X和σ_Y减小；为了获得周期性运动，因此角姿势必须在姿态阶段增加，因此需要稍微移动支撑腿和CoM的相对位置；然后将步骤开始时的CoM的位置写为并且在步骤结束时，切换流形选择X_a＝D_X+CD_Y，确保CoM的垂直位置的连续性；为了确保CoM的垂直速度的连续性，将由z_cor(X)表示的X的三阶多项式函数加到z^d的表达式(8)中。

其中，所述的扩展到人形机器人的现实模型，包括扩展双足机器人复杂模型的虚拟约束、控制规律和混合零动态。

进一步地，所述的扩展双足机器人复杂模型的虚拟约束，与简单的倒立摆模型相比，须定义更多的虚拟约束；将约束n-2个驱动的自由度(DoF)作为两个不受控制的变量X和Y的函数；摆脚的位置和方向将通过六个虚拟约束来控制，其余部分控制人形机器人的上半身；这些剩余的n-9个DoF被任意约束到固定位置，并且可以在将来的步骤中进行修改以优化步态；

为了产生适当的支撑变化，摆脚的高度的虚拟约束将简单地形成：

z_s＝Z_sc(X,Y)＝v_zS_a(X,Y) (10)

其中，v_z是一个参数，允许在步骤中选择摆脚的高度；

在摆脚的运动结束时，

虚拟约束由上式定义。

进一步地，所述的控制规律，控制变量q_c的组合由COM z的高度、摆脚的位置(X_s,Y_s,z_s)及其取向、n-9个上身关节组成；对于每个受控变量，期望的运动表示为自由(未执行)变量q_f(即X和Y)的函数；

控制目标如上式所示；

以拉格朗日形式表示人形机器人的动态模型，如上式所示。

进一步地，所述的混合零动态，受制于虚拟约束的系统配置，称为零动力流形的降序流形，其数学定义如下：

零动力学流形在冲击图下不变时，称为混合零动力流形，该流形上的运动方程被称为混合零动力学(HZD)；将HZD作为未致动状态变量q_f和σ_u的函数写入如下：

在人形模型中，由于腿不是无质量的，所以对地面的影响传递给整个人形模型；这种通过动态模型的冲动形式建模的影响在关节速度上产生不连续性；因此，在下一步骤开始时获得的速度与先前设计的约束的一阶导数不一致；因此，为了在冲击后保持在零动态流形上必须在每个步骤开始时修改虚拟约束，补偿由冲击产生的不连续性。

附图说明

图1是本发明一种基于控制策略的三维步态自我同步和自我稳定方法的系统流程图。

图2是本发明一种基于控制策略的三维步态自我同步和自我稳定方法的简单倒立摆模型。

图3是本发明一种基于控制策略的三维步态自我同步和自我稳定方法的将控制策略用于周期性行走步态。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明一种基于控制策略的三维步态自我同步和自我稳定方法的系统流程图。主要包括简单的倒立摆模型，定义虚拟约束，将控制策略用于周期性行走步态，利用垂直振荡稳定周期性行走步态，扩展到人形机器人的现实模型。

定义虚拟约束，将控制变量的期望演变定义为不受控制的CoM位置(X,Y)的函数；对于平面机器人，虚拟约束通常表示为单个未执行变量的函数；对于存在二自由度欠驱动的三维行走机器人，虚拟约束可以表示为两个未执行变量的函数；在简化的双腿两足动物中，由于姿态腿围绕轴s₀和n₀的旋转，存在二自由度欠驱动的程度；因此，受控变量(z,X_s,Y_s,z_s)的虚拟约束将表示为未执行变量X和Y的函数；作为示例，CoM的高度和垂直速度表示为其水平位置和速度的函数：

z^d＝f(X,Y) (1)

通过使用虚拟约束，摆动腿尖的期望运动定义为未执行变量(X,Y)的函数。

利用垂直振荡稳定周期性行走步态，已知CoM的垂直振荡可以渐近地稳定周期性行走步态，为了稳定(X₀,Y₀)-不变步态中的动能水平，CoM的振荡将通过以下虚拟约束引入：

z^d(X,Y)＝z₀-aS_a(X,Y) (3)

S_a选择的表达式是确保在z^d＝z₀转变时z位置的连续性；特别地，如果(X₀,Y₀)是姿态阶段中的初始配置，则通过公式(4)，S_a(X₀,Y₀)＝0；另一方面，如果(X_f,Y_f)＝z₀是姿态阶段的结束配置，那么S_a(X_f,Y_f)＝0；因此，通过S_a的定义，确保z^d(X₀,Y₀)＝z^d(X_f,Y_f)＝z₀；

在单支撑阶段，质量的水平位置位于椭圆内；因此，当接近切换流形椭圆时，S_a(X,Y)为负值并增加，选择a>0将确保在转换时质量的负垂直速度；在支撑变化之前的CoM的负垂直速度意味着在支撑变化时角动量σ_X和σ_Y减小；为了获得周期性运动，因此角姿势必须在姿态阶段增加，因此需要稍微移动支撑腿和CoM的相对位置；然后将步骤开始时的CoM的位置写为并且在步骤结束时，切换流形选择X_a＝D_X+CD_Y，确保CoM的垂直位置的连续性；为了确保CoM的垂直速度的连续性，将由z_cor(X)表示的X的三阶多项式函数加到zd的表达式(3)中。

扩展到人形机器人的现实模型，包括扩展双足机器人复杂模型的虚拟约束、控制规律和混合零动态。

扩展双足机器人复杂模型的虚拟约束，与简单的倒立摆模型相比，须定义更多的虚拟约束；将约束n-2个驱动的自由度(DoF)作为两个不受控制的变量X和Y的函数；摆脚的位置和方向将通过六个虚拟约束来控制，其余部分控制人形机器人的上半身；这些剩余的n-9个DoF被任意约束到固定位置，并且可以在将来的步骤中进行修改以优化步态；

为了产生适当的支撑变化，摆脚的高度的虚拟约束将简单地形成：

z_s＝Z_sc(X,Y)＝v_zS_a(X,Y) (5)

其中，v_z是一个参数，允许在步骤中选择摆脚的高度；

在摆脚的运动结束时，

虚拟约束由上式定义。

控制规律，控制变量q_c的组合由COM z的高度、摆脚的位置(X_s,Y_s,z_s)及其取向、n-9个上身关节组成；对于每个受控变量，期望的运动表示为自由(未执行)变量q_f(即X和Y)的函数；

控制目标如上式所示；

以拉格朗日形式表示人形机器人的动态模型，如上式所示。

混合零动态，受制于虚拟约束的系统配置，称为零动力流形的降序流形，其数学定义如下：

零动力学流形在冲击图下不变时，称为混合零动力流形，该流形上的运动方程被称为混合零动力学(HZD)；将HZD作为未致动状态变量q_f和σ_u的函数写入如下：

在人形模型中，由于腿不是无质量的，所以对地面的影响传递给整个人形模型；这种通过动态模型的冲动形式建模的影响在关节速度上产生不连续性；因此，在下一步骤开始时获得的速度与先前设计的约束的一阶导数不一致；因此，为了在冲击后保持在零动态流形上必须在每个步骤开始时修改虚拟约束，补偿由冲击产生的不连续性。

图2是本发明一种基于控制策略的三维步态自我同步和自我稳定方法的简单倒立摆模型。首先提出双腿倒立摆模型，其包括两个在集中质量的可伸缩的无质量的腿和重合的臀部；支撑腿可以在地面接触点周围的轴s₀和n₀自由旋转，并且每个支腿的长度可以修改，从而可以获得所需摆锤的垂直运动；摇臂的启动允许通过髋部执行器控制摆动腿端的位移和腿部长度的控制；

机器人的构造通过集中质量(x,y,z)固定在脚上参考框架的位置，由(x_s,y_s,z_s)表示的摆动腿尖的位置来定义；沿轴s₀和n₀的角动量由σ_x和σ_y表示；沿轴s₀和n₀施加的归一化比例因子取决于所需的步长S、期望的步长D和机器人的质量m；因此，定义了一组新的变量：(z,X_s,Y_s,z_s)是致动变量，(X,Y,σ_X,σ_Y)是由于立体腿尖和地面之间的被动接触而导致的未执行变量；

动力学模型由上式给出。

图3是本发明一种基于控制策略的三维步态自我同步和自我稳定方法的将控制策略用于周期性行走步态。3D行走模型具有二自由度欠驱动的X和Y，所以触点z_s(X,Y)＝0不对应于机器人的独特结构，切换流形为：

之前(之后)交替腿部的状态表示为指数-(+)；在支撑腿的交换期间，机器人的配置是固定的，但是参考框架被设置在脚尖上而改变；从几何上看：

其中，第二个方程中的符号变化对应于轴n₀方向的变化。

具有恒定高度z＝z₀的倒立摆被称为3D线性倒立摆(3D LIP)；由于条件z＝z₀，矢状面和正面中的运动被解耦，3D LIP动力学的表达式为：

对于3D LIP模型，轨道能量在一个步骤间是守恒的，数量也是守恒的，称为同步度量；如果该数量为零，则矢量与正面之间的运动是同步的；

由于矢状和正面运动之间的同步意味着这两个运动之间的耦合，并且由于这些运动在单个支撑阶段期间解耦，所以在转换时引入耦合是很自然的；这通过以椭圆形式定义切换流形来完成：

如上式所示。

对于本领域技术人员，本发明不限制于上述实施例的细节，在不背离本发明的精神和范围的情况下，能够以其他具体形式实现本发明。此外，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。因此，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。