一种仿人机器人不平整地面行走的稳定控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种仿人机器人不平整地面行走的稳定控制方法，属于机器人【技术领域】。所述方法包括4个步骤：基于最大稳定区域的着地脚面姿态控制；二阶弹簧阻尼的阻抗控制；正运动学计算和脚面惯性传感器测量相结合的脚面状态估计；基于支撑脚压力中心的质心加速度控制。该方法利用着地柔顺控制，能够有效地减少不平整地面对着地脚面的冲击，并使着地脚具有相对较大的支撑区域；倾斜脚面的平衡稳定控制，使机器人实现各种支撑脚面姿态的稳定行走。因此，仿人机器人能够实现不平整地面的稳定行走，有效提高仿人机器人在应用过程中的安全性。
【专利说明】一种仿人机器人不平整地面行走的稳定控制方法
【技术领域】：
[0001] 本发明公开了一种仿人机器人不平整地面行走的稳定控制方法，属于机器人技术 领域。
【背景技术】：
[0002] 仿人机器人是指具有人类外形特征，并具有与其外形特征相应的类人功能的人形 机器人，是集机械、电子、材料、计算机、传感技术、控制技术、人工智能、人体工学、仿生学等 多门学科于一体的综合性平台，是一个高新技术密集的机电一体化产品。仿人机器人研究 的目的是研究一种能与人和谐共处的类人形机器人，它能在人类现实环境中工作，使用人 们所用的工具，同时能够作为人类的伙伴与人类进行情感交流。
[0003] 为了实现仿人机器人走出实验室，参与人类的日常生活，甚至代替人类完成某些 工作这一目标，必须提高仿人机器人的环境适应能力，而环境适应能力的一个重要前提是 仿人机器人具有在各种场合快速、稳定行走的能力。仿人机器人在结构化的平整地面上行 走是仿人机器人早期研究的重点，因为结构化的平整地面能够有效地简化仿人机器人的步 态规划和平衡稳定控制。然而随着研究的深入和相关科学技术的发展，科研人员清楚地认 识到仿人机器人的应用必须应对环境中的各种地面（如，崎岖路面，台阶，斜面等），这也是 仿人机器人优于其他类型机器人的一个重要特征。本发明就是以实现仿人机器人不平整地 面的稳定行走这一目标提出的。
[0004] 中国专利CN201110449923. 1，公开了一种具有多自由度的仿人机器人脚板机构， 尝试通过机构设计的方式使仿人机器人适应任意不平整地面。但是，该发明没有解释脚面 状态的改变对仿人机器人的平衡稳定控制的影响。
[0005] 中国专利CN200810171985. 9,提出了一种仿人机器人稳定行走的脚着地时间的控 制方法及系统，通过对脚着地时间的控制，一定程度上能够解决地面的凸起和凹陷，但是没 有考虑脚面旋转倾斜适应不平整地面的着地过程。
[0006] 现有论文"Biped Landing Pattern Modification Method with Nonlinear Compliance Control",阐述了采用非线性柔顺控制双足的着地步态，使机器人实现不平整 地面的行走。但是该方法具有局限性，不能适应各种不平整地面，比如脚底中部踩到凸起这 种情况，即着地柔顺控制和脚底支撑区域的综合考虑。
[0007] 日本专利文献JP2012-196743A公开了一种腿式机器人的控制方法，其根据传感 器检测脚底与地面的接触状况决定行走的步态，进而驱动关节进行运动，但是该方法对脚 底与地面的接触状况包括接触点、ZMP，不能完全满足稳定控制需求，不是最大稳定裕度的 平衡控制。
[0008] 虽然现有不少的文献和专利尝试解决仿人机器人在不平整地面行走的问题，但是 多数研究具有局限性，只能适应脚面边缘范围的不平整，而对于脚面中部先着地的研究较 少，因此，本发明提出了一种适应各种接触情况的着地控制和稳定控制，以实现仿人机器人 在不平整地面的稳定行走。
【发明内容】
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[0009] 为了实现仿人机器人在不平整地面上的行走，提高仿人机器人的环境适应性。本 发明公开了一种仿人机器人不平整地面行走的稳定控制，着地的柔顺控制能有效减少着地 过程的冲击力，倾斜支撑脚面的压力中心控制能够提高行走的稳定性。
[0010] 本发明通过以下技术方案实现。
[0011] 一种仿人机器人不平整地面行走的稳定控制方法，所述方法包括以下步骤：
[0012] 步骤1，检测仿人机器人摆动腿是否着地及其压力中心C0P的信息；
[0013] 步骤2,根据摆动腿检测的C0P信息决定脚面旋转方向，设置阻抗控制参数，从而 得到较大的稳定区域；
[0014] 步骤3,控制脚底板与地面的阻抗，实现摆动脚的软着地，减少地面冲击力；
[0015] 步骤4,摆动腿软着地踩踏实后，通过正运动学的状态估计和脚面陀螺仪的测量， 得到脚面的相关位置和姿态信息；
[0016] 步骤5,基于倾斜支撑脚面压力中心处于有效脚面积内的稳定控制，保证仿人机器 人在不平整地面行走的平衡稳定性。
[0017] 优选地，所述步骤1包括使用脚踝六维力传感器检测所述摆动腿的脚面是否与地 面接触，以及通过C0P的计算得到最初接触位置（x s，ys)，所述六维力传感器的安装位置中 心为脚底C0P测量坐标系原点；然后依据（x s，ys)决定着地脚面的旋转方向以及脚面与地面 之间的二阶阻抗接触模型的刚度系数K p和阻尼系数Kd。
[0018] 优选地，所述步骤2中的决定脚面旋转方向进一步包括：
[0019] 当-
【权利要求】
1. 一种仿人机器人不平整地面行走的稳定控制方法，所述方法包括以下步骤： 步骤1，检测仿人机器人摆动腿是否着地及其压力中心COP的信息； 步骤2,根据摆动腿检测的COP信息决定脚面旋转方向，设置阻抗控制参数，从而得到 较大的稳定区域； 步骤3,控制脚底板与地面的阻抗，实现摆动脚的软着地，减少地面冲击力； 步骤4,摆动腿软着地踩踏实后，通过正运动学的状态估计和脚面陀螺仪的测量，得到 脚面的相关位置和姿态信息； 步骤5,基于倾斜支撑脚面压力中心处于有效脚面积内的稳定控制，保证仿人机器人在 不平整地面行走的平衡稳定性。
2. 根据权利要求1所述的稳定控制方法，其特征在于，所述步骤1包括使用脚踝六维力 传感器检测所述摆动腿的脚面是否与地面接触，以及通过COP (压力中心）的计算得到最初 接触位置（xs，ys)，所述六维力传感器的安装位置中心为脚底COP测量坐标系原点；然后依 据（x s，ys)决定着地脚面的旋转方向以及脚面与地面之间的二阶阻抗接触模型的刚度系数 Kp和阻尼系数Kd。
3. 根据权利要求2所述的稳定控制方法，其特征在于，所述步骤2中的决定脚面旋转方 向进一步包括： 当_Lbac;k < ys < 〇,脚后跟先着地，脚面朝脚尖方向旋转，采用被动柔顺控制，而且ys越 大，阻抗控制的刚度系数Kp越大； 当Lmid < ys < LfMnt，脚尖先着地，脚面朝脚后跟方向旋转，采用被动柔顺控制，而且ys 越大，阻抗控制的刚度系数Kp越小； 当0 < ys < Lmid，脚底中部着地，脚面朝脚尖方向旋转，采用主动柔顺控制，而且ys越 大，阻抗控制的刚度系数Kp越小； 式中LfMnt为所述六维力传感器的安装位置中心到脚面前端的距离，Lbadt为所述六维力 传感器的安装位置中心到脚面后端的距离，Lmid为六维力传感器的安装位置中心到脚底板 形心位置的距离。
4. 根据权利要求3所述的稳定控制方法，其特征在于，所述步骤3中的控制脚底板与地 面的阻抗进一步包括：构建脚面与地面的二阶弹簧阻尼模型，得到地面反力与脚面位置和 姿态关系表达式，+ + Pe = P_Pd，其中P表示末端实际位姿向量（6X1); Pd表示末端给定位姿向量，通过变换就可以得到末端速度的控制表达式： ^MjCF-K冰-ΚρΡι.)，增加到原有位置控制的反馈环路当中，实现阻抗控制器设 计，所述步骤2中的Κρ只是Κρ矩阵中的一个元素。
5. 根据权利要求4所述的稳定控制方法，其特征在于，所述步骤4中进一步包括： 通过双脚支撑期已知后脚的位置和姿态通过正运动学计算前脚的位置和姿态，同时需 要安装在脚面上的惯性测量单元MU进行脚面倾角的校正；同时，六维力传感器固定在仿 人机器人的脚踝位置处实现脚面压力中心COP的测量，以保证仿人机器人的压力中心处于 稳定区域内，当脚面倾斜时，需要利用脚与地面的接触状态，得到与稳定裕度相关的有效脚 面积，当仿人机器人平衡所需压力中心处于有效脚面积内，仿人机器人能够保持稳定，当所 需压力中心跑到有效脚面积范围外，脚面将会发生翻转，导致不稳定。
6.根据权利要求5所述的稳定控制方法，其特征在于，所述步骤5中进一步包括： 基于质心加速度的仿人机器人平衡稳定控制，得到支持脚面信息后，利用仿人机器人 的桌子-小车简化模型的动力学约束方程，推导得出倾斜脚面压力中心与质心加速度的关 系式：
其中，yOT是指脚面上压力中心的相对脚踝坐标系Σ A的位置，y表示质心位置，^表示 质心高度，P表示脚面倾角，表示质心加速度，g表示重力加速度。
【文档编号】G05D1/08GK104298243SQ201410409806
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年8月19日 优先权日:2014年8月19日
【发明者】陈学超, 余张国, 张文, 黄强, 孟立波, 张思, 张伟民 申请人:北京理工大学