[發明專利]基于有效穩定區域仿人機器人穩定行走的控制方法和系統

無效

• 申請號: 200810171981.0
• 申請日: 2008-10-28
• 公開（公告）號: CN101414190A
• 公開（公告）日: 2009-04-22
• 發明（設計）人: 黃強;余張國;陳學超;高峻峣;張偉民
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G05D1/00
• 分類號: G05D1/00
• 代理公司: 北京三高永信知識產權代理有限責任公司
• 代理人: 何文彬

技術領域

本發明涉及自動化控制領域，特別涉及一種基于有效穩定區域仿人機器人穩定行走的控制方法和系統。

背景技術

仿人機器人(以下簡稱機器人)跟人一樣，是靠兩條腿的行走實現移動的。它的雙腿結構跟人類似，較傳統的輪式和履帶式機器人有更好的機動性，尤其是在凹凸不平的地面、樓梯以及與地面僅有離散不連續的接觸點的場合更體現出優越性。但是雙足機器人有本質不穩定的特點，容易摔倒。為了使機器人行走，需要給定機器人的行走軌跡(動態步態)。機器人的動態步態是一種固有的、周期的運動，是依據雙足機器人整體動力學產生的。由于約束條件的耦合性和動力學方程的復雜性，動態步態計算需要一個優化過程。因此，動態步態一般只能通過離線計算方法來實現。也就是說，動態步態一般是在假設雙足機器人模型和周圍環境已知的情況下生成的。實際上，雙足機器人行走現實環境不可能與設定的環境和條件完全相同，由于機器人周圍環境的變化或產生了未知狀況，如果機器人機械地按照預先規劃好的動態步態執行，不對所規劃的動態步態進行實時修正和控制，很可能會產生不穩定甚至摔倒等異常現象。因此，必須根據當前的環境信息和機器人當前的自身狀態，對規劃的動態步態進行修正，進行實時步態控制，克服環境的改變與不確定性，使機器人能在實際環境中穩定行走。

現有技術一公開了一種基于零力矩點(ZMP，Zero?Moment?Point)補償的控制方法，具體是通過改變機器人的上身和修正機器人足部位置實現ZMP補償，使機器人穩定行走；

其中，ZMP的具體含義如下：根據力學原理，當物體處于靜止狀態時，其平衡的充要條件是其重心在地面上的投影落在其支撐面內；而當物體處于運動狀態時，其平衡的必要條件是所受重力與慣性力的合力的延長線通過其支撐面內，該合力的延長線與支撐面的交點稱為ZMP。

現有技術二公開了一種控制兩足步行機器人的方法，具體是根據地面反作用力，計算橫搖角和縱搖角，按橫搖角和縱搖角驅動制動器，使受力面法向向量與重力方向上的參考向量對齊，實現機器人穩定行走。

在實現本發明的過程中，發明人發現現有技術至少存在以下問題：

1)現有技術一中機器人的狀態修正需要進行動力學計算，難以做到實時補償和修正；另外，該方法沒有考慮機器人動態步行必需的穩定裕度。

2)現有技術二只適合于機器人的靜態步行場合，而不適合機器人的動態步行控制。

發明內容

為了使機器人穩定行走，本發明實施例提供了一種基于有效穩定區域仿人機器人穩定行走的控制方法和系統。所述技術方案如下：

一方面，本發明實施例提供了一種基于有效穩定區域仿人機器人穩定行走的控制方法，所述方法包括：

通過力傳感器測得機器人的地面反作用力；

根據所述地面反作用力，得到機器人的地面反作用力合力點；

判斷規劃零力矩點和所述地面反作用力合力點是否都在有效穩定區域內；

根據判斷結果，控制所述機器人行走。

另一方面，本發明實施例提供了一種基于有效穩定區域仿人機器人穩定行走的控制裝置，所述裝置包括：

力傳感器，用于測得機器人的地面反作用力；

處理模塊，用于根據所述力傳感器測得的地面反作用力，得到機器人的地面反作用力合力點；

判斷模塊，用于判斷規劃零力矩點和所述處理模塊得到的地面反作用力合力點是否都在有效穩定區域內；

控制模塊，用于根據所述判斷模塊的判斷結果，控制所述機器人行走。

另一方面，本發明實施例還提供了一種基于有效穩定區域仿人機器人穩定行走的控制系統，所述系統包括：

前饋器，用于提供機器人的離線規劃的動態步態θ_a0(t)；

實時修正器，用于當所述機器人的地面反作用力合力點和/或規劃零力矩點不在有效穩定區域內時，提供對所述前饋器中的動態步態劃θ_a0(t)進行修正的實時修正量Δθ_a(t)；

伺服驅動器，用于將所述前饋器中的動態步態θ_a0(t)和所述實時修正器中的實時修正量Δθ_a(t)相加后，驅動所述機器人的踝關節。

本發明實施例提供的技術方案的有益效果是：

通過對機器人的踝關節角度進行實時修正，使規劃ZMP點和地面反作用力合力點都在有效穩定區域內，實現了機器人的穩定行走；并且，無需明確的機器人動力學模型，計算簡單，快速修正機器人的動態步態，使機器人能適應未知環境。

附圖說明