[發(fā)明專利]防止仿人機器人前后傾斜的腰部運動規(guī)劃方法和裝置

無效

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• 申請日: 2012-05-04
• 公開（公告）號: CN102658548A
• 公開（公告）日: 2012-09-12
• 發(fā)明（設計）人: 黃強;許威;余張國;李敬;張偉民;陳學超;馬淦
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發(fā)明涉及仿人機器人運動規(guī)劃技術領域，特別涉及防止仿人機器人前后傾斜的腰部運動規(guī)劃方法和裝置。

背景技術

仿人機器人的運動規(guī)劃是仿人機器人研究中非常重要的一個領域。仿人機器人的動作表演，是通過分布在仿人機器人各個關節(jié)上的電機轉動來實現的。每個關節(jié)電機的個數代表了該關節(jié)上自由度的數目。每個電機在各個時刻是怎樣轉動的，是在仿人機器人動作表演之前由運動規(guī)劃給出的。目前，仿人機器人運動規(guī)劃的方法主要是基于零力矩點(ZMP，Zero?Moment?Point)穩(wěn)定性原理來進行的，方法是先根據地面環(huán)境設定足部踝關節(jié)的軌跡，在可變參數的有效范圍內找出具有最大穩(wěn)定裕度的軀干軌跡作為最后的規(guī)劃結果。其中，ZMP是指仿人機器人所受的地面反作用力合力的中心點。當仿人機器人實際的ZMP落在仿人機器人腳面(單腳或雙腳)與地面接觸所圍成的多邊形區(qū)域內時，仿人機器人可穩(wěn)定不倒，如圖1所示。

人類在步行過程中分為單腳支撐期和雙腳支撐期，雙腳支撐時兩只腳(支撐腳)相對地面位置不變；單腳支撐時一只腳(支撐腳)相對于地面位置固定，而另一支腳(非支撐腳)相對于支撐腳從后面邁至前面，所跨的長度稱為步長，單腳支撐期和雙腳支撐期的時間總和稱為步行周期。人類的步行就是不斷循環(huán)這兩個時期的周期性運動。

仿人機器人在動作表演過程中也分成雙腳支撐期和單腳支撐期。在雙腳支撐期，由于雙腳完全著地，仿人機器人的零力矩點(ZMP)只要落在雙腳與地面接觸形成的多邊形區(qū)域內即可保證穩(wěn)定。在單腳支撐期時，仿人機器人的零力矩點需要落在支撐腳腳面內才能保持穩(wěn)定。但是由于機械柔性(指機械結構因受外力產生的形變)和伺服柔性(由控制誤差所造成)的存在，導致仿人機器人在單腳支撐時上身容易前后傾斜，這樣不但使仿人機器人容易摔倒，而且在仿人機器人的前后方向上，非支撐腳的腳面在著地瞬間會與地面形成一個較大的傾角，影響了仿人機器人著地的穩(wěn)定性。

在對現有技術進行分析后，發(fā)明人發(fā)現：由于機械柔性和伺服柔性的存在，造成仿人機器人上身在前后方向上傾斜。這不僅影響了仿人機器人上身姿態(tài)的平衡和上臂作業(yè)的精度，而且非支撐腳在著地瞬間也會與地面產生一個前后方向的傾角，影響著地的穩(wěn)定性，容易摔倒。

由于現有仿人機器人的模型大都采用典型的七連桿模型，機器人并不存在腰部關節(jié)，對機器人在行走過程中出現的前后傾斜現象只能補償腿部等處關節(jié)的電機轉角。在本發(fā)明中，發(fā)明人對仿人機器人的建模是基于以往的七連桿模型，并新增加了腰部關節(jié)的兩個自由度，分別是左右擺動關節(jié)和前后傾斜關節(jié)，見圖2。通過這兩個新的腰部關節(jié)的引入，不僅增加了上肢的靈活性和活動范圍，更可以用于提高仿人機器人在運動過程中的穩(wěn)定性。

發(fā)明內容

為了有效減小仿人機器人單腳支撐時前后傾斜的現象，增加其著地時的穩(wěn)定性，本發(fā)明基于腰部運動補償的思想，提供了一種防止仿人機器人前后傾斜的腰部運動規(guī)劃方法和裝置。所述技術方案如下：

一種防止仿人機器人前后傾斜的腰部運動規(guī)劃方法，所述機器人具有能夠驅動所述機器人步行移動的兩個腿部，所述腰部具有腰關節(jié)，所述腰關節(jié)包括繞腰X方向旋轉的前后傾斜關節(jié)，以及繞腰Y方向旋轉的左右擺動關節(jié)，

其中，所述方法包括以下步驟：

根據特定的數據為所述前后傾斜關節(jié)確定補償角度；

對所述腰關節(jié)的腰X方向電機轉角設置所述補償角度，所述腰X關節(jié)的電機為軸向沿所述機器人左右方向的電機。

進一步地，在仿人機器人運動的t時刻，所述補償角度的大小為：

??????＝K*Sin(Pi*t/T_step)???????????其中0＜＝t＜＝T_step

其中，表示t時刻腰X關節(jié)的電機的補償角度，K＞0為補償系數；Pi為圓周率常數，T_step為步行周期。

本發(fā)明通過對腰部X方向電機的傾角進行補償，可以有效地減小仿人機器人單腳支撐時由柔性誤差所造成的上身傾斜的現象，提高了非支撐腳著地的穩(wěn)定性。

附圖說明

圖1是現有技術仿人機器人腳面(單腳或雙腳)與地面接觸所圍成的多邊形區(qū)域示意圖；

圖2是仿人機器人的基于七連桿的擴展腰部模型示意圖；

圖3是仿人機器人在單腳支撐時，采用和沒有采用防止前后傾斜的腰部運動規(guī)劃方法的機器人實際姿態(tài)比較示意圖。

具體實施方式

本發(fā)明實施例基于腰部運動補償的思想，提供了一種防止仿人機器人前后傾斜的腰部運動規(guī)劃方法，包括以下步驟：