[發明專利]一種多足機器人平衡控制方法

有效

• 申請號: 201210198798.6
• 申請日: 2012-06-15
• 公開（公告）號: CN102749919A
• 公開（公告）日: 2012-10-24
• 發明（設計）人: 陳學東;韓斌;羅欣;鐘建鋒;劉志江;陳思宇;李栓柱;嚴可涵
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 曹葆青

技術領域

本發明涉及機器人控制領域，具體是一種多足機器人平衡控制方法，對多足機器人在復雜外界環境下的運動失穩進行平衡恢復控制。

背景技術

多足機器人是一種具有冗余驅動、多支鏈的機器人，具有運動靈活、負載能力強、穩定性好、可實現多種步態等特點，具備一定的越障、爬陡坡和環境適應能力，在科學探索、山地運輸、農林業開發、地質勘探、搶險救災乃至軍事行動等領域有著良好的應用前景，受到全世界范圍內機器人研究人員的廣泛關注與重視。

多足機器人按足的數目一般可分為四足、六足、八足和八足以上的機器人。多足機器人承受負載時的自主運動能力為其最核心的要素，多足機器人在外界非結構化地形條件下(包括凸凹地面、低摩擦地面、碎石地面、松軟地面等)運動時的平衡穩定控制方法是當前機器人研究面臨的難點和挑戰。

隨著機器人學科的發展，多足機器人在穩定性判斷方面已較成熟。目前對多足機器人的穩定性判斷大多采用零力矩點(ZMP，Zero?Moment?Point)方法。ZMP方法的核心是判斷機器人質心沿合外力方向的投影是否在機器人支撐腿所形成的凸多邊形之內，如果投影在支撐腿所形成的凸多邊形之內，則機器人穩定，否則機器人失穩。

多足機器人失穩的情形主要有兩種，即靜態失穩和動態失穩。靜態失穩是指在不考慮機身加速度和所受外力的情況下，機器人質心在支撐面的投影位于支撐腿所構成的凸多邊形之外；動態失穩是指考慮到外力沖擊、慣性擾動、系統加速度等因素，利用達朗伯原理將上述外力及慣性力等效至系統質心處，機器人質心沿系統合力方向在支撐面的投影位于支撐腿所構成的凸多邊形之外。搜索相關文獻，對多足機器人平衡方面的研究主要集中于如何判定機器人穩定以及在保證機器人穩定的前提下對機器人進行步態規劃，而少見多足機器人在失穩后該采取的控制策略。本發明利用多足機器人位姿狀態信息和足端腳力信息對機器人進行穩定性判別，針對多足機器人失穩的特點，提出一種平衡控制方法和失穩后應該采取的控制策略。

發明內容

本發明的目的在于提供一種多足機器人平衡控制方法，該方法可以對失穩后的多足機器人進行平衡恢復，具有計算量少、可靠性高、適合在線實時計算等特點。

本發明提供的一種多足機器人平衡控制方法，其特征在于，該方法包括下述步驟：

(1)獲取當前的機器人各關節角度值和機身位置姿態值，以初始化機器人各關節角度、機身位姿參數；

(2)實時獲取各關節角度、機身位姿信息，并利用這些信息對機器人進行正運動學計算，得到機身重心、腿部各部分重心在機器人世界坐標系中的坐標；

(3)利用獲取的各足端腳力信息、機器人各關節角度信息和機身位姿信息，構建出當前運動時刻的支撐平面；

(4)使用零力矩點方法判斷機器人的穩定性，根據零力矩點的位置判定機器人是否失穩并計算穩定裕度d_m；

(5)根據機器人當前的穩定性情況采取相應控制策略：若機器人穩定，則實施預設的正常行走步態，并轉入步驟(2)；若機器人失穩，進入步驟(6)；

(6)計算調整腿末端點H_At的位置約束條件；

(7)取步驟(4)中計算的穩定裕度d_m與預設的穩定裕度閾值S進行比較：若穩定裕度為負值且|d_m|＜S，則判定為機器人失穩程度較小，并進入步驟(8)；若穩定裕度為負值且|d_m|≥S，則判定為機器人失穩程度較大，執行步驟(9)；

(8)根據調整腿末端點位于機器人所受合力在支撐面上的投影線上或者投影延長線上的原則，計算調整腿末端點H_At的位置坐標，并轉入步驟(10)；

(9)根據髖關節到傾翻軸線的垂足與調整腿末端點的連線，垂直于傾翻軸線的原則，計算調整腿末端點H_At的位置坐標，并轉入步驟(10)；

(10)計算出調整腿末端的位置后經機器人運動學反解得到機器人各關節角度值，然后向執行機構輸出各關節角度序列，執行系統動作使機器人到達控制器要求達到的位置。