[發明專利]一種基于加速度優化的仿人機器人逆動力學控制器

有效

• 申請號: 201210480571.0
• 申請日: 2012-11-23
• 公開（公告）號: CN103019096A
• 公開（公告）日: 2013-04-03
• 發明（設計）人: 余張國;黃強;馬淦;陳學超;李敬;張思;張偉民
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種基于加速度優化的逆動力學控制器來控制仿人機器人。屬于機器人技術領域。

背景技術

自從機器人誕生以來，人類的生活、工作方式發生了巨大的變化，機器人在各種場合輔助人類完成復雜的、重復的工作。仿人機器人具有人的外形特征，可以更好地適應人類的生活環境，更好地為人們服務。近年來，國內外掀起了研究仿人機器人的熱潮，其研究內容主要包括穩定行走、靈巧作業、人機交互等方面。

仿人機器人在運動過程中，支撐腳與地面之間是單向的、未驅動的、不可控的自由度。如果不能有效控制，很容易發生機器人繞其支撐腳邊緣傾倒的情況。1972年南斯拉夫學者Vukobratovic博士提出的ZMP(Zero-MomentPoint)控制方法被作為仿人機器人的動態穩定控制的基本準則。所謂ZMP，是地面作用力的力矩為零的那個點；所謂支撐多邊形，即機器人足底與地面之間的所有接觸點的最小多邊形區域。要使仿人機器人穩定行走，其ZMP必須始終位于支撐多邊形中。

長期以來，仿人機器人的研究者經常使用位置控制模式來實現它的穩定控制。為了實現仿人機器人更好的與人交互，并能使仿人機器人克服各種未知干擾，在最近幾年里，基于力控制的仿人機器人已經出現。力控制方法有些是通過疊加逆動力學前饋力矩、PD控制反饋力矩、姿態控制、平衡控制等得到的合力矩來跟蹤參考軌跡，但是通過這個力矩計算出的身體加速度和對應的外力不等效于預期的加速度和外力。另一些是通過逆動力學計算出各個關節力矩，并通過優化關節力矩計算出對應的身體加速度和對應的外力來實現對仿人機器人的控制，通過此方法計算出的外力不一定能滿足地面受力約束，從而不能保證機器人的穩定。

現有中國專利申請200910190906提出了一種基于逆動力學模型的自適應PID控制器的設計方法，該方法通過選擇恰當的控制對象逆動力學模型輸入向量，實現了PID控制和自適應逆控制的有機結合，通過控制對象逆動力學模型的在線辨識，獲得與控制對象相匹配PID控制特征參數，形成與控制對象特性相適應的自適應PID控制器。其控制方法能實現傳統不受外界約束的簡單模型的控制，但是對于受地面約束的仿人機器人，該方法不能實現其穩定控制。

現有論文“Inverse?Dynamics?Control?with?Floating?Base?and?Constraints”中，Nakanishi?et?al.提出了一種使用逆動力學控制器來控制仿人機器人穩定行走的方法。該方法是通過優化關節力矩來控制機器人的穩定行走。其計算出來的關節力矩對應的外力不一定能滿足ZMP等地面約束，從而不能保證機器人的穩定行走。

發明內容

針對現有技術中的上述技術問題，為了使仿人機器人能更好的適應環境，克服未知干擾的影響，本發明提出了一種基于加速度優化的逆動力學控制器來控制仿人機器人。

本發明采用的技術方案如下：

一種仿人機器人逆動力學控制方法，所述仿人機器人具有上身、左腿和右腿，所述方法包括以下步驟：

對所述仿人機器人建立動力學模型；所述動力學模型中，上身簡化為一個集成的質量塊，每條腿有六個關節，q_rl∈R^6×1與q_ll∈R^6×1分別代表右腿與左腿的關節角度，上身浮動坐標系∑_R位于盆骨的中心，世界坐標系∑_W位于地面；

計算所述仿人機器人上身加速度范圍；所述加速度范圍是使用“空間矢量”方法推導出所述仿人機器人腳底所受外力與上身加速度關系,并根據所述仿人機器人當前狀態由腳底所受外力范圍計算的；

優化所述仿人機器人的上身加速度；根據所述仿人機器人當前狀態的加速度范圍和PD控制產生的目標加速度，通過代價函數計算出該狀態的仿人機器人最優上身加速度，并根據最優的上身加速度，計算出所述仿人機器人所應受外力和關節力矩，從而驅動所述仿人機器人行走。

以上技術方案給定機器人腳部受力約束,通過優化機器人上身加速度,使機器人實際受到的外力滿足該約束條件，避免機器人發生由外界干擾產生不可預測的運動，從而達到穩定控制仿人機器人的目的。

附圖說明

圖1是本發明所涉及的仿人機器人模型圖。

圖2是本發明所涉及的“支撐多邊形”概念的示意圖。

圖3是本發明所涉及的控制仿人機器人的方法流程示意圖。

具體實施方式