[發明專利]一種基于多傳感器信息仿人機器人跌倒狀態檢測方法

有效

• 申請號: 201410428085.3
• 申請日: 2014-08-27
• 公開（公告）號: CN104217107B
• 公開（公告）日: 2017-04-19
• 發明（設計）人: 畢盛;閔華清;董敏;曾瀟;黃銓雍
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00;G01C23/00
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司44102
• 代理人: 何淑珍

技術領域

本發明涉及仿人機器人狀態檢測技術領域，具體涉及一種基于多傳感器信息仿人機器人跌倒狀態檢測方法。

背景技術

在仿人機器人步行的時候，需要時刻對仿人機器人的穩定狀態進行判定。當機器人有跌倒的傾向的時候，需要通過反饋控制相應的關節來阻止機器人摔倒。當機器人已經快要摔倒時，此時機器人的狀態已超出了可控的范圍，需要讓機器人以損傷最小的姿態倒地。

只有獲得機器人跌倒時的真實運動狀態，才能實施有效的控制策略來防止機器人跌倒或在跌倒時采取保護措施來防止機器人損傷。判定機器人當前的狀態是否可控，即是否要跌倒以及機器人跌倒的方向，需要一個復雜的判定過程。目前也有一些研究對機器人摔倒狀態進行了研究。

由于機器人在行走過程中會影響姿態傳感器信息，所以只利用姿態信息來進行機器人穩定性和可控性的判定是不全面的。如果只依據ZMP點位置信息也不可行，因為只有機器人的腳底和地面完全接觸，才能利用FSR傳感器得到有效的ZMP信息。因此，采用一個綜合的判定方法能大大增加判定的準確率，加快整個判定過程。

發明內容

為解決上述相關技術的不足，本發明提出了基于多傳感器信息仿人機器人跌倒狀態檢測方法，利用機器人的步行階段信息，姿態信息和ZMP點位置信息綜合判定機器人穩定性的方法。使用該方法能夠實時地融合機器人步態階段信息，姿態信息和ZMP點位置信息，并利用模糊決策系統對機器人當前穩定性和可控性進行快速判定，即可實現機器人在活動狀態或靜止狀態下的穩定性和可控性判定，機器人使用這種檢測方法可以快速判定機器人是否可控，即是否要跌倒和將要跌倒的方向，為機器人下一步動作提供參考。

本發明提供一種分層式的仿人機器人多傳感器信息融合模型，該系統能判定機器人綜合的穩定性，包含如下步驟：

(1)通過對姿態傳感器信息、零力矩點ZMP傳感器信息和機器人步行階段信息進行融合，建立分層結構的傳感器信息融合模型，從而實現仿人機器人穩定性判定；

(2)利用模糊決策系統將輸入的步行階段、姿態信息、ZMP點位置信息進行融合分析，得出最終的對機器人穩定狀態的判定；其中，把機器人步行階段作為模糊決策系統輸入之一；把仿人機器人姿態信息作為模糊決策系統輸入之一；把ZMP點位置信息作為模糊決策系統輸入之一。

進一步的，步驟(1)所述分層結構的傳感器信息融合模型包括低層數據層信息融合模型和高層決策層融合模型，其中低層數據層信息融合模型分別是步行階段融合模型、姿態傳感器信息融合模型和FSR傳感器信息計算模型；高層決策層融合模型完成對機器人穩定性進行綜合判定：根據融合后的姿態信息、ZMP信息和機器人行走的步行階段數據共同建立模糊決策系統，模糊決策系統用來判定機器人是否處于不可控的狀態，從而為機器人控制提供決策的依據。

進一步的，步驟(2)所述的模糊決策系統的判定過程是：將步行階段信息、姿態信息和ZMP點位置信息作為模糊決策的輸入，通過模糊決策后得到5種判定結果作為輸出：可控狀態，向左倒下，向右倒下，向前倒下，向后倒下；由于判定機器人是否前后倒下，主要和前后方向的姿態信息和前后方向的ZMP點位置信息有關，和左右方向的數據沒有太大關系；同理左右方向上的姿態信息和左右方向上的ZMP點位置和前后方向的數據也沒有太大關系；所以前后方向倒和左右方向倒的判定，分用前后模糊決策系統和左右模糊決策系統來完成。

進一步的，所述前后模糊決策系統判定機器人在前后方向的穩定性，具體步驟如下：

①根據機器人支撐腳和地面之間的接觸情況與離線步態規劃確定機器人步行階段；

②利用模糊推理算法對ZMP點位置信息進行模糊化；

③利用模糊推理算法對機器人的俯仰角進行模糊化；

④確定輸出隸屬函數；

⑤根據步驟①～步驟④確定模糊推理規則；

⑥去模糊化；

所述左右模糊決策系統判定機器人在左右方向的穩定性，具體步驟如下：

①根據機器人支撐腳和地面之間的接觸情況與離線步態規劃確定機器人步行階段；

②利用模糊推理算法對ZMP點位置信息進行模糊化；

③利用模糊推理算法對機器人的繞x軸滾動角進行模糊化；

④確定輸出隸屬函數；

⑤根據步驟①～步驟④確定模糊推理規則；

⑥去模糊化。

進一步的，步驟(2)所述機器人步行階段根據離線步態規劃和力傳感記錄單元FSR(force sensing register)傳感器信息來確定。