[發(fā)明專利]一種仿人機(jī)器人行走中的振動(dòng)抑制方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201611168615.0
• 申請(qǐng)日: 2016-12-16
• 公開（公告）號(hào): CN106584460A
• 公開（公告）日: 2017-04-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 易江;朱秋國;熊蓉;吳俊
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號(hào): B25J9/16
• 分類號(hào): B25J9/16
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司33200
• 代理人: 邱啟旺

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種仿人機(jī)器人行走中的振動(dòng)抑制方法。

背景技術(shù)

由于仿人機(jī)器人的連桿系統(tǒng)中存在非剛性特性，仿人機(jī)器人在行走過程中往往會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)。當(dāng)振動(dòng)過大時(shí)，零力矩點(diǎn)(Zero Momentum Point，以下簡稱ZMP)的位置可能會(huì)達(dá)到支撐多邊形的邊緣，帶來傾倒的危險(xiǎn)。因此，有必要抑制行走中由連桿系統(tǒng)非剛性帶來的振動(dòng)。

抑制仿人機(jī)器人行走中的振動(dòng)，目前主要有如下兩類方法。第一類是提高機(jī)器人連桿系統(tǒng)的剛性。一般通過改進(jìn)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，或選用性能更高的驅(qū)動(dòng)裝置和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。這類方法受限于實(shí)施者的設(shè)計(jì)水平和所具有的硬件條件，且一般成本高昂，或會(huì)帶來重量增加的弊端。第二類是將振動(dòng)視為外加的擾動(dòng)，通過反饋控制實(shí)現(xiàn)對(duì)擾動(dòng)的抑制。這類方法只有在振動(dòng)已經(jīng)發(fā)生并對(duì)行走穩(wěn)定性產(chǎn)生了不利影響之后才會(huì)開始作用，且抑制動(dòng)作本身可能會(huì)帶來新的振動(dòng)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種仿人機(jī)器人行走中的振動(dòng)抑制方法。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：一種基于輸入成形器的仿人機(jī)器人行走中的振動(dòng)抑制方法，具體步驟如下：

(1)利用足底六維力/力矩傳感器采集ZMP位置階躍響應(yīng)信號(hào)；

(2)根據(jù)ZMP階躍響應(yīng)信號(hào)對(duì)ZMP參考值到ZMP實(shí)際值的過程進(jìn)行建模；

(3)根據(jù)得到的模型，構(gòu)造輸入成形器；

(4)根據(jù)得到的模型，計(jì)算參考ZMP軌跡的時(shí)間提前量；

(5)將得到的輸入成形器及時(shí)間提前環(huán)節(jié)置于參考ZMP軌跡生成器之后，應(yīng)用于仿人機(jī)器人的行走。

進(jìn)一步地，所述步驟(1)具體為：令機(jī)器人雙腳著地，同時(shí)幅度為兩腳中心間距四分之一的左右方向的參考ZMP階躍信號(hào)，或一個(gè)幅度為兩腳長度四分之一的前后方向的參考ZMP階躍信號(hào)輸入到基于預(yù)觀控制的質(zhì)心軌跡生成器中，產(chǎn)生相應(yīng)的左右或前后方向的質(zhì)心平移運(yùn)動(dòng)，利用安裝在足底的六維力/力矩傳感器測(cè)量這一過程中左右或前后方向上的實(shí)際ZMP位置變化軌跡。

進(jìn)一步地，所述步驟(2)具體為：設(shè)左右或前后方向上由參考ZMP輸入到實(shí)際ZMP輸出的過程的復(fù)域形式的傳遞函數(shù)G(s)為

其中，s為復(fù)域的拉普拉斯變換算子，ζ為阻尼系數(shù)，ω為無阻尼自然振蕩頻率。

使用步驟(1)中測(cè)得的輸入-輸出數(shù)據(jù)，使用最小二乘法或解析法，求取模型參數(shù)ω和ζ；

進(jìn)一步地，所述步驟(3)具體為：構(gòu)造由兩個(gè)脈沖組成的數(shù)字濾波器形式的輸入成形器，兩個(gè)脈沖的幅值A(chǔ)₁和A₂分別為

其中參數(shù)K定義為：

而兩個(gè)脈沖的時(shí)刻t₁和t₂分別為：

進(jìn)一步地，所述步驟(4)具體為：數(shù)值法求解關(guān)于時(shí)間t的方程：

在t>0時(shí)的解t＝T₀，則T₀為參考ZMP軌跡輸入的時(shí)間提前量，在此提前量下，理論輸出ZMP軌跡和參考ZMP軌跡間的誤差的絕對(duì)值的積分最??；

進(jìn)一步地，所述步驟(5)具體為：將如前所述的時(shí)間長度為T₀的時(shí)間提前環(huán)節(jié)和輸入成形器插入到左右或前后方向的參考ZMP軌跡生成器之后，經(jīng)過這兩個(gè)環(huán)節(jié)后的修改過的參考ZMP軌跡輸入到質(zhì)心軌跡生成器中，即可產(chǎn)生使得左右或前后方向的振蕩被抑制的運(yùn)動(dòng)。

本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明通過修改發(fā)送給質(zhì)心軌跡生成器的參考ZMP軌跡，前饋地抑制了行走中由連桿系統(tǒng)非剛性帶來的振動(dòng)，使得行走更加穩(wěn)定。相較于修改機(jī)械結(jié)構(gòu)抑制振動(dòng)的方法，本方法不需要額外的成本。相較于通過反饋抑制振動(dòng)的方法，本方法在振動(dòng)發(fā)生之前就將其抑制，且沒有閉環(huán)增益過大導(dǎo)致振蕩的風(fēng)險(xiǎn)。

附圖說明

圖1為使用了本方法的仿人機(jī)器人步行運(yùn)動(dòng)生成整體控制框圖，虛線框內(nèi)的部分為本方法引入的振動(dòng)抑制前饋控制器。

圖2為使用本方法前的左右方向ZMP參考軌跡和實(shí)際軌跡，其中虛線為參考軌跡，實(shí)線為實(shí)際測(cè)量軌跡。

圖3為利用足底六維力/力矩傳感器采集到的ZMP位置階躍響應(yīng)信號(hào)，其中虛線為輸入到質(zhì)心軌跡生成器的參考階躍信號(hào)，實(shí)線為實(shí)際測(cè)量信號(hào)。

圖4為使用本方法后的左右方向ZMP參考軌跡和實(shí)際軌跡，其中虛線為參考軌跡，實(shí)線為實(shí)際測(cè)量軌跡。

具體實(shí)施方式