[發(fā)明專利]一種復(fù)雜地形仿人機(jī)器人自適應(yīng)平衡控制方法、裝置和系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811034592.3
• 申請日: 2018-09-05
• 公開（公告）號: CN108858208B
• 公開（公告）日: 2022-06-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉飛;楊洪勇;趙玫;張淑寧;唐莉;劉慧霞;韓輔君;陳虎;楊怡澤;李玉玲;劉遠(yuǎn)山
• 申請（專利權(quán)）人: 魯東大學(xué)
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 煙臺上禾知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 37234
• 代理人: 劉志毅

本發(fā)明涉及機(jī)器人控制領(lǐng)域，具體為一種復(fù)雜地形仿人機(jī)器人自適應(yīng)平衡控制方法、裝置和系統(tǒng)。所述方法包括建立機(jī)器人的連桿模型；計(jì)算出相應(yīng)的落腳點(diǎn)；對機(jī)器人關(guān)節(jié)角度值進(jìn)行調(diào)整；監(jiān)測機(jī)器人質(zhì)心軌跡，接收陀螺儀傳感器數(shù)據(jù)，判斷機(jī)器人是否處于平衡狀態(tài)；當(dāng)機(jī)器人處于非平衡狀態(tài)時(shí)接收關(guān)節(jié)角度反饋值和陀螺儀傳感器數(shù)據(jù)，對機(jī)器人足部運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整；使機(jī)器人自適應(yīng)地進(jìn)行運(yùn)動(dòng)過程中的平衡控制；優(yōu)化機(jī)器人的關(guān)節(jié)角度值及相應(yīng)參數(shù)，該發(fā)明可應(yīng)用于雙足、四足等一類仿人機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)平衡控制，面向應(yīng)用范圍廣，可以極大地加強(qiáng)機(jī)器人對應(yīng)用環(huán)境的自適應(yīng)能力，可以有效地減少實(shí)際應(yīng)用過程中的硬件損耗。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及機(jī)器人控制領(lǐng)域，具體為一種復(fù)雜地形仿人機(jī)器人自適應(yīng)平衡控制方法、裝置和系統(tǒng)。

背景技術(shù)

如今在我們的生活中，機(jī)器人的應(yīng)用越來越廣泛，而常規(guī)輪式機(jī)器人在實(shí)際應(yīng)用方面具有很多局限性，而仿人機(jī)器人因?yàn)樵诓煌h(huán)境下模擬人類的行為模式，因此應(yīng)用于更多場景。然而由于仿人機(jī)器人的系統(tǒng)特性和人類環(huán)境的復(fù)雜多變，要實(shí)現(xiàn)仿人機(jī)器人在不同應(yīng)用場景中的穩(wěn)定行走仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。其次，以RoboCup標(biāo)準(zhǔn)平臺組比賽為例，我們在對Nao機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模塊進(jìn)行算法優(yōu)化和代碼整合的過程中，通過實(shí)際測試會發(fā)現(xiàn)我們的機(jī)器人在遇到例如上下坡行走，機(jī)器人接觸碰撞，目標(biāo)點(diǎn)或運(yùn)動(dòng)方向突然變化等不同的運(yùn)動(dòng)情況時(shí)，會出現(xiàn)因步態(tài)不協(xié)調(diào)或質(zhì)心突變而導(dǎo)致的不能保持穩(wěn)定行走甚至直接摔倒的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象在實(shí)際應(yīng)用和比賽時(shí)都會造成較為嚴(yán)重的后果。因此研究仿人機(jī)器人穩(wěn)定行走具有非常重要的意義。

重慶大學(xué)的敬成林提出仿人預(yù)測控制步行模式生成方法，結(jié)合仿人智能控制與預(yù)測控制，提出一種新的仿人預(yù)測控制在線步行模式生成方法，克服了預(yù)測控制在環(huán)境擾動(dòng)引起的模型失配時(shí)的性能下降缺點(diǎn)，增強(qiáng)了雙足行走的自適應(yīng)性。

該技術(shù)利用步行模式的預(yù)測方法實(shí)現(xiàn)仿人智能控制和預(yù)測控制從而實(shí)現(xiàn)雙足行走的自適應(yīng)性，該方法在較平滑的地面環(huán)境下能夠?qū)崿F(xiàn)較為準(zhǔn)確的步行模式預(yù)測和控制，但由于里程計(jì)計(jì)算誤差等不可避免的誤差無法實(shí)現(xiàn)在更復(fù)雜如坡面行走或凹凸地面上的準(zhǔn)確預(yù)測和控制，在應(yīng)用的廣泛性上具有較大的限制。

發(fā)明內(nèi)容

基于此，有必要針對上述的問題，提供一種復(fù)雜地形仿人機(jī)器人自適應(yīng)平衡控制方法、裝置和系統(tǒng)。

本發(fā)明實(shí)施例是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種復(fù)雜地形仿人機(jī)器人自適應(yīng)平衡控制方法，包括以下步驟：

建立機(jī)器人的連桿模型；

以所述連桿模型為基礎(chǔ)，依據(jù)機(jī)器人實(shí)際關(guān)節(jié)角度值計(jì)算出相應(yīng)的落腳點(diǎn)；

由機(jī)器人實(shí)際落腳點(diǎn)與規(guī)劃目標(biāo)點(diǎn)的差距對機(jī)器人關(guān)節(jié)角度值進(jìn)行調(diào)整；

監(jiān)測機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡，同時(shí)接收陀螺儀傳感器數(shù)據(jù)，利用零力矩點(diǎn)判斷機(jī)器人是否處于平衡狀態(tài)；

當(dāng)機(jī)器人處于非平衡狀態(tài)時(shí)接收機(jī)器人的關(guān)節(jié)角度反饋值和陀螺儀傳感器數(shù)據(jù)，利用PID平衡控制算法以及三維倒立擺模型對機(jī)器人足部運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整；

引入不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)建立機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平衡控制系統(tǒng)，接收陀螺儀以及慣性傳感器數(shù)據(jù)信息并進(jìn)行處理，使機(jī)器人自適應(yīng)地進(jìn)行運(yùn)動(dòng)過程中的平衡控制；

基于CMA-ES進(jìn)化策略算法優(yōu)化機(jī)器人的關(guān)節(jié)角度值及相應(yīng)參數(shù)。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，上述復(fù)雜地形仿人機(jī)器人自適應(yīng)平衡控制方法，所述由機(jī)器人實(shí)際落腳點(diǎn)與規(guī)劃目標(biāo)點(diǎn)的差距對機(jī)器人關(guān)節(jié)角度值進(jìn)行調(diào)整，包括以下步驟：

由實(shí)際落腳點(diǎn)的位置推導(dǎo)出實(shí)際運(yùn)動(dòng)過程中的相應(yīng)關(guān)節(jié)角度值，同時(shí)將目標(biāo)落腳點(diǎn)相對于髖關(guān)節(jié)的位置作為輸入值進(jìn)行推導(dǎo)，求得期望達(dá)到的相應(yīng)關(guān)節(jié)角度值；

將所述期望達(dá)到的相應(yīng)關(guān)節(jié)角度值與實(shí)際落腳點(diǎn)求得的實(shí)際關(guān)節(jié)角度值之間的差值作為補(bǔ)償值反饋到關(guān)節(jié)傳感器，在下一運(yùn)動(dòng)周期對關(guān)節(jié)角度值進(jìn)行補(bǔ)償。