[發明專利]一種基于降階極點配置法的機器人平衡控制方法及裝置

有效

• 申請號: 202110366425.4
• 申請日: 2021-04-06
• 公開（公告）號: CN113093780B
• 公開（公告）日: 2022-01-14
• 發明（設計）人: 丁北辰;李錦釗;韓瑜;古博;李雪芳
• 申請（專利權）人: 中山大學
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08
• 代理公司: 深圳市創富知識產權代理有限公司 44367
• 代理人: 高冰

1.一種基于降階極點配置法的機器人平衡控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

對預構建的二階倒立擺新構型進行動力學分析；

所述預構建的二階倒立擺新構型包括上擺、下擺、驅動器、第一傳感器和第二傳感器；

根據上擺的受力情況和髖關節處力矩平衡方程，得到第一方程；

根據下擺的力學方程，得到第二方程；

根據第一方程和第二方程，得到被控對象的模型，所述被控對象的模型為k_u1，k_u2，k_u3，k_l1，k_l2，k_l3，k_m2表示根據第一方程第二方程聯立得出的傳遞函數對應分子和分母的各項系數，θ_c(s)表示組合質心角度的拉普拉斯變換，k₁，k₂表示根據組合質心公式下擺角度與上擺角度對應的權值，s表示拉普拉斯變換的一個符號變量，T_act表示髖關節處驅動力矩；

根據被控對象的模型構建降階的基于極點配置法的立姿平衡控制器，所述降階的基于極點配置法的立姿平衡控制器為F(s)表示控制器中的前向通道補償器的分母，G(s)表示控制器中的數字濾波器，A₄(s)表示閉環控制系統的特征多項式，g₀，g₁，g₂表示組合質心的角度，組合質心的角速度，組合質心角加速度分別所對應的反饋系數，a_n0，a_n1，a_n2，a_n3表示所設計的控制器的各項參數，τ表示待求解的未知參數，值為(a_n3-ka_n1)/(ka_n0-a_n2),其中k等于(k₁k_u3+k₂k_l1)/k₂k_l2；

獲取踝關節角度、踝關節角速度、踝關節角加速度、髖關節角度、髖關節角速度和髖關節角度角加速度并計算組合質心角度、組合質心角速度和組合質心角加速度；

將組合質心角度、組合質心角速度和組合質心角加速度輸入到立姿平衡控制器并輸出控制力矩的信號，實現立姿平衡。

2.根據權利要求1所述一種基于降階極點配置法的機器人平衡控制方法，其特征在于，所述第一方程的表達式如下：

上式中，M_u表示上擺的質量，l_u表示上擺的半長，l_l表示下擺的全長，J_u表示上擺的理想轉動慣量，θ_u表示上擺角度，F表示髖關節處相互作用力的水平分量，T_act表示髖關節處驅動力矩，g表示重力加速度，θ_l表示下擺角度，表示上擺的角加速度，表示下擺的角加速度。

3.根據權利要求2所述一種基于降階極點配置法的機器人平衡控制方法，其特征在于，所述第二方程的表達式如下：

上式中，M_l表示下擺的質量，J_l表示下擺的理想轉動慣量。

4.根據權利要求3所述一種基于降階極點配置法的機器人平衡控制方法，其特征在于，所述獲取踝關節角度、踝關節角速度、踝關節角加速度、髖關節角度、髖關節角速度和髖關節角度角加速度并計算組合質心角度、組合質心角速度和組合質心角加速度這一步驟，其具體包括：

基于第一傳感器獲取踝關節角度、踝關節角速度、踝關節角加速度；

基于第二傳感器獲取髖關節角度、髖關節角速度和髖關節角度角加速度；

根據踝關節角度、踝關節角速度、踝關節角加速度、髖關節角度、髖關節角速度、髖關節角加速度和組合質心角度公式計算組合質心角度，并經過一次求導、二次求導后，分別得到組合質心角速度和組合質心角加速度。

5.一種基于降階極點配置法的機器人平衡控制裝置，其特征在于，包括：

至少一個處理器；

至少一個存儲器，用于存儲至少一個程序；

當所述至少一個程序被所述至少一個處理器執行，使得所述至少一個處理器實現如權利要求1-4任一項所述一種基于降階極點配置法的機器人平衡控制方法。