[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

本發明公開了一種基于降階極點配置法的機器人平衡控制方法及裝置，該方法包括：對預構建的二階倒立擺新構型進行動力學分析，得到被控對象的模型；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；獲取參數信息并計算組合質心角度、角速度和角加速度；將組合質心角度、角速度和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。該裝置包括存儲器以及用于執行上述基于降階極點配置法的機器人平衡控制方法的處理器。通過使用本發明，能夠有效地減少在線計算量并實現機器人的立姿平衡控制。本發明作為一種基于降階極點配置法的機器人平衡控制方法及裝置，可廣泛應用于機器人平衡控制領域。

技術領域

本發明涉及機器人平衡控制領域，尤其涉及一種基于降階極點配置法的機器人平衡控制方法及裝置。

背景技術

目前仿人型機器人的立姿平衡控制策略常采用零力矩點法(ZMP)，但前提是機器人雙足間能夠形成一定面積的支撐多邊形；目前的技術和方法很少涉及支撐面積有限、具有被動踝關節的點足式機器人。其中，大部分的智能控制算法存在計算量大、反饋變量多、不易于實現的缺點。而現有的極點配置法具有結構簡單且有效的特點，但反饋變量中的加加速度無法測量的難題限制了此算法的應用；試圖通過對加速度進行微分得到加加速度的方式，不僅對傳感器的精度提出了極高的要求，而且很可能引入惡劣的噪聲并最終導致閉環控制系統的振蕩甚至不穩定。

發明內容

為了解決上述技術問題，本發明的目的是提供一種基于降階極點配置法的機器人平衡控制方法及裝置，利用二階倒立擺新構型來模擬點足接觸式仿人型機器人的立姿平衡控制過程，能有效地減少在線計算量，使點足式仿人型機器人獲得一定的抗外界干擾能力。

本發明所采用的第一技術方案是：一種基于降階極點配置法的機器人平衡控制方法，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，得到被控對象的模型；

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；

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。

進一步，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。

進一步，所述對預構建的二階倒立擺新構型進行動力學分析，得到被控對象的模型這一步驟，其具體包括：

對預構建的二階倒立擺新構型進行動力學分析；

根據上擺的受力情況和肩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。

進一步，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。

進一步，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。