[發明專利]一種雙足機器人偏擺力矩補償方法

有效

• 申請號: 202110809458.1
• 申請日: 2021-07-16
• 公開（公告）號: CN113467246B
• 公開（公告）日: 2023-10-20
• 發明（設計）人: 甘春標;袁璐;雷華;郜傳厚;王小瑩;葛一敏;李子靜;張金霖;余天浩
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 劉靜

本發明涉及一種雙足機器人偏擺力矩補償方法，針對機器人游離腿的加、減速過程導致與地面的接觸面產生偏擺力矩問題，本發明提出基于機器人上半身運動模式實現對偏擺力矩補償的方法，結合機器人全身結構自由度布局，設計其腰關節或臂關節的運動產生補償力矩，使偏擺力矩控制在最大摩擦力矩之內。通過對補償力矩構建能量消耗函數，對腰關節和臂關節運動模式能量消耗進行評估，確定機器人偏擺力矩最佳補償方案，對提高機器人步行穩定性及使用壽命具有重要意義。本發明充分考慮了能量損耗因素，基于上半身運動實現對步行過程偏擺力矩的有效補償，可適用于具有全自由度的雙足機器人的運動場景，進一步提高機器人的步行能力。

技術領域

本發明涉及機器人技術領域，具體涉及一種雙足機器人偏擺力矩補償方法。

背景技術

在目前的雙足機器人研究領域，對其穩定性分析時，多采用基于ZMP的穩定性判據，該方法較為成熟，在眾多機器人產品得到了較好的應用。但ZMP穩定性判據存在一定的弊端，根據ZMP的定義：在機器人步行過程中，腳掌與地面的接觸會產生來自地面的作用力，將作用力的合力等效為某一點處，且在該點沿水平面內的力矩為零，則該點即為零力矩點(ZMP)。在雙足機器人動態步行時，若其ZMP始終保持在支撐多邊形區域內，則步行是穩定的。該判據保證了機器人在水平面內的力矩為零，但對于機器人繞豎直方向的力矩，該判據未對其進行研究。在對機器人研究時，默認機器人豎直方向的力矩由地面提供的摩擦力矩完全補償，基于以上條件完成對機器人穩定性的研究。

在機器人與地面摩擦系數較大、步行過程偏擺力矩較小的情況下，以上假設是成立的，摩擦力矩完全可以補償機器人加、減速過程產生的偏擺力矩。但在機器人實際步行過程中，由于運動速度相對較快，地面摩擦力提供的摩擦力矩有限，無法完全補償偏擺力矩，此時腳掌相對地面會發生旋轉滑動，影響機器人的穩定性，當旋轉滑動程度較大時，機器人甚至會發生摔倒的現象。目前，大多數雙足機器人物理樣機在踝關節處均未配備z軸方向的偏航自由度，故當機器人全身相對于支撐腳踝部的偏擺力矩增大時，會造成踝關節的磨損，對機器人零部件造成損傷。因此，如何控制機器人的上半身來降低偏擺力矩產生的影響，是進一步提高機器人步行穩定性的關鍵。

在目前常用的雙足機器人步態規劃研究中，由于雙足機器人是一個多剛體、變結構、強耦合的復雜動力學系統，運動學模型、力學控制模型等多為高階非線性方程，在線步態規劃方法應用到雙足機器人領域有較大難度，對步行過程的在線優化耗時較長，對機器人硬件系統提出較高求，故目前的雙足機器人步行方式多為離線步態規劃，有的則采用離線規劃加在線調整的控制方式完成機器人的步行過程。基于以上機器人步行方式的提出，對于其偏擺力矩的補償，應在離線步態規劃階段完成，求解步態規劃過程中所產生的偏擺力矩，提出有效的補償措施。

申請號為201611194751.7的中國專利公開一種仿人機器人偏擺力矩控制方法，通過控制踝關節抵消偏擺力矩的影響。該方法通過建立踝關節處的力優化函數，基于迭代方法的得到踝關節位置補償量。而機器人是一個多自由度系統，運動過程中驅動電機存在磨損，導致各關節角的控制精度變低，由于機器人腳掌與地面的沖擊碰撞，導致各組成結構件發生一定程度的形變。若通過對踝關節進行位置補償，一方面由于的電機磨損導致的控制精度變低，對偏擺力矩的控制作用無法達到預期要求；另一方面由于機器人各連接件的形變，導致踝關節理論計算補償量和實際所需補償量存在較大差異，最終無法使機器人偏擺力矩控制在摩擦力矩范圍內。

發明內容

針對現有技術中所存在的不足，本發明提出了一種雙足機器人偏擺力矩補償方法。本發明對于當前ZMP穩定性判據存在的弊端，導致機器人在快速步行過程發生的偏轉滑移現象，采用機器人上半身關節運動控制的方式，產生用于平衡偏擺力矩的補償力矩，通過腰關節或臂關節的運動模式，基于能量消耗最優考慮，實現機器人運動過程偏擺力矩的最優補償，進一步提高機器人的步行穩定性。因機器人為一個多自由度、強耦合、混雜態的混合動力學系統，對其進行動力學建模時，采取常規的求解方式較為復雜，故需將其簡化為多連桿模型，對于不同的運動模式可獲得相應的動力學方程，針對腰關節或臂關節的運動模式，可獲得相應的能量函數。