专利名称：一种消除双足仿人机器人上身姿态晃动的控制方法
技术领域：
本发明涉及双足机器人行走或者作业的控制方法，特别是双足机器人行走或者作 业时消除上身晃动的控制方法。
背景技术：
仿人机器人(以下简称机器人)跟人一样，是靠两条腿的行走实现移动的。它的 双腿结构跟人类似，较传统的轮式和履带式机器人有更好的机动性，尤其是在凹凸不平的 地面、楼梯以及与地面仅有离散不连续的接触点的场合更体现出优越性。但是双足机器人 有本质不稳定的特点，容易摔倒。为了使机器人行走，需要给定机器人的行走轨迹，即动态步态，包括关节机器人各 个关节的角度。机器人的动态步态是一种固有的、周期的运动，是依据双足机器人整体动 力学产生的。由于约束条件的耦合性和动力学方程的复杂性，动态步态计算需要一个优化 过程。因此，动态步态一般通过离线计算方法来实现。也就是说，动态步态一般是在假设双 足机器人模型和周围环境已知的情况下生成的。实际上，双足机器人行走现实环境不可能 与设定的环境和条件完全相同，由于机器人周围环境的变化或产生了未知状况，如果机器 人机械地按照预先规划好的动态步态完全执行，不对所规划的动态步态进行实时修正和控 制，很可能会产生不稳定甚至摔倒等异常现象。因此，必须根据当前的环境信息和机器人当 前的自身状态，对规划的动态步态进行修正，进行实时步态控制，克服环境的改变与不确定 性，使机器人能在实际环境中稳定行走。仿人机器人的步行周期分为单脚支撑期和双脚支撑期，单脚支撑期主要进行摆腿 运动，双脚支撑期主要进行移腰运动，因此机器人上身的运动不论在其前后方向还是左右 方向，其速度都不是恒定的。再加上由于机器人向前移动时腿的摆动，脚着地时对机器人的 冲击，造成了机器人上身的剧烈晃动，影响到整个机器人的稳定性；同时，机器人的上肢在 作业时，由于负载或者手臂的作业姿态等的变化、扰动，都会造成上身的晃动，在很大程度 上影响了机器人手臂作业的稳定性。申请号为200810171980. 6的中国专利中公开了一种调节仿人机器人上身姿态的 方法，该方法根据姿态传感器测出的姿态倾角，调节仿人机器人的髋关节，保持上身姿态到 规划值。该方法调节髋关节，对机器人摆动腿的着地时间影响很大，并且该方法建立的模型 不适用于具有腰部的仿人机器人上身姿态的控制。该方法的计算公式采用积分算法，当机 器人实际的姿态偏离规划的姿态时，就调节髋关节，直到二者相等，该方法无法消除上身的 晃动。^ifei:"Realization of Stretch-legged Walking of the Humanoid Robot，，巾， 仿人机器人的膝关节的运动事先给定，仿人机器人腰关节的作用是给机器人下肢增加自由 度，以满足下肢逆运动学的求解。该方法的腰关节的两个自由度的目的是补充减少的膝关节的自由度，通过逆运动 学求解出腰关节的角度，实现机器人的直膝行走，在论文中没有提及用腰关节给上身消除
权利要求
一种消除双足仿人机器人上身姿态晃动的控制方法，所述机器人具有腰部、姿态传感器，以及计算机伺服控制系统，其特征在于，所述方法包括如下步骤生成所述机器人的规划步态；通过所述姿态传感器测量所述机器人上身的倾角及角速度；根据所述倾角及角速度计算所述腰部的关节的修正量；根据所述修正量调节所述关节，以消除机器人上身姿态晃动。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述腰部的关节具有俯仰和滚转两个自由度。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述修正量采用如下方法计算 Δ θ w ⑴=Kp* ( θ b。dy—ref- θ body) +Kv/ (s+a) * ω其中Δ θ w是机器人腰关节的修正量，Kp是比例反馈系数，Kv是速度反馈系数，eb。dy 是机器人上身的规划姿态，θ b。dy是机器人上身的实际姿态，ω是机器人上身的实际角速 度，s是拉普拉斯变换的变量，a是低通滤波系数。 经过离散化得到实时修正量Δ θψ(ηΤ)计算如下
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述动态步态通过离线计算方法实现。
5.根据权利要求1-4之一所述的方法，其特征在于，所述姿态传感器是陀螺仪和加速 度计。
6.一种双足仿人机器人，包括腰部，其具有关节；姿态传感器，其用于测量所述机器人的上身的倾角及角速度；计算机伺服控制系统，其用于控制机器人的关节跟随给定目标值运动；步态生成部，其用于生成所述机器人的规划步态；修正量计算部，其根据所述倾角及角速度计算所述腰部的关节的修正量；关节调节部，其根据所述修正量调节所述关节，以消除机器人上身姿态晃动。
7.根据权利要求6所述的机器人，其特征在于，所述腰部的关节具有俯仰和滚转两个 自由度。
8.根据权利要求7所述的机器人，其特征在于所述修正量采用如下方法计算 Δ θ w ⑴=Kp* ( θ b。dy—ref- θ body) +Kv/ (s+a) * ω其中Δ θ w是机器人腰关节的修正量，Kp是比例反馈系数，Kv是速度反馈系数，eb。dy 是机器人上身的规划姿态，θ b。dy是机器人上身的实际姿态，ω是机器人上身的实际角速 度，s是拉普拉斯变换的变量，a是低通滤波系数； 经过离散化得到实时修正量Δ θψ(ηΤ)计算如下
9.根据权利要求8所述的机器人，其特征在于，所述步态生成部通过离线计算方法生 成所述步态。
10.根据权利要求6-9之一所述的机器人，其特征在于，所述姿态传感器是陀螺仪和加 速度计。
全文摘要
本发明提供了一种消除双足仿人机器人上身姿态晃动的控制方法，所述机器人具有腰部及姿态传感器，所述方法包括如下步骤生成所述机器人的规划步态；通过所述姿态传感器测量所述机器人上身的倾角及角速度；根据所述倾角及角速度计算所述腰部的关节的修正量；根据所述修正量调节所述关节，以消除机器人上身姿态晃动。该方法只是调节腰关节，不影响机器人的着地时间，在机器人整个行走工程或者作业过程中均起作用。
文档编号G05D1/08GK101943912SQ20101026991
公开日2011年1月12日 申请日期2010年9月2日 优先权日2010年9月2日
发明者余张国, 张伟民, 李敬, 许威, 陈学超, 马淦, 黄强 申请人:北京理工大学