专利名称：基于闭环控制的仿人机器人全向行走方法
技术领域：
本发明属于仿人机器人行走技术领域，具体涉及一种基于闭环控制的仿人机器人全向行走方法。
背景技术：
现实世界中最早出现的仿人机器人应该首推1973年早稻田大学加藤一郎研究室开发的WAB0T-1。尽管技术还不是很成熟，WAB0T-1却既能通过视觉识别物体，也能通过听觉和语音合成与人进行言语交流，还能通过有触觉的双手队物体进行操作，能够用双足行走。随后又有令人惊叹的P2、P3、ASM0的问世，到2008年NAO的出现，仿人机器人的各方面技术在不断地更新。在仿人机器人行走方面，也有其它一些方法，如S.Kajita的规划关节轨迹的方法，分析一个行走周期内踝关节和髋关节在各个状态下的位置和角度值，这些特征点被描述出来后再确定关节运动的连续曲线。该方法计算量大也很依赖于外界环境模型，对于自由度越多的机器人，其动态等式有时甚至是不可解的；S.Grillner的中心模型生成器，是基于神经网络的分析方法，由非振荡信号进行初始化，再以自包含的方法产生周期性信号的回路系统。该方法无需对机器人和外界环境进行动态模型，但无法准确获得对于神经连接的权重等一系列参数值;M.0gino的弹道步行方法，是通过观察人类行走方式得出的，只在摆动的起始和结束阶段才驱动非支撑腿。弹道行走也就是一个行走控制器，在运动过程中，非支撑腿在摆动中间时刻是由重力和惯性力共同作用的结果。该方法在建立高能行走模型方面有很好的应用。由于上述方法都是研究基于特定周期内稳定的双足运动，而在动态对抗和有限的空间内应用效率并不高，即无法在动态变化的外界环境下将行走的方向、速度和转角结合起来实时变化。上述问题是在仿人机器人的行走过程中应当予以考虑并解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于闭环控制的仿人机器人全向行走方法解决现有技术中存在的基于特定周期内稳定的双足运动，而在动态对抗和有限的空间内应用效率并不高，即无法在动态变化的外界环境下将行走的方向、速度和转角结合起来实时变化的问题。本发明的技术解决方案是:
一种基于闭环控制的仿人机器人全向行走方法，包括足部落脚点规划、机器人躯干运动轨迹、足部空间轨迹规划、关节角度计算和反馈控制策略，
步骤一，足部落脚点规划:采用蚁群算法进行路径规划得出机器人足部在二维空间下的落脚点，并计算出机器人的零力矩点ZMP值；
步骤二，机器人躯干运动轨迹:由步骤一得出的ZMP值建立带预测控制的双线性倒立摆模型并得到机器人躯干的参考位姿；
步骤三，足部空间轨迹规划:由步骤一的足部落脚点规划得出的落脚点使用三次样条插值法，得出每两个落脚点在三维空间中的最佳运行轨迹，即可获得足部参考位姿；
步骤四，关节角度计算:由步骤二、步骤三得出躯干和足部的参考位姿利用逆运动学知识计算出机器人的膝盖处的关节角，踝关节的滚动角和俯仰角，股关节的偏摆角、滚动角和俯仰角；
步骤五，反馈控制策略:采用PID控制算法精确各个关节角度值并应用于实体机器人，由陀螺仪传感器信息值计算出机器人行走过程中的真实躯干位置，并与双线性倒立摆结合形成反馈控制，形成对整个行走过程的闭环控制。本发明一种基于闭环控制的仿人机器人全向行走方法，采用蚁群算法进行路径规划得出机器人足部在二维空间下的落脚点并计算出机器人的零力矩点ZMP值；由ZMP的值建立带预测控制的双线性倒立摆模型(D-LIP)并得到机器人躯干的参考位姿；由足部落脚点规划得出的落脚点使用三次样条插值法，得出每两个落脚点在三维空间中的最佳运行轨迹，即可获得足部参考位姿；由上述两步得出躯干和足部的参考位姿利用逆运动学知识计算出机器人各个关节的角度；采用PID控制算法精确各个关节角度值并应用于实体机器人，由陀螺仪传感器信息值计算出机器人行走过程中的真实躯干位置，并与双线性倒立摆结合形成反馈控制，从而使整个系统闭环。进一步地，本发明在仿人机器人行走过程中，利用闭环控制实现机器人的全向行走。相比现有技术，本发明的机器人行走方法具有鲁棒性强、稳定性好的优点。
图1是本发明实施例的落脚点规划示意 图2是本发明实施例的腿部的逆运动学计算示意 图3是本发明实施例的闭环控制说明示意具体实施例方式下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。如图1、图2和图3所示，本实施例提供一种基于闭环控制的仿人机器人全向行走方法，包括足部落脚点规划、机器人躯干运动轨迹、足部空间轨迹规划、关节角度计算和反馈控制策略，
步骤一，足部落脚点规划:采用蚁群算法进行路径规划得出机器人足部在二维空间下的落脚点，并计算出机器人的零力矩点ZMP值；具体包括以下步骤:
步骤a，通过指定移动路径上的落脚点的方法来规划每一步，确定每步的步长sf 、步
宽#和转向角度βΜ，如图1所示；
在实际行走的过程中，机器人为了避免与其它物体发生碰撞，经常需要避障，为此，采用指定落脚点(PW，P' P(V-Pw-Pw)的方法来规划每一步，其中N是由蚁群算法进行
路径规划时确定的；将称 之为步行参数，第η个落脚点pW在χ-γ平面上可
用P，Ργβ))表示:
权利要求
1.一种基于闭环控制的仿人机器人全向行走方法，其特征在于:包括足部落脚点规划、机器人躯干运动轨迹、足部空间轨迹规划、关节角度计算和反馈控制策略， 步骤一，足部落脚点规划:采用蚁群算法进行路径规划得出机器人足部在二维空间下的落脚点，并计算出机器人的零力矩点ZMP值； 步骤二，机器人躯干运动轨迹:由步骤一得出的ZMP值建立带预测控制的双线性倒立摆模型并得到机器人躯干的参考位姿； 步骤三，足部空间轨迹规划:由步骤一的足部落脚点规划得出的落脚点使用三次样条插值法，得出每两个落脚点在三维空间中的最佳运行轨迹，即可获得足部参考位姿； 步骤四，关节角度计算:由步骤二、步骤三得出躯干和足部的参考位姿利用逆运动学知识计算出机器人的膝盖处的关节角，踝关节的滚动角和俯仰角，股关节的偏摆角、滚动角和俯仰角； 步骤五，反馈控制策略:采用PID控制算法精确各个关节角度值并应用于实体机器人，由陀螺仪传感器信息值计算出机器人行走过程中的真实躯干位置，并与双线性倒立摆结合形成反馈控制，形成对整个行走过程的闭环控制。
2.如权利要求1所述的基于闭环控制的仿人机器人全向行走方法，其特征在于，所述步骤一的足部落脚点规划包括以下步骤: 步骤a，通过指 定移动路径上的落脚点的方法来规划每一步，确定每步的步长 步宽^和转向角度βΜ ； 步骤b，确定由当前位置到目标点移动过程中所有落脚点在X-Y平面上的位置； 步骤C，相对于第η-1步而言第η步的位置，可由第η步的步长sf、步宽sf和转向角度来确定，并计算出第η步的终止速度。
3.如权利要求2所述的基于闭环控制的仿人机器人全向行走方法，其特征在于，所述步骤a中的落脚点的规划为: 将(#’ ,，称之为步行参数，第η个落脚点pW在X-Y平面上可用(ri*4，PT)表示:
4.如权利要求2所述的基于闭环控制的仿人机器人全向行走方法，其特征在于，所述步骤C中的第η步的终止速度计算如下: 机器人的质心COM的运动轨迹在X-Y平面上的投影是一段关于y轴对称的双曲线，该双曲线在第一象限的X和y坐标值即是一个步行单元
5.如权利要求1所述的基于闭环控制的仿人机器人全向行走方法，其特征在于，所述步骤二中的机器人躯干运动轨迹包括以下步骤: 步骤a，计算出机器人的零力矩点ZMP的值，利用采样时间t对质心和ZMP的轨迹进行三次多项式离散化，并进行N次迭代计算； 步骤b，让双线性倒立摆系统的输出尽可能准确地跟踪目标ZMPfrf轨迹，考虑使跟踪性能指标极小化的问题。
6.如权利要求5所述的基于闭环控制的仿人机器人全向行走方法，其特征在于，所述步骤二中的机器人躯干运动轨迹计算如下: 由足部规划器得出的机器人的零力矩点ZMP的值为:
7.如权利要求1所述的基于闭环控制的仿人机器人全向行走方法，其特征在于，所述步骤三中的足部空间轨迹规划为使用三次样条插值法来确定足部轨迹，也就是踝关节的轨迹，即能得到足部每个时刻运动位置。
8.如权利要求1所述的基于闭环控制的仿人机器人全向行走方法，其特征在于，所述步骤四中的关节角度计算为由步骤二和步骤三得出的躯干和足部的参考位姿Tmnklrf和JrOrtef，计算出膝盖处的关节角，踝关节的滚动角和俯仰角，股关节的偏摆角、滚动角和俯仰角； 所述膝盖处的关节角，踝关节的滚动角和俯仰角，股关节的偏摆角、滚动角和俯仰角计算如下: 由倒立摆模型和足部轨迹模块得出的躯干和足部的参考位姿Tnmklif和Footef，可推出机器人自身的局部坐标系下理想的足部位置及其朝向，并用齐次变换矩阵来描述，记为;接着表示相对于股关节滚动角HipR坐标系下的足部位置:
9.如权利要求1所述的基于闭环控制的仿人机器人全向行走方法，其特征在于:所述步骤五中的反馈控制策略包括关节角控制和躯干控制， 所述关节角控制为采用Pm控制算法控制膝盖处的关节角，踝关节的滚动角和俯仰角，股关节的偏摆角、滚动角和俯仰角； 所述躯干控制中，由机器人各个部位传感器的值计算出其躯干位置，在动态行走模型中，闭环控制需要考虑机器人躯干位置的误差Tn^klra ;由于机器人的腿关节存在机械反冲力，而用对关节角的Pm控制又无法消除该反冲力，这就给躯干误差值的准确计算带来了一定难度；在行走过程中，机器人的膝盖总是弯曲的，只要膝关节在其反冲力范围内就不会产生振荡，所以认为躯干位置的误差值就是由该机械反冲力造成的；躯干的误差值记为参考值与实际值之间的差
10.如权利要求9所述的基于闭环控制的仿人机器人全向行走方法，其特征在于:所述躯干控制中，在实际执行过程中考虑50%的传感器
全文摘要
本发明提供一种基于闭环控制的仿人机器人全向行走方法，包括足部落脚点规划、机器人躯干运动轨迹、足部空间轨迹规划、关节角度计算和反馈控制策略，首先规划出机器人足部在二维空间下的落脚点并计算出机器人的零力矩点ZMP值；由ZMP值建立带预测控制的双线性倒立摆模型并得到机器人躯干的参考位姿；由规划得出的落脚点使用三次样条插值法，得出每两个落脚点在三维空间中的最佳运行轨迹，即可获得足部参考位姿；由上述得出躯干和足部的参考位姿利用逆运动学知识计算出机器人各个关节的角度。本发明在仿人机器人行走过程中，利用闭环控制实现机器人的全向行走。相比现有技术，本发明的机器人行走方法具有鲁棒性强、稳定性好的优点。
文档编号G05D1/02GK103149933SQ201310060399
公开日2013年6月12日 申请日期2013年2月27日 优先权日2013年2月27日
发明者刘娟, 梁志伟, 郝越, 朱松豪 申请人:南京邮电大学