本发明专利技术公开了一种防止仿人机器人前后倾斜的运动规划方法和装置，属于仿人机器人运动规划技术领域。该方法包括：对支撑腿髋关节、踝关节和膝关节的电机转角分别设置一个补偿角度；将所述支撑腿的髋关节、踝关节和膝关节电机的转角规划角度上分别增加相应的所述补偿角度。该装置包括：设置补偿角度模块，用于对支撑腿的髋关节、踝关节和膝关节的电机转角分别设置一个补偿角度；添加模块，用于将所述支撑腿的髋关节、踝关节和膝关节的电机的转角规划角度上分别增加相应的所述补偿角度。其中，所述髋关节、踝关节和膝关节的电机均为轴向沿仿人机器人左右方向的电机。本发明专利技术有效地减小仿人机器人单脚支撑时前后倾斜的现象，提高了着地的稳定性。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及仿人机器人运动规划
，特别涉及防止仿人机器人前后倾斜的运动规 划方法和装置。
技术介绍
仿人机器人的运动规划是仿人机器人研究中非常重要的一个领域。仿人机器人的动作表 演，是通过分布在仿人机器人各个关节上的电机转动来实现的。每个关节电机的个数代表了 该关节上自由度的数目。每个电机在各个时刻是怎样转动的，是在仿人机器人动作表演之前由运动规划给出的。目前，仿人机器人运动规划的方法主要是基于零力矩点(ZMP, Zero Moment Point)稳定性原理来进行的，方法是先根据地面环境设定足部踝关节的轨迹，在可 变参数的有效范围内找出具有最大稳定裕度的躯干轨迹作为最后的规划结果。其中，ZMP是 指仿人机器人所受的地面反作用力合力的中心点。当仿人机器人实际的ZMP落在仿人机器人 脚面(单脚或双脚)与地面接触所围成的多边形区域内时，仿人机器人可稳定不倒，如图1 所示。人类在步行过程中分为单脚支撑期和双脚支撑期，双脚支撑时两只脚(支撑脚)相对地面 位置不变；单脚支撑时一只脚(支撑脚)相对于地面位置固定，而另一支脚(非支撑脚)相 对于支撑脚从后面迈至前面，所迈的长度称为步长，单脚支撑期和双脚支撑期时间的总和称 为步行周期。人类的步行就是不断循环这两个时期的周期性运动。仿人机器人在动作表演过程中也分成双脚支撑期和单脚支撑期。在双脚支撑期，由于双 脚完全着地，仿人机器人的零力矩点只要落在双脚与地面接触形成的多边形区域内即可保证 稳定。在单脚支撑期时，仿人机器人的零力矩点需要落在支撑脚脚面内才能保持稳定。但是 由于机械柔性(指机械结构因受外力产生的形变)和伺服柔性(由控制误差所造成)的存在， 导致仿人机器人在单脚支撑时上身向前或向后倾斜，这样不但使仿人机器人容易摔倒，而且 在仿人机器人的前后方向上，非支撑脚在着地瞬间会与地面形成一个较大的倾角，影响了仿 人机器人着地的稳定性。在对现有技术进行分析后，专利技术人发现由于机械柔性和伺服柔性的存在，造成仿人机4器人上身在前后方向上倾斜。这不仅影响了仿人机器人上身姿态的平衡和上臂作业的精度， 而且非支撑脚在着地瞬间也会与地面产生一个前后方向的倾角，影响着地的稳定性，容易摔 倒。
技术实现思路
为了有效减小仿人机器人单脚支撑时前后倾斜的现象，增加其着地时的稳定性，本专利技术 基于前后倾斜补偿的思想，提供了一种防止仿人机器人前后倾斜的运动规划方法和装置。所 述技术方案如下一种防止仿人机器人前后倾斜的运动规划方法，包括以下步骤对支撑腿的髋关节的电机、踝关节的电机和膝关节的电机的转角分别设置一个补偿角度； 将所述支撑腿的髋关节的电机、踝关节的电机和膝关节的电机的转角规划角度上分别增加相应的所述补偿角度；其中，所述髋关节的电机、踝关节的电机和膝关节的电机均为轴向沿仿人机器人左右方向的电机。进一步地，在仿人机器人运动的t时刻，所述补偿角度的大小为 △《(,)=〖,.x(J _ a"jfc的)—7 —蘭,)，i=l ， 2， A03O) = A， + A^O)其中，A《(0表示t时亥斷述髋关节的电机转角的补偿角，A《(r)表示t时亥U所述踝关节 的电机转角的补偿角，A^(0表示t时刻所述膝关节的电机转角的补偿角^,>0为补偿系 数；F — MW'对(/)为t时刻仿人机器人腰部两髋关节连线中点的前后方向坐标；7 —朋We(/)为t 时刻仿人机器人支撑脚踝关节前后方向坐标。一种仿人机器人防止前后倾斜的运动规划装置，包括设置补偿角度模块，用于对支撑腿的髋关节的电机、踝关节的电机和膝关节的电机转角分别设置一个补偿角度；添加模块，用于将所述支撑腿的髋关节的电机、踝关节的电机和膝关节的电机的转角规 划角度上分别增加相应的所述补偿角度；其中，所述髋关节的电机、踝关节的电机和膝关节的电机均为轴向沿仿人机器人左右方 向的电机。进一步地，在仿人机器人运动的t时刻，所述补偿角度的大小为 A柳-A:;x(J —朋,)—y —謂i柳，i=l， 2，AW)-A(9,(/) + A(92(/)其中，A《(0表示t时刻所述髋关节的电机转角的补偿角，A《(f)表示t时刻所述踝关节 的电机转角的补偿角，A^(f)表示t时刻所述膝关节的电机转角的补偿角；/^,>0为补偿系 数；vra加(O为t时刻仿人机器人腰部两髋关节连线中点的前后方向坐标；F —fl"We(O为t 时刻仿人机器人支撑脚踝关节前后方向坐标。本专利技术实施例通过对支撑腿的髋关节左右方向电机、和踝关节左右方向电机和膝关节左 右方向电机的倾角进行补偿，可以有效地减小仿人机器人单脚支撑时前后倾斜的现象和由柔 性误差所造成的非支撑脚倾斜着地的现象，提高了着地的稳定性。附图说明图1是现有技术仿人机器人脚面(单脚或双脚)与地面接触所围成的多边形区域示意图； 图2是本专利技术实施例防止仿人机器人前后倾斜的运动规划方法流程图； 图3是仿人机器人的常用的七连杆模型示意图； 图4是世界坐标系下的仿人机器人模型示意图5是仿人机器人在单脚支撑时，采用和没有采用防止前后倾斜的运动规划方法的机器 人实际姿态比较示意图6是本专利技术实施例防止仿人机器人前后倾斜的运动规划装置示意图。具体实施例方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术实施方式作进 一步地详细描述。实施例一本专利技术实施例基于前后倾斜补偿的思想，提供了一种防止仿人机器人前后倾斜的运动规 划方法，参见图2，包括以下歩骤210:对支撑腿的髋关节的电机、踝关节的电机以及膝关节的电机分别设置一个补偿角度。 对人体运动模型进行简化，得到仿人型机器人的常用的七连杆模型，如图3所示。1为仿人机器人腰部两髋关节连线中点，2为仿人机器人左踝关节，3为仿人机器人左膝关节。图 3模型中仿人机器人的下肢共有十二个自由度(一个电机代表一个自由度)，每条腿各有6个 自由度，其中髋关节3个，膝关节1个，踝关节2个。上述髋关节的电机、踝关节的电机和膝关节的电机均为轴向沿仿人机器人左右方向的电机。如图4所示，以仿人机器人右方为X 轴正方向，以仿人机器人前方为Y轴正方向，以仿人机器人上方为Z轴正方向，建立世界 坐标系。仿人机器人足部轨迹的规划是通过规划其左右踝关节坐标点(X—ankle, Y一ankle, Z—ankle)来实现的，在本实施例规划中，将脚面着地时与地面夹角设置为零夹角；上身与地 面的夹角设置为90度。在仿人机器人表演过程中的单脚支撑期，仿人机器人上身姿态在前后方向与地面是否水 平取决于支撑腿的髋关节X方向电机、踝关节X方向电机和膝关节X方向电机。这里X方 向电机指的是其轴向沿X方向的电机。为防止仿人机器人单脚支撑时前后倾斜，在仿人机器 人单脚支撑期对支撑腿的髋关节X方向电机、踝关节X方向电机和膝关节X方向电机分别 补偿一个适当的角度，然后将这一补偿量添加到相关电机(支撑腿的髋关节X方向电机、踝 关节X方向电机和膝关节X方向电机)现有技术的规划角度上即可。在仿人机器人运动的t 时刻，补偿角的计算式如下-A柳4,x(y — a"鄉)一y —蘭',)，i=l， 2，其中，A《(0表示t时刻支撑鹏的髋关节X方向电机转角的补偿角，A《(f)表示t时刻支 撑腿的踝关节X方向电机转角的补偿角A^(/)表示t时刻支撑腿的膝关节X本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种防止仿人机器人前后倾斜的运动规划方法，其特征在于，包括以下步骤： 对支撑腿的髋关节的电机、踝关节的电机和膝关节的电机的转角分别设置一个补偿角度； 将所述支撑腿的髋关节的电机、踝关节的电机和膝关节的电机的转角规划角度上分别增加相应的所述补偿角度； 其中，所述髋关节的电机、踝关节的电机和膝关节的电机均为轴向沿仿人机器人左右方向的电机。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：黄强，许威，张伟民，李科杰，贾东永，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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