一种基于惯性导航系统的双足机器人步态稳定性控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于惯性导航系统的双足机器人步态稳定性控制方法，属于机器人控制技术领域，双足机器人为液压双足机器人，包括躯干、大腿和小腿，躯干和大腿之间以及大腿和小腿之间分均采用液压缸控制，通过液压缸轴的伸长量来控制各关节及腿部运动，机器人躯干内设置惯性导航系统，其水平放置与机器人躯干的腰部，用于采集机器人的姿态数据，通过其反馈的数据调整机器人的姿态，是机器人的上身保持正直，确保机器人步态稳定性，防止机器人跌倒，双足机器人步态稳定性控制方法是基于躯干姿态信息的位置控制策略，躯干姿态信息包括：俯仰角、横滚角以及航向角。本发明专利技术用于避免现有技术的不足之处而提出一种简化控制流程和提高行走速度。

A Gait Stability Control Method for Biped Robot Based on Inertial Navigation System

The invention discloses a gait stability control method of Biped Robot Based on inertial navigation system, which belongs to the field of robot control technology. The biped robot is a hydraulic biped robot, including trunk, thigh and calf, which is controlled by hydraulic cylinder equally between trunk and thigh and between thigh and calf. The movement of joints and legs is controlled by the elongation of hydraulic cylinder shaft. An inertial navigation system is installed in the trunk of the robot, which is horizontally placed with the waist of the trunk of the robot to collect the attitude data of the robot and adjust the attitude of the robot through the feedback data. It is to keep the upper body of the robot upright, ensure the gait stability of the robot and prevent the robot from falling down. The gait stability control method of the biped robot is based on the attitude information of the trunk. Position control strategy and trunk attitude information include pitch angle, roll angle and heading angle. The invention is used to avoid the shortcomings of the prior art and proposes a simplified control flow and an improved walking speed.

【技术实现步骤摘要】
一种基于惯性导航系统的双足机器人步态稳定性控制方法
本专利技术涉及一种机器人稳定性控制方法，特别是涉及一种基于惯性导航系统的双足机器人步态稳定性控制方法，属于机器人控制

技术介绍
双足机器人行走抬脚是整机产生的重力矩使整机有向抬起一侧倾倒的趋势，为了控制双足机器人不发生倾倒，现有技术中，双足机器人每跨出一步都需要调整机器人左右的平衡，而该平衡的调整又需要将另一只脚的所有关节进行调整，调节重心位置，否则将无法行走甚至跌倒，因此控制流程复杂，且行走速度缓慢。
技术实现思路
本专利技术的主要目的是为了提供一种基于惯性导航系统的双足机器人步态稳定性控制方法，避免现有技术的不足之处而提出一种简化控制流程和提高行走速度。本专利技术的目的可以通过采用如下技术方案达到：一种基于惯性导航系统的双足机器人步态稳定性控制方法，双足机器人为液压双足机器人，包括躯干、大腿和小腿，躯干和大腿之间以及大腿和小腿之间分均采用液压缸控制，通过液压缸轴的伸长量来控制各关节及腿部运动，机器人躯干内设置惯性导航系统，其水平放置与机器人躯干的腰部，用于采集机器人的姿态数据，通过其反馈的数据调整机器人的姿态，是机器人的上身保持正直，确保机器人步态稳定性，防止机器人跌倒，双足机器人步态稳定性控制方法是基于躯干姿态信息的位置控制策略，躯干姿态信息包括：俯仰角、横滚角以及航向角。该基于惯性导航系统的双足机器人步态稳定性控制方法，包括如下步骤：步骤1：通过一些约束条件生成了完整的步行周期中起始、COP切换、结束的机器人姿态；步骤2：通过三次样条插值法生成了各关节相对于支撑腿髋关节的参考轨迹；步骤3：针对实际步行过程中的倾斜问题提出了基于姿态传感器的控制方法。基于躯干俯仰角的稳定性控制包括如下步骤：双足机器人足部相对于固定坐标系的相对运动决定了双足机器人躯干姿态的变化；当双足机器人在运动过程中将要往后失去稳定的时候，机器人躯干的俯仰角是负的为防止双足机器人继续完后运动的趋势，包括：使双足机器人脚底后侧减少一定的高度，即双足机器人足端绕其踝关节的坐标系进行逆时针旋转；使双足机器人足端在运动过程中相对本机器人的固定坐标系的运动距离加大。当双足机器人在运动过程中将要往前失去稳定的时候，机器人躯干的俯仰角是正的，为了防止双足机器人继续往前运动的趋势，包括：使双足机器人脚底前侧减少一定的高度，即双足机器人足端绕其踝关节的坐标系进行顺时针旋转；使双足机器人足端在运动过程中相对于本机器人的固定坐标系的运动距离减小。基于躯干横滚角的稳定性控制，包括如下步骤：在双足机器人步行运动的起步阶段，双足机器人左右两腿的抬高高度逐步增加，两腿落地时候受到地面的冲击力也不同，这样会使得双足机器人躯干的横滚角的变化范围比较大，因此在此阶段并不采用基于横滚角的稳定性控制策略；在双足步行阶段，双足机器人稳定运动时，躯干的横滚角及横滚角速度是一定的副值范围内进行周期性的趋势运动；当双足机器人失去稳定，则躯干的横滚角及其横滚角速度在副值以及波动周期都会发生明显的变化；在双足机器人步行阶段可以根据躯干横滚角和横滚角速度的副值的变化来相应的改变双足机器人两腿的高度，以此来维持稳定步行运动。位置控制策略包括：踝策略、髋策略、跨步策略以及安全倒策略；踝策略，外部扰动后，身体的质心投影位置COM依然在脚掌范围内，则通过扭动脚掌踝关节将身体控制回原位；髋策略，当COM超过脚掌范围，则通过髋关节的作用，身体的扭动将身体拉回原位；跨步策略，当扰动过大超过髋关节策略的应对范围，则通过迈步的方式在下一步把身体的运动状态控制回来；安全倒策略，当扰动过大超出跨步策略的应对范围，机器人的摔倒不可避免，则及时将机器人调整到一个安全的状态，以避免机器人倒地时受损或者过度受损。机器人实际运动时，各关节角度由旋转编码器测得，两杆件连成直线时即为零点位置；一个完整的步行周期由双支撑期与单支撑期组成，单支撑期机器人先以脚跟后以脚掌为支撑点进行倒立摆运动，支撑点由脚跟切换为脚掌瞬间称为COP切换；支撑腿以脚掌为支撑点进行倒立摆运动，摆动腿脚跟着地瞬间，机器人结束单支撑期进入双支撑期；上一周期的摆动腿变为新周期的支撑腿，上一周期的支撑腿变成新周期的摆动腿；脚跟与脚掌简化为点，机器人质心集中在髋关节连线中心点上。步态规划参数包括：步长lstep、抬腿高度h、触地质心后腿分布λm，步态规划参数设定时具有如下约束条件：1：机器人躯干始终与地面垂直；2：摆动腿触地瞬间，其膝关节转动中心点与期脚跟连线与地面垂直；3：在整个摆动过程中，支撑腿膝关节固定；4：支撑腿在脚跟接触地至COP切换期间，踝关节保持固定；5：COP切换瞬间，摆动腿踝关节中心点与机器人质心连线与地面垂直；6：摆动腿在蹬地瞬间，踝关节阶跃响应，其后踝关节固定，直至COP切换完成；对于摆动腿，由约束2，膝关节转动轴中心点与脚跟连线与地面垂直，得如下方程：L3sinβ0＝(lstep-lfoot)λm对于摆动腿，列出如下方程：触地瞬间，机器人质心在支撑腿与摆动腿坐标系的高度是相同的，列出如下方程：COP切换瞬间的支撑腿，有如下方程：由约束3，支撑腿膝关节固定，约束4，支撑腿COP切换前踝关节固定，得：γ0＝γ1通过以上8个方程，可以得到α0，φ0，σ0，β0，γ0，γ1这8个角度，由COP切换瞬间的摆动腿，有如下方程：踝关节自初始蹬第后保持不变，得：通过上述三个方程，得到α1，φ1，这三个角度，得到完整步行周期各关节在起始、COP切换、结束时的角度。COP切换前和COP切换后所获得的各关节轨迹都是基于支撑腿关节相对于竖直方向上的角度，在机器人躯干安装姿态传感器，测量躯干的俯仰角，机器人躯干后倾时为负，机器人躯干前倾时为正，求得机器人实际过程中倾斜程度变量S，其中：θ1＝θ1e-εθ1为支撑髋与竖直方向的角度，实际步行过程中，通过躯干俯仰角对髋关节编码器测得角度进行修正，得到支撑髋与竖直方向角度，同时，求得θ1即为机器人实际步行过程中支撑髋的期望轨迹，当以左腿支撑腿时可得：θ2＝θ2e-εθi＝θi(s),i＝1,3,4,5,6θ1e为机器人支撑腿髋关节编码器测得的角度，ε为安装在髋平台的姿态传感器测得的躯干的俯仰角。双足机器人的控制系统架构是通过控制界面向PC机发送控制的指令，经过机器的控制程序产生所需的模拟电压，通过模数转化输出机器人所需要的给定电压，通过驱动电路以及功率放大电路来驱动相应的液压缸，并转化成双足机器人本身的运动过程。本专利技术的有益技术效果：本专利技术提供的基于惯性导航系统的双足机器人步态稳定性控制方法，用于避免现有技术的不足之处而提出一种简化控制流程和提高行走速度，涉及到的液压双足机器人，包括躯干、大腿和小腿，躯干和大腿之间以及大腿和小腿之间分均采用液压缸控制，通过液压缸轴的伸长量来控制各关节及腿部运动，机器人躯干内设置惯性导航系统，其水平放置与机器人躯干的腰部，用于采集机器人的姿态数据，通过其反馈的数据调整机器人的姿态，是机器人的上身保持正直，确保机器人步态稳定性，防止机器人跌倒；本专利技术提出一种新的基于躯干姿态信息的位置控制策略，其中躯干姿态信息包括：俯仰角、横滚角以及航向角；机器人实际运动过程需要各个关节的配合运动，从而实现机器人的可靠、仿人的步行；首先通过一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于惯性导航系统的双足机器人步态稳定性控制方法，其特征在于，双足机器人为液压双足机器人，包括躯干、大腿和小腿，躯干和大腿之间以及大腿和小腿之间分均采用液压缸控制，通过液压缸轴的伸长量来控制各关节及腿部运动，机器人躯干内设置惯性导航系统，其水平放置与机器人躯干的腰部，用于采集机器人的姿态数据，通过其反馈的数据调整机器人的姿态，是机器人的上身保持正直，确保机器人步态稳定性，防止机器人跌倒，双足机器人步态稳定性控制方法是基于躯干姿态信息的位置控制策略，躯干姿态信息包括：俯仰角、横滚角以及航向角。

【技术特征摘要】
1.一种基于惯性导航系统的双足机器人步态稳定性控制方法，其特征在于，双足机器人为液压双足机器人，包括躯干、大腿和小腿，躯干和大腿之间以及大腿和小腿之间分均采用液压缸控制，通过液压缸轴的伸长量来控制各关节及腿部运动，机器人躯干内设置惯性导航系统，其水平放置与机器人躯干的腰部，用于采集机器人的姿态数据，通过其反馈的数据调整机器人的姿态，是机器人的上身保持正直，确保机器人步态稳定性，防止机器人跌倒，双足机器人步态稳定性控制方法是基于躯干姿态信息的位置控制策略，躯干姿态信息包括：俯仰角、横滚角以及航向角。2.如权利要求1所述的一种基于惯性导航系统的双足机器人步态稳定性控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：通过一些约束条件生成了完整的步行周期中起始、COP切换、结束的机器人姿态；步骤2：通过三次样条插值法生成了各关节相对于支撑腿髋关节的参考轨迹；步骤3：针对实际步行过程中的倾斜问题提出了基于姿态传感器的控制方法。3.如权利要求2所述的一种基于惯性导航系统的双足机器人步态稳定性控制方法，其特征在于，基于躯干俯仰角的稳定性控制包括如下步骤：双足机器人足部相对于固定坐标系的相对运动决定了双足机器人躯干姿态的变化；当双足机器人在运动过程中将要往后失去稳定的时候，机器人躯干的俯仰角是负的为防止双足机器人继续完后运动的趋势，包括：使双足机器人脚底后侧减少一定的高度，即双足机器人足端绕其踝关节的坐标系进行逆时针旋转；使双足机器人足端在运动过程中相对本机器人的固定坐标系的运动距离加大。4.如权利要求3所述的一种基于惯性导航系统的双足机器人步态稳定性控制方法，其特征在于，当双足机器人在运动过程中将要往前失去稳定的时候，机器人躯干的俯仰角是正的，为了防止双足机器人继续往前运动的趋势，包括：使双足机器人脚底前侧减少一定的高度，即双足机器人足端绕其踝关节的坐标系进行顺时针旋转；使双足机器人足端在运动过程中相对于本机器人的固定坐标系的运动距离减小。5.如权利要求2所述的一种基于惯性导航系统的双足机器人步态稳定性控制方法，其特征在于，基于躯干横滚角的稳定性控制，包括如下步骤：在双足机器人步行运动的起步阶段，双足机器人左右两腿的抬高高度逐步增加，两腿落地时候受到地面的冲击力也不同，这样会使得双足机器人躯干的横滚角的变化范围比较大，因此在此阶段并不采用基于横滚角的稳定性控制策略；在双足步行阶段，双足机器人稳定运动时，躯干的横滚角及横滚角速度是一定的副值范围内进行周期性的趋势运动；当双足机器人失去稳定，则躯干的横滚角及其横滚角速度在副值以及波动周期都会发生明显的变化；在双足机器人步行阶段可以根据躯干横滚角和横滚角速度的副值的变化来相应的改变双足机器人两腿的高度，以此来维持稳定步行运动。6.如权利要求2所述的一种基于惯性导航系统的双足机器人步态稳定性控制方法，其特征在于，位置控制策略包括：踝策略、髋策略、跨步策略以及安全倒策略；踝策略，外部扰动后，身体的质心投影位置COM依然在脚掌范围内，则通过扭动脚掌踝关节将身体控制回原位；髋策略，当COM超过脚掌范围，则通过髋关节的作用，身体的扭动将身体拉回原位；跨步策略，当扰动过大超过髋关节策略的应对范围，则通过迈步的方式在下一步把身体的运动状态控制回来；安全倒策略，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李曙光，严启凡，马冬，
申请(专利权)人：江苏集萃智能制造技术研究所有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32