一种基于磁流变液脚底板的双足机器人稳定行走控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于磁流变液脚底板的双足机器人稳定行走控制方法。控制器由机器人迈步时间确定机器人处于单脚支撑期还是双脚支撑期；工控机向支撑腿脚板上的线圈绕组发送强电流控制信号，在脚板内形成强磁场；由于脚板内部装有磁流变液体，磁流变液体在强磁场环境下呈现出宾汉体特性，使得支撑腿的脚板在遇到障碍物时保持稳定；对机器人进行姿态调整，实现机器人的稳定行走。本发明专利技术可以很大程度上减小脚板与地面碰撞时产生的冲击，使得双足机器人能够适应不平整地面，实现稳定行走控制。

A stable walking control method of Biped Robot Based on Magnetorheological foot plate

【技术实现步骤摘要】
一种基于磁流变液脚底板的双足机器人稳定行走控制方法
本专利技术属于双足机器人行走控制
，具体涉及一种基于磁流变液脚底板的双足机器人稳定行走控制方法。
技术介绍
双足机器人能够在非结构化环境中实现稳定行走，是双足机器人走向实际应用的重要前提。目前双足机器人不平整地面行走控制大多是对机器人的运动关节进行控制，通过使用导纳控制等方法使机器人的踝关节等关节具有一定的柔顺性，从而使得机器人行走在不平整地面时，能够降低机器人脚底板与地面之间的冲击，实现稳定行走。关节柔顺控制方法中默认机器人的脚底板是刚性的，只有俯仰与翻滚方向的运动，其主要跟随机器人踝关节的运动。现有方法大多从不改变机器人自身结构特点的角度出发，对机器人的驱动关节进行控制，使机器人自身展现出一定的柔顺性。由于目前的双足机器人在关节控制方面大多采用位置控制，所谓位置控制就是针对机器人的行走状态对机器人的运动路径进行规划，使之作为目标位置，让机器人的运动进行跟随，给电机一个确定的转动位置，电机能够对该目标位置进行准确的跟随。在机器人行走过程中，刚性的脚板在摆动腿与地面接触时具有很强的刚性冲击，缓慢运动时，冲击力还不至于会影响机器人的运动平衡；但在机器人快速运动时，刚性冲击则需要进行重点分析，因为刚性冲击太强的话会使机器人的运动平衡受到破坏，严重时可能导致机器人发生侧翻、摔倒。另外，特别是当机器人的摆动脚落在具有凸起障碍物的地面时，脚板与地面之间的瞬时冲击更大，更容易发生不平衡现象。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的问题，本专利技术提供了一种基于磁流变液脚底板的双足机器人稳定行走控制方法，增加脚板与地面之间的缓冲，减小两者之间的瞬时冲击，使得机器人稳定行走。一种基于磁流变液脚底板的双足机器人稳定行走控制方法，若机器人迈步时间0≤t_step＜T且单脚受力为0，则机器人处于单脚支撑期，单支撑腿脚板上的线圈绕组接收强电流控制信号；若机器人的迈步时间t_step≥T，则机器人处于双脚支撑期，双支撑腿脚板上的线圈绕组接收强电流控制信号；支撑腿脚板上的线圈绕组接收强电流控制信号后，在脚板内形成强磁场，使得支撑腿的脚板稳定；对机器人进行姿态调整，实现机器人的稳定行走；其中T为机器人迈一步的步行周期。进一步地，所述线圈绕组对称设置在脚板上侧面，线圈绕组与电流驱动器连接，电流驱动器与工控机信号连接。进一步地，所述脚板底部采用可变性柔性材料，其余部分采用刚性材料。进一步地，所述脚板内部装有磁流变液体。进一步地，所述单脚支撑期和双脚支撑期由设置在脚板与小腿之间六维力/力矩传感器采集的数据判断的。进一步地，所述六维力/力矩传感器采集的数据还可以判断出机器人处于静止状态。进一步地，所述机器人处于静止状态时，控制器向工控机发送初始电流控制信号S0，工控机向电流驱动器发送电流i0，双脚的线圈绕组输出电流I0，使机器人进入准备阶段。进一步地，所述迈步时间由控制器对机器人迈一步的时间累加得到。本专利技术的有益效果为：(1)本专利技术从双足机器人的自身结构特性出发，对机器人广泛使用的刚性脚底板进行改进，在机器人脚掌内填充一种可控流体-磁流变液，使机器人能够在不平整地面行走时通过控制流经磁流变液体的电流使机器人展现出一定的柔性，可以很大程度上减小脚底板与地面碰撞时产生的脉冲冲击，从而使双足机器人能够适应不平整地面，实现稳定行走控制。(2)本专利技术在跟随运动的基础上将机器人的脚板作为直接的被控对象，在机器人的脚板内填充磁流变液并设置线圈绕组，通过监测机器人的迈步时间控制流经绕组的电流，进而设置强磁场或弱磁场，以此改变磁流变液的物理状态，适应机器人的行走特点，使双足机器人在不平整地面行走时能够降低脚板与地面的瞬时冲击，进而适应不平整环境，实现稳定行走。而绕组电流的控制是在监测机器人迈步时间的基础上，通过与机器人预设的迈步周期相比较，进而判断机器人处于单脚支撑期还是双脚支撑期，对摆动腿和支撑腿的电流进行控制。附图说明图1为双足机器人脚板结构示意图；图2为摆动脚一个迈步周期运动示意图，图2(a)为摆动脚迈步过程分解示意图，图2(b)为摆动脚迈步过程侧视图；图3为双脚电流控制流程图。具体实施方式下面将结合附图，对本专利技术的技术方案作进一步的说明，但是本专利技术的保护范围并不限于此。磁流变液是一种可控流体，由高磁导率μ、低磁滞性的微小软磁性颗粒和非导磁性液体混合而成的悬浮体。磁流变液在零磁场或较弱磁场条件下呈现出低粘度的牛顿流体特性；而在强磁场作用下，则呈现出高粘度、低流动性的宾汉体特性。现有双足机器人大多采用刚性脚底板，而且面积较大，主要的目的是当机器人行走过程中，可以保证机器人的ZMP(ZeroMomentPoint，零力矩点)始终保持在脚板与地面的接触多边形内，且机器人的脚板不发生旋转，这是双足机器人的ZMP稳定性判据。如图1所示，本专利技术的双足机器人的脚板结构示意图，脚板与小腿之间连接六维力/力矩传感器，通过六维力/力矩传感器测得的各个方向的力和力矩，判断机器人的运动状态，从而控制支撑腿脚板内的磁场强度，使支撑腿稳定；再计算支撑腿的ZMP轨迹，对机器人的姿态进行调节，使机器人稳定行走。ZMP轨迹的求解过程，具体为：六维力/力矩传感器测得的值为地面作用力F＝[fx,fy,fz]T及相应的力矩为τ＝[τx,τy,0]T，当传感器的测量中心处于参考坐标系的z轴上时，单足的ZMP位置由如下公式求得：px＝(-τy-fxd)/fzpy＝(τx-fyd)/fz其中p＝[px,py,pz]为单足ZMP位置，d为传感器中心与坐标系原点的距离。由单足的ZMP位置，求出双足ZMP位置：其中p'＝[px',py',pz']为双足ZMP位置，fL＝[fLx,fLy,fLz]T，fR＝[fRx,fRy,fRz]T为左、右腿的脚板地面作用力，pL＝[pLx,pLy,pLz]T，pR＝[pRx,pRy,pRz]T为左、右腿的ZMP位置。图1中，脚板整体结构为长方体状，底部采用可变性柔性材料，其余部分采用刚性材料，脚板内部装有磁流变液体，脚板上设有线圈绕组，通过控制流经线圈绕组的电流，使得机器人的脚板内部呈现不同的磁场环境，进而满足磁流变液体物理形态变化的要求，即在零磁场或磁场较弱的环境下，磁流变液呈低粘度的牛顿流体特性；而在强磁场环境下，磁流变液呈高粘度、低流动性的宾汉体特性。脚板底部的柔性材料的主要作用是在机器人的脚板与不平整地面接触时产生形变，减小脚板与底面之间的冲击力，使机器人的双足比较柔顺地与不平整地面相接触。线圈绕组成对且对称设置在脚板上侧面，这既考虑了质量分布的均匀性，同时也兼顾了磁场强度分布；线圈绕组与电流驱动器连接，电流驱动器与工控机信号连接。线圈绕组中的电流控制主要包括以下步骤：首先，控制器通过接收六维力/力矩传感器的信号，判断机器人所处状态(静止或运动状态，运动状态包括单脚支撑期和双脚本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于磁流变液脚底板的双足机器人稳定行走控制方法，其特征在于：若机器人迈步时间0≤t_step＜T且单脚受力为0，则机器人处于单脚支撑期，单支撑腿脚板上的线圈绕组接收强电流控制信号；若机器人的迈步时间t_step≥T，则机器人处于双脚支撑期，双支撑腿脚板上的线圈绕组接收强电流控制信号；支撑腿脚板上的线圈绕组接收强电流控制信号后，在脚板内形成强磁场，使得支撑腿的脚板稳定；对机器人进行姿态调整，实现机器人的稳定行走；其中T为机器人迈一步的步行周期。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于磁流变液脚底板的双足机器人稳定行走控制方法，其特征在于：若机器人迈步时间0≤t_step＜T且单脚受力为0，则机器人处于单脚支撑期，单支撑腿脚板上的线圈绕组接收强电流控制信号；若机器人的迈步时间t_step≥T，则机器人处于双脚支撑期，双支撑腿脚板上的线圈绕组接收强电流控制信号；支撑腿脚板上的线圈绕组接收强电流控制信号后，在脚板内形成强磁场，使得支撑腿的脚板稳定；对机器人进行姿态调整，实现机器人的稳定行走；其中T为机器人迈一步的步行周期。


2.根据权利要求1基于磁流变液脚底板的双足机器人稳定行走控制方法，其特征在于：所述线圈绕组对称设置在脚板上侧面，线圈绕组与电流驱动器连接，电流驱动器与工控机信号连接。


3.根据权利要求1基于磁流变液脚底板的双足机器人稳定行走控制方法，其特征在于：所述脚板底部采用可变性柔性材料，其余部分采用刚性材料。


4.根据权利要求3...

【专利技术属性】
技术研发人员：余张国，孟祥，陈学超，黄强，孟立波，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11