一种双足机器人直立平衡的踝关节仿生控制方法及控制模块技术

一种双足机器人直立平衡的踝关节仿生控制方法及控制模块，涉及到双足机器人平衡控制领域，其依据双足机器人某时刻的踝关节角度θ

【技术实现步骤摘要】
一种双足机器人直立平衡的踝关节仿生控制方法及控制模块


[0001]本专利技术涉及到双足机器人的平衡控制领域，具体的说是一种双足机器人直立平衡的踝关节仿生控制方法及控制模块。

技术介绍

[0002]双足机器人作为典型的智能机器人，已广泛应用于军事训练、工业制造、医疗服务、交通运输等领域。机器人工作时，如何应对来自外界环境的干扰，动态调节保持自身直立平衡，是双足机器人运动控制的基本问题。因此，研究双足机器人直立平衡的踝关节控制方法，对提升双足机器人动态平衡能力具有重要的现实意义。
[0003]根据干扰程度的不同，双足机器人直立平衡控制可分为：踝关节控制策略、髋关节控制策略和跨步控制策略。在环境干扰较小时，双足机器人仅采用踝关节控制策略即可保持身体平衡。双足机器人直立平衡控制方法可归纳为：基于零力矩点的控制方法、基于动量平衡的控制方法和基于智能控制理论的控制方法。
[0004]基于零力矩点的控制方法通过实时计算双足机器人的零力矩点，根据设定的控制律实时调节关节力矩使得实际零力矩点跟随期望值，实现双足机器人直立平衡控制；
[0005]基于动量平衡的控制方法根据动量守恒定律，同时调节双足机器人的角动量和线动量完成直立平衡控制。
[0006]以上两种方法依赖准确的机器人动力学模型，同属于基于模型的控制方式。由于双足机器人结构复杂，具有系统非线性和结构多变性等特点，基于模型的控制方式很难提高其控制鲁棒性。而基于智能控制理论的控制方法依赖大量的试验数据，很难保证实际运行时的稳定性和实际抗扰性能的提升。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是提供一种双足机器人直立平衡的踝关节仿生控制方法及控制模块，从而解决了目前双足机器人控制方法过于依赖机器人和其所处环境的模型构建自适应性和鲁棒性差的问题。
[0008]本专利技术为实现上述技术目的所采用的技术方案为：一种双足机器人直立平衡的踝关节仿生控制方法，包括如下步骤：
[0009]1)获取双足机器人某时刻的踝关节角度θ
foot
、双足机器人质量中心的运动速度v
c
和加速度a
c
信息，并以此信息计算出双足机器人的背屈肌肉群激活量a1和跖屈肌肉群激活量a2；
[0010]2)依据步骤1)的背屈肌肉群激活量a1和跖屈肌肉群激活量a2，计算当前状态下的背屈肌肉群作用力F
m1
和跖屈肌肉群作用力F
m2
；
[0011]3)依据背屈肌肉群作用力F
m1
和跖屈肌肉群作用力F
m2
，计算得到当前状态下的踝关节期望作用力矩τ
q
；
[0012]4)踝关节驱动器动作产生步骤3)的踝关节期望作用力矩，以调节双足机器人的发
力动作使其保持直立平衡。
[0013]作为上述双足机器人直立平衡的踝关节仿生控制方法的一种优化方案，所述步骤1)中，计算双足机器人的背屈肌肉群激活量a1和跖屈肌肉群激活量a2是通过虚拟肌肉分层激活模型实现的，所述虚拟肌肉分层激活模型包括姿态补偿通道、肌肉牵张反射通道和激活分量融合单元，其中，双足机器人质量中心的运动速度v
c
和加速度a
c
信息输入姿态补偿通道中，与姿态信号延迟时间λ一并经增益模型II运算处理得到姿态补偿肌肉激活分量a
a
；所述双足机器人踝关节角度θ
foot
输入肌肉牵张反射通道中，与肌肉牵张反射延迟时间δ一并经增益模型Ⅰ运算处理得到肌肉牵张反射激活分量a
l
；所述激活分量融合单元中，分别为姿态补偿肌肉激活分量a
a
和肌肉牵张反射激活分量a
l
赋予时变权重II和时变权重Ⅰ后，融合得到踝关节肌肉激活量a。
[0014]作为上述双足机器人直立平衡的踝关节仿生控制方法的另一种优化方案，所述姿态补偿通道中，运算处理得到姿态补偿肌肉激活分量a
a
的公式为
[0015]a
a
(t)＝k
p
v
c
(t
‑
λ)+k
d
a
c
(t
‑
λ)
ꢀꢀ
(1)
[0016]式中，k
p
和k
d
分别为双足机器人在t时刻的质量中心运动速度v
c
和加速度a
c
的增益参数，k
p
为0.2
‑
1.5，k
d
为0.01
‑
0.3；λ为姿态信号延迟时间，取值为100
‑
250ms。
[0017]作为上述双足机器人直立平衡的踝关节仿生控制方法的另一种优化方案，所述肌肉牵张反射通道中，运算处理得到肌肉牵张反射激活分量a
l
的公式为
[0018]a
l
(t)＝p
l
Δl
m
(t
‑
δ)+d
v
v
m
(t
‑
δ)
ꢀꢀ
(2)
[0019]式(2)中，l
m
为双足机器人虚拟肌肉肌纤维长度，其计算公式为
[0020]l
m
＝K(θ
foot
‑
θ
max
)+C
ꢀꢀ
(3)
[0021]式(3)中，K和C均为常数：K＝r
f
ρ，C＝K sin(θ
opt
‑
θ
max
)+l
opt
，r
f
为踝关节相关肌肉的作用半径，ρ为肌肉肌纤维的羽化角，l
opt
为肌肉输出最大作用力时的肌纤维长度，θ
opt
为肌肉输出最大作用力时的踝关节角度，θ
max
为肌肉作用力臂达到最大时的踝关节角度值；
[0022]v
m
为双足机器人虚拟肌肉肌纤维伸缩速率，其计算公式为
[0023][0024]式(4)中，K与式(3)中的K相同，为踝关节角速度；
[0025]式(2)中，Δl
m
为肌纤维长度变化量，其计算公式为Δl
m
＝l
m
‑
l0，l0为平衡时的虚拟肌肉肌纤维长度；
[0026]式(2)中，p
l
为肌纤维长度变化量，其取值范围为0.01
‑
0.08；d
v
为肌纤维伸缩速率的增益参数，其取值范围为0.001
‑
0.008。
[0027]作为上述双足机器人直立平衡的踝关节仿生控制方法的另一种优化方案，所述激活分量融合单元，融合得到踝关节肌肉激活量a的具体操作为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双足机器人直立平衡的踝关节仿生控制方法，其特征在于，包括如下步骤：1)获取双足机器人某时刻的踝关节角度θ
foot
、双足机器人质量中心的运动速度v
c
和加速度a
c
信息，并以此信息计算出双足机器人的背屈肌肉群激活量a1和跖屈肌肉群激活量a2；2)依据步骤1)的背屈肌肉群激活量a1和跖屈肌肉群激活量a2，计算当前状态下的背屈肌肉群作用力F
m1
和跖屈肌肉群作用力F
m2
；3)依据背屈肌肉群作用力F
m1
和跖屈肌肉群作用力F
m2
，计算得到当前状态下的踝关节期望作用力矩τ
q
；4)踝关节驱动器动作产生步骤3)的踝关节期望作用力矩，以调节双足机器人的发力动作使其保持直立平衡。2.根据权利要求1所述的一种双足机器人直立平衡的踝关节仿生控制方法，其特征在于，所述步骤1)中，计算双足机器人的背屈肌肉群激活量a1和跖屈肌肉群激活量a2是通过虚拟肌肉分层激活模型实现的，所述虚拟肌肉分层激活模型包括姿态补偿通道、肌肉牵张反射通道和激活分量融合单元，其中，双足机器人质量中心的运动速度v
c
和加速度a
c
信息输入姿态补偿通道中，与姿态信号延迟时间λ一并经增益模型II运算处理得到姿态补偿肌肉激活分量a
a
；所述双足机器人踝关节角度θ
foot
输入肌肉牵张反射通道中，与肌肉牵张反射延迟时间δ一并经增益模型Ⅰ运算处理得到肌肉牵张反射激活分量a
l
；所述激活分量融合单元中，分别为姿态补偿肌肉激活分量a
a
和肌肉牵张反射激活分量a
l
赋予时变权重II和时变权重Ⅰ后，融合得到踝关节肌肉激活量a。3.根据权利要求2所述的一种双足机器人直立平衡的踝关节仿生控制方法，其特征在于：所述姿态补偿通道中，运算处理得到姿态补偿肌肉激活分量a
a
的公式为a
a
(t)＝k
p
v
c
(t
‑
λ)+k
d
a
c
(t
‑
λ)
ꢀꢀꢀꢀ
(1)式中，k
p
和k
d
分别为双足机器人在t时刻的质量中心运动速度v
c
和加速度a
c
的增益参数，k
p
为0.2
‑
1.5，k
d
为0.01
‑
0.3；λ为姿态信号延迟时间，取值为100
‑
250ms。4.根据权利要求2所述的一种双足机器人直立平衡的踝关节仿生控制方法，其特征在于：所述肌肉牵张反射通道中，运算处理得到肌肉牵张反射激活分量a
l
的公式为a
l
(t)＝p
l
Δl
m
(t
‑
δ)+d
v
v
m
(t
‑
δ)
ꢀꢀꢀꢀ
(2)式(2)中，l
m
为双足机器人虚拟肌肉肌纤维长度，其计算公式为l
m
＝K(θ
foot
‑
θ
max
)+C
ꢀꢀꢀꢀ
(3)式(3)中，K和C均为常数：K＝r
f
ρ，C＝K sin(θ
opt
‑
θ
max
)+l
opt
，r
f
为踝关节相关肌肉的作用半径，ρ为肌肉肌纤维的羽化角，l
opt
为肌肉输出最大作用力时的肌纤维长度，θ
opt
为肌肉输出最大作用力时的踝关节角度，θ
max
为肌肉作用力臂达到最大时的踝关节角度值；v
m
为双足机器人虚拟肌肉肌纤维伸缩速率，其计算公式为式(4)中，K与式(3)中的K相同，为踝关节角速度)；式(2)中，Δl
m
为肌纤维长度变化量，其计算公式为Δl
m
＝l
m
‑
l0，l0平衡时的虚拟肌肉肌纤维...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹凯阳，薛亚许，赵换丽，金艳涛，马正森，李鹏飞，李宝增，代克杰，卞和营，张文叶，
申请(专利权)人：平顶山学院，
类型：发明
国别省市：