一种主被动结合的双足机器人在线落脚点生成与调节方法技术

本发明专利技术公开了一种主被动结合的双足机器人在线落脚点生成与调节方法，包括：确定规划零力矩点轨迹和规划质心轨迹设计虚拟倒立摆质心跟踪控制器，控制期望零力矩点轨迹使机器人的期望质心轨迹跟踪根据实际零力矩点位置和计算外部作用力，并将其作用在虚拟倒立摆上进行状态更新；根据估计未来两步内的估计质心轨迹由以及规划落脚点位置优化期望落脚点位置通过在线踝轨迹跟踪控制，使机器人的期望踝部位置跟随基于和计算期望关节角度，并作用于双足机器人。本发明专利技术在保障计算实时性的同时产生较大、较灵活的落脚点调节效果，实现更好的扰动抑制和平衡恢复。好的扰动抑制和平衡恢复。好的扰动抑制和平衡恢复。

【技术实现步骤摘要】
一种主被动结合的双足机器人在线落脚点生成与调节方法


[0001]本专利技术属于双足机器人
，具体涉及一种主被动结合的双足机器人在线落脚点生成与调节方法。

技术介绍

[0002]为了使机器人能稳定的行走，需要提供稳定的落脚点序列(p)和质心运动轨迹(CoM)，并通过各种控制手段使机器人在外部扰动下可以保持平衡。早期的轨迹规划方法基于模板模型，极大地减小了计算量，能够实现稳定轨迹的离线生成，但当机器人遇到外部扰动时，需要额外的控制手段来调节落脚点，这类方法可被称作离线轨迹生成加在线控制。随着控制技术和计算机技术的发展，涌现了大量基于机器人全身运动控制和在线落脚点生成的控制手段，这类方法可被称为在线轨迹生成。另外，为了使机器人能更好地吸收外部扰动，减小平衡控制的负担，针对双足机器人的柔顺控制手段也至关重要。
[0003]现有方法中的离线轨迹规划加在线控制的手段在应对大冲击扰动时的平衡调节能力不足，这是由于由这种方法产生的运动始终围绕原有轨迹运行，无法产生较大的调节量，在应对大冲击时的落脚调节量小，且不灵活；现有方法中的基于全身运动控制的在线落脚点规划方法仅适用于力矩控制机器人，不适用于位置控制机器人，使用范围受限，这是由于这类方法在调节落脚点时质心的期望轨迹会发生跳变，位控机器人无法承受；现有方法中的驱赶柔顺控制对吸收外力冲击、提高机器人稳定性有显著效果，但未与各种落脚点控制算法统一、融合，因此由其产生的柔顺调节量会影响落脚点控制效果。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中存在不足，本专利技术提供了一种主被动结合的双足机器人在线落脚点生成与调节方法，使机器人在应对外部冲击扰动时能通过躯干柔顺响应吸收部分扰动，同时可在线更新落脚点位置，保障计算实时性的同时产生较大、较灵活的落脚点调节效果，实现更好的扰动抑制和平衡恢复。
[0005]本专利技术是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
[0006]一种主被动结合的双足机器人在线落脚点生成与调节方法：
[0007]进行步态设置，确定规划零力矩点轨迹P
zPG
和规划质心轨迹P
cPG
；
[0008]设计虚拟倒立摆质心跟踪控制器，控制期望零力矩点轨迹P
zref
，使机器人的期望质心轨迹P
cref
跟踪规划质心轨迹P
cPG
；根据实际零力矩点位置P
zsen
和期望零力矩点轨迹P
zref
，计算外部作用力，并将其作用在虚拟倒立摆上进行状态更新；
[0009]根据期望质心轨迹P
cref
估计未来两步内的估计质心轨迹P
cest
；
[0010]由估计质心轨迹P
cest
、规划质心轨迹P
cPG
以及规划落脚点位置优化期望落脚点位置通过在线踝轨迹跟踪控制，使机器人的期望踝部位置跟随期望落脚点位置
[0011]利用逆运动学，基于期望踝部位置和期望质心轨迹P
cref
计算期望关节角度q
cmd
，并作用于双足机器人。
[0012]进一步的技术方案，所述虚拟倒立摆质心跟踪控制器为：
[0013][0014]其中：P
zref
是虚拟倒立摆的零力矩点，K
cp
为反馈系数，ω为虚拟倒立摆固有频率，为期望质心速度，为规划质心速度。
[0015]更进一步的技术方案，虚拟倒立摆进行状态更新的公式为：
[0016][0017]其中：为期望质心加速度。
[0018]更进一步的技术方案，所述估计质心轨迹P
cest
具体是以质心状态为初始状态，以P
Step
为落脚点估计未来两步内的质心状态，所述质心状态由下式代入本步剩余时间T
span
计算得到：
[0019][0020]其中：为t时刻的期望质心轨迹，为本步规划零力矩点位置，为当前时刻的规划质心初值，为当前时刻的期望质心初值，且：
[0021][0022][0023][0024][0025]进一步的技术方案，所述期望落脚点位置满足：
[0026][0027]其中：P
Step
为落脚点，Y表示运动发散分量，Y
PG
表示规划运动发散分量，W表示优化权重系数。
[0028]进一步的技术方案，所述规划零力矩点轨迹P
zPG
包括x方向的零力矩点轨迹与y方向的零力矩点轨迹且：
[0029][0030]本专利技术的有益效果为：
[0031](1)本专利技术的在线落脚点优化为机器人提供了主动平衡调节手段，虚拟倒立摆状态更新体现出的扰动顺应效果为机器人提供了被动平衡调节手段，采用主被动结合的落脚点调节控制，将落脚点控制与躯干柔顺控制统一，能抵抗更大的外部扰动，平衡调节效果更好；
[0032](2)本专利技术引入虚拟倒立摆，将落脚点控制和躯干柔顺控制结合，在调节落脚点时不产生质心轨迹跳变，能在位置控制的机器人上实现在线落脚点规划与调节算法，调节灵活，兼顾实时性与灵活性。
附图说明
[0033]图1为本专利技术所述主被动结合的双足机器人在线落脚点生成与调节方法框图。
具体实施方式
[0034]下面结合附图以及具体实施例对本专利技术作进一步的说明，但本专利技术的保护范围并不限于此。
[0035]如图1所示，本专利技术一种主被动结合的双足机器人在线落脚点生成与调节方法，包括：
[0036](1)根据上层指令进行步态设置，得到规划落脚点位置优化获取期望落脚点位置进而得到规划零力矩点(ZMP)轨迹P
zPG
、规划质心(CoM)轨迹P
cPG
；其中上层指令为用户设置的参数，包括迈步的周期、步宽和步长；
[0037]机器人通过左脚与右脚的交替支撑实现行走，左脚支撑时需要将ZMP规划到机器人左脚的踝部正下方，右脚支撑时需要将ZMP规划到机器人右脚踝部正下方，据此，利用向量运算的方式可以简便快捷地规划左右脚交替支撑的ZMP轨迹；定义向量：
[0038]V
s
＝[1 1 ... 1]T
∈R
n
ꢀꢀꢀ
(1)
[0039]其中，其中，是当前步的迈步时长，T
c
是机器人的控制周期；
[0040]随后，设定期望落脚点位置未来的ZMP轨迹可通过下式计算得到：
[0041][0042]其中，N
sp
为支撑信号：1代表左脚支撑，
‑
1代表右脚支撑，L
s,wid
为迈步的长度，L
s,len
为迈步的宽度；由此，前N步的x方向的ZMP轨迹与y方向的ZMP轨迹可表示为：
[0043][0044]随后，基于和通过预观控制等在线质心生成方法计算得到前N步的规划质心轨迹(具体计算过程为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种主被动结合的双足机器人在线落脚点生成与调节方法，其特征在于：进行步态设置，确定规划零力矩点轨迹和规划质心轨迹设计虚拟倒立摆质心跟踪控制器，控制期望零力矩点轨迹使机器人的期望质心轨迹跟踪规划质心轨迹根据实际零力矩点位置和期望零力矩点轨迹计算外部作用力，并将其作用在虚拟倒立摆上进行状态更新；根据期望质心轨迹估计未来两步内的估计质心轨迹由估计质心轨迹规划质心轨迹以及规划落脚点位置优化期望落脚点位置通过在线踝轨迹跟踪控制，使机器人的期望踝部位置跟随期望落脚点位置利用逆运动学，基于期望踝部位置和期望质心轨迹计算期望关节角度q
cmd
，并作用于双足机器人。2.根据权利要求1所述的主被动结合的双足机器人在线落脚点生成与调节方法，其特征在于，所述虚拟倒立摆质心跟踪控制器为：其中：是虚拟倒立摆的零力矩点，K
cp
为反馈系数，ω为虚拟倒立摆固有频率，为期望质心速度，为规划质心速度。3.根据权利要求2所述的主被动结合的双足机器人在线落脚点生成与调节方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：董宸呈，陈学超，余张国，陈焕钟，李庆庆，黄强，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：