一种基于力位混合控制的仿人机器人倒地爬起控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于力位混合控制的仿人机器人倒地爬起控制方法。该机器人初始是处于俯卧，接收到爬起动作指令后，开始运动，各个关节的角度达到利用逆运动学计算得到的对应角度，随后向上身的各个关节分别施加力矩，随后使上身脱离地面；当足底力进入摩擦锥时，对下身进行从位控到力控的状态切换；状态切换到力控后，通过对脚踝进行PD控制以及对两脚的足底力之差进行线性二次调节，直到上身的pitch角度、roll角度和yaw角度均为0时，完成仿人机器人的蹲立状态的实现；随后由蹲立状态转换到最后的站立状态，过程中施加虚约束并通过位控完成起立，最后仿人机器人能稳定的站立。本发明专利技术采用了简化模型极大简化了起立的过程，设计了过渡姿势，很好的实现了机器人的起立动作。很好的实现了机器人的起立动作。很好的实现了机器人的起立动作。

【技术实现步骤摘要】
一种基于力位混合控制的仿人机器人倒地爬起控制方法


[0001]本专利技术涉及一种机器人控制方法，特别是一种基于力位混合控制的仿人机器人倒地爬起控制方法。

技术介绍

[0002]随着科技的发展，机器人作为提高生产效率、改善生活的工具，受到了人们越来越多的关注。近几年，波士顿动力的“阿特拉斯”和特斯拉的“擎天柱”在网络上大火，全世界的科技工作者的目光都重新聚焦到了仿人机器人身上。仿人机器人相较于传统的工业机械臂、轮式机器人等，因其类人的结构可以更好的适应复杂路面尤其是通过离散的地形，具有远超轮式以及履带式机器人的适应性。另外，我们所生活的场景大多是为人类而设计，而仿人机器人可以更好地融入到人类的生产生活中，为人们提供服务。
[0003]人类设计仿人机器人的目的是希望它能够帮助或者代替人类完成某项任务，但是由于环境的复杂性，当仿人机器人执行某项任务时，免不了发生摔倒的情况。因此为了提升仿人机器人的自主性和适应性，对于摔倒后的爬起方法的研究是很有必要的。
[0004]综合来看，现在对于仿人机器人倒地爬起的研究较少，并且已有的大部分方法都是针对于大减速比电机位控仿人的静态倒地爬起运动的规划，目前较为代表性的有：日本Kawada公司联合国家工业科技高级学院研制的HRP
‑
2仿人机器人、欧洲创新大学协会研制的iCub机器人、法国阿尔德巴兰机器人公司的NAO仿人机器人、德国人工智能研究中心的iStruct机器人、日本本田公司的Asimo机器人。
[0005]目前公开仿人机器人倒地爬起方法主要有以下几种：
[0006]Kanehiro F,Yoshimi T等提出了基于3D立体重构和基于变换腰的高度和质心补偿的步态生成器，实现在线调整步态运行参数而进行爬行的策略，并在HRP
‑
2上进行了实验验证。
[0007]Gay S,D
é
gallier S等提出以CPG为基础的运动控制器和基于人工势场的运动规划算法，同时运用了视觉跟踪和逆运动学解算器实现目标抵达任务。基于视觉反馈的闭环使仿人机器人在复杂环境中自主移动；基于势场规划的爬行步态，达到目标并避开障碍物。
[0008]Li C,Lowe R等提出基于四单元的中枢模式发生器的神经网络控制(利用了传感器反馈)来规划爬行策略。具体做法是首先在仿真平台下进行学习，然后将学习的结果输入物理NAO实体进行实验。最后，运用动态系统理论的运动学习方法得到了结论，从而模仿婴儿的爬行步态。
[0009]Kamioka T,Watabe T等在2015IROS上提出基于动态步态的双足与四肢转换运动规划。该运动先规划身体各个部位的关键姿态，再计算出身体各个部位的运动轨迹，最后基于倒立摆模型计算出ZMP和COG轨迹，完成所有规划动作。
[0010]但是以上所介绍的机器人主要是大减速比位控，以上的方法也都是针对于此种结构提出，无法迁移到小减速比的力控机器人上。尽管，针对力控仿人机器人倒地爬起并站立的功能在美国波士顿动力的PETMAN和ATLAS机器人上已经实现，但是相关的技术和理论，他
们都并未详细地公开。
[0011]目前已公开的相关专利：一种仿人机器人摔倒后的状态检测与站立规划方法(专利号：CN202211034551.0)和一种仿人机器人爬行轨迹规划及运动控制方法(专利号：CN202210948202.3)也都是针对于大减速比电机位控机器人在比较平整的地面上的倒地爬起的方案研究，并没有考虑地面的轻微不平整和力控方案，较高动态的小减速比力控机器人相对于这两项专利里的静态或准静态的机器人因其能实现较为快速的行走甚至是跳跃等运动并且具有对于各种地形的鲁棒性，正在受到越来越多的关注，本专利重点阐述了一种适用于高动态机器人的倒地爬起策略。

技术实现思路

[0012]本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种基于力位混合控制的仿人机器人倒地爬起控制方法。
[0013]本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于力位混合控制的仿人机器人倒地爬起控制方法，包括以下步骤：
[0014](1)使仿人机器人处于俯卧的初始姿态，随后通过电脑给仿人机器人发送爬起动作指令；
[0015](2)仿人机器人接收到爬起动作指令后，开始运动，各个关节的角度达到利用逆运动学计算得到的对应角度，此时仿人机器人处于俯卧过渡状态；
[0016](3)仿人机器人处于俯卧过渡状态后，向仿人机器人上身的各个关节分别施加力矩，随后使仿人机器人上身脱离地面；
[0017](4)当仿人机器人的足底力进入摩擦锥时，对仿人机器人的下身进行从位控到力控的状态切换；
[0018](5)状态切换到力控后，通过对仿人机器人的脚踝进行PD控制以及对仿人机器人的两脚的足底力之差进行线性二次调节，直到仿人机器人的上身的pitch角度、roll角度和yaw角度均为0时，完成仿人机器人的蹲立状态的实现；
[0019](6)随后由蹲立状态转换到最后的站立状态，过程中施加虚约束并通过位控完成起立，最后仿人机器人能稳定的站立。
[0020]进一步地，所述仿人机器人由躯干、下肢和上肢组成；所述躯干的质心为躯干质心；所述下肢包括髋关节、左腿和右腿，所述左腿通过髋关节与躯干连接，所述右腿通过髋关节与躯干连接；所述左腿包括左大腿连杆、左小腿连杆和左脚掌，所述左脚掌与左小腿连杆通过左踝关节连接，所述左小腿连杆与左大腿连杆通过左膝关节连接，所述左大腿连杆与髋关节通过左髋关节连接；所述右腿包括右大腿连杆、右小腿连杆和右脚掌，所述右脚掌与右小腿连杆通过右踝关节连接，所述右小腿连杆与右大腿连杆通过右膝关节连接，所述右大腿连杆与髋关节通过右髋关节连接；所述上肢包括左手臂和右手臂；所述左手臂包括左大臂连杆、左小臂连杆和左手，所述左手与左小臂连杆连接，所述左小臂连杆与左大臂连杆通过左肘关节连接，所述左大臂连杆与躯干通过左肩关节连接；所述右手臂包括右大臂连杆、右小臂连杆和右手，所述右手与右小臂连杆连接，所述右小臂连杆与右大臂连杆通过右肘关节连接，所述右大臂连杆与躯干通过右肩关节连接；所述躯干中装有惯性测量单元；所述左脚掌和右脚掌分别装有力传感器；所述左肩关节、右肩关节、左肘关节、右肘关节、左
髋关节、右髋关节、左膝关节、右膝关节、左踝关节和右踝关节分别装有光栅编码器。
[0021]进一步地，所述步骤(1)具体为：
[0022]在倒地爬起开始前，通过位控使仿人机器人趴在地面上处于俯卧的初始姿态，随后通过电脑给仿人机器人发送爬起动作指令；所述俯卧的初始姿态为：躯干平行于地面，左大臂连杆和右大臂连杆均平行并躯干，左大臂连杆和左小臂连杆之间的夹角θ1以及右大臂连杆和右小臂连杆之间的夹角θ2相同且小于90
°
，右手和左手均接触地面，左大腿连杆和左小腿连杆之间的夹角θ3以及右大腿连杆和右小腿连杆之间的夹角θ4相同且小于180
°
，左膝关节和右膝关节均接触地面。
[0023]进一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于力位混合控制的仿人机器人倒地爬起控制方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)使仿人机器人处于俯卧的初始姿态，随后通过电脑给仿人机器人发送爬起动作指令；(2)仿人机器人接收到爬起动作指令后，开始运动，各个关节的角度达到利用逆运动学计算得到的对应角度，此时仿人机器人处于俯卧过渡状态；(3)仿人机器人处于俯卧过渡状态后，向仿人机器人上身的各个关节分别施加力矩，随后使仿人机器人上身脱离地面；(4)当仿人机器人的足底力进入摩擦锥时，对仿人机器人的下身进行从位控到力控的状态切换；(5)状态切换到力控后，通过对仿人机器人的脚踝进行PD控制以及对仿人机器人的两脚的足底力之差进行线性二次调节，直到仿人机器人的上身的pitch角度、roll角度和yaw角度均为0时，完成仿人机器人的蹲立状态的实现；(6)随后由蹲立状态转换到最后的站立状态，过程中施加虚约束并通过位控完成起立，最后仿人机器人能稳定的站立。2.根据权利要求1所述的一种基于力位混合控制的仿人机器人倒地爬起控制方法，其特征在于，所述仿人机器人由躯干(1)、下肢和上肢组成；所述躯干(1)的质心为躯干质心(25)；所述下肢包括髋关节(2)、左腿和右腿，所述左腿通过髋关节(2)与躯干(1)连接，所述右腿通过髋关节(2)与躯干(1)连接；所述左腿包括左大腿连杆(3)、左小腿连杆(4)和左脚掌(5)，所述左脚掌(5)与左小腿连杆(4)通过左踝关节(22)连接，所述左小腿连杆(4)与左大腿连杆(3)通过左膝关节(21)连接，所述左大腿连杆(3)与髋关节(2)通过左髋关节(20)连接；所述右腿包括右大腿连杆(6)、右小腿连杆(7)和右脚掌(8)，所述右脚掌(8)与右小腿连杆(7)通过右踝关节(19)连接，所述右小腿连杆(7)与右大腿连杆(6)通过右膝关节(18)连接，所述右大腿连杆(6)与髋关节(2)通过右髋关节(17)连接；所述上肢包括左手臂和右手臂；所述左手臂包括左大臂连杆(9)、左小臂连杆(10)和左手(24)，所述左手(24)与左小臂连杆(10)连接，所述左小臂连杆(10)与左大臂连杆(9)通过左肘关节(16)连接，所述左大臂连杆(9)与躯干(1)通过左肩关节(15)连接；所述右手臂包括右大臂连杆(11)、右小臂连杆(12)和右手(23)，所述右手(23)与右小臂连杆(12)连接，所述右小臂连杆(12)与右大臂连杆(11)通过右肘关节(14)连接，所述右大臂连杆(11)与躯干(1)通过右肩关节(13)连接；所述躯干(1)中装有惯性测量单元；所述左脚掌(5)和右脚掌(8)分别装有力传感器；所述左肩关节(15)、右肩关节(13)、左肘关节(16)、右肘关节(14)、左髋关节(20)、右髋关节(17)、左膝关节(21)、右膝关节(18)、左踝关节(22)和右踝关节(19)分别装有光栅编码器。3.根据权利要求2所述的一种基于力位混合控制的仿人机器人倒地爬起控制方法，其特征在于，所述步骤(1)具体为：在倒地爬起开始前，通过位控使仿人机器人趴在地面上处于俯卧的初始姿态，随后通过电脑给仿人机器人发送爬起动作指令；所述俯卧的初始姿态为：躯干(1)平行于地面，左大臂连杆(9)和右大臂连杆(11)均平行并躯干(1)，左大臂连杆(9)和左小臂连杆(10)之间的夹角θ1以及右大臂连杆(11)和右小臂连杆(12)之间的夹角θ2相同且小于90
°
，右手(23)和左手(24)均接触地面，左大腿连杆(3)和左小腿连杆(4)之间的夹角θ3以及右大腿连杆
(6)和右小腿连杆(7)之间的夹角θ4相同且小于180
°
，左膝关节(21)和右膝关节(18)均接触地面。4.根据权利要求1所述的一种基于力位混合控制的仿人机器人倒地爬起控制方法，其特征在于，所述步骤(2)具体为：仿人机器人接收到爬起动作指令后，开始运动，各个关节的角度达到利用逆运动学计算得到的对应角度θ∈R
m
，m为仿人机器人中关节的数量；所述角度θ∈R
m
通过以下公式计算得到：通过以下公式计算得到：其中，n为仿人机器人中连杆的数量；r
i
为任意一个连杆的质心位置；M
i
为任意一个连杆的质量；r
com
为仿人机器人的质心位置；IK(
·
)为逆运动学函数。5.根据权利要求2所述的一种基于力位混合控制的仿人机器人倒地爬起控制方法，其特征在于，所述步骤(3)具体为：仿人机器人处于俯卧过渡状态后，分别向左肩关节(15)、右肩关节(13)、左肘关节(16)和右肘关节(14)施加力矩τ1、力矩τ2、力矩τ3和力矩τ5，使左大臂连杆(9)和左小臂连杆(10)之间的夹角θ1以及右大臂连杆(11)和右小臂连杆(12)之间的夹角θ2同时增大，直到θ1＝θ2＝180
°
，随后右手(23)和左手(24)同时脱离地面；上述过程中，左大腿连杆(3)和左小腿连杆(4)之间的夹角θ3以及右大腿连杆(6)和右小腿连杆(7)之间的夹角θ4不变；所述力矩τ1、力矩τ2、力矩τ3和力矩τ5通过以下公式求得：通过以下公式求得：通过以下公式求得：其中，θ
up
为左肩关节(15)、右肩关节(13)、左肘关节(16)和右肘关节(14)的关节角度集合，其中，角度通过各个关节中的光栅编码器实时测量出来；m为躯干(1)的质量；J为雅可比矩阵；FK(
·
)为前向运动学函数；F为向仿人机器人上身施加的力；H为躯干质心(2...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱秋国，郑一笑，杨太文，吴俊，熊蓉，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：