一种双足机器人的平衡控制方法及双足机器人技术

本发明专利技术涉及机器人控制技术领域，揭示了一种双足机器人的平衡控制方法及双足机器人。该双足机器人的平衡控制方法包括：当地面发生倾斜时，获取双足机器人的头部IMU信息、小腿IMU信息和髋部IMU信息，然后根据获取到的双足机器人的IMU信息对双足机器人同时进行前后平衡调节和左右平衡调节。双足机器人应用该双足机器人的平衡控制方法。通过同时进行前后平衡控制和左右平衡控制，可以保证双足机器人在前后和左右两个方向的平衡，使得双足机器人在各种不平坦地面站立和行走达到了一个新的平衡状态，从而保证COM和ZMP位置始终位于双足机器人脚面与地面接触所围成的多边形区域内，有效提高了双足机器人行走的稳定性和环境适应能力。高了双足机器人行走的稳定性和环境适应能力。高了双足机器人行走的稳定性和环境适应能力。

【技术实现步骤摘要】
一种双足机器人的平衡控制方法及双足机器人


[0001]本专利技术涉及机器人控制
，特别涉及一种双足机器人的平衡控制方法及双足机器人。

技术介绍

[0002]双足机器人是一种仿生学人形机器人，能够实现直立行走和相关动作，具有动作灵活、自如、稳定等优点，可以很好地适应人类的生活环境。双足机器人有望帮助人类解决很多问题，比如救援、抢险、驮物等危险作业或重复性劳动。双足机器人的动作执行，是通过分布在双足机器人各个关节上的电机转动来实现的。
[0003]质心(COM，Center Of Mass)和零力矩点(ZMP，ZeroMoment Point)是双足机器人研究中非常重要的概念，其对双足机器人的运动规划、稳定等有举足轻重的作用。目前，双足机器人的运动规划的方法主要是基于COM和ZMP的概念计算了双足机器人的稳定性原理来进行的。为了保持双足机器人的平衡，这些COM和ZMP的位置应始终位于双足机器人脚面与地面接触所围成的多边形区域内。
[0004]然而在实际环境中，双足机器人在行走过程中很容易碰到斜面、台阶等各种不平坦地面。为了保证稳定行走，这就要求双足机器人需要更稳定地进行平衡控制以抵抗外部干扰力，并在倾斜平面上保持垂直姿态。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中存在的不足，本专利技术提供了一种双足机器人的平衡控制方法及双足机器人，实现了双足机器人在斜面、台阶等各种不平坦地面站立和行走的平衡控制，有效提高双足机器人行走的稳定性和环境适应能力。
[0006]为解决上述问题，本专利技术实施例提供了一种双足机器人的平衡控制方法，所述方法包括：
[0007]当地面发生倾斜时，获取双足机器人的IMU信息，所述IMU信息至少包括头部IMU信息、小腿IMU信息和髋部IMU信息；
[0008]根据双足机器人的IMU信息对双足机器人进行前后平衡调节和左右平衡调节；所述前后平衡调节和所述左右平衡调节同时进行；
[0009]其中，所述前后平衡的调节包括：
[0010]S11、获取所述头部IMU的测量值、所述小腿IMU的测量值和所述髋部IMU的测量值；
[0011]S12、根据所述头部IMU的测量值和所述小腿IMU的测量值计算踝关节电机的第一期望角度，以及根据所述头部IMU的测量值和所述髋部IMU的测量值计算髋关节电机的第二期望角度；
[0012]S13、根据所述第一期望角度调节所述踝关节电机及根据所述第二期望角度调节所述髋关节电机以实现双足机器人的前后平衡；
[0013]所述左右平衡的调节包括：
[0014]S21、获取双足机器人的大腿长度信息和腰宽度信息；
[0015]S22、根据所述大腿长度信息、所述腰宽度信息和所述髋部IMU的测量值调整所述髋关节电机使得双足机器人的腰线与水平面平行以实现双足机器人的左右平衡。
[0016]可选地，步骤S12中，所述根据所述头部IMU的测量值和所述小腿IMU的测量值计算踝关节电机的第一期望角度的关系式具体为：
[0017][0018]其中，Kp、Ki、和Kd分别表示PID控制器的比例增益、积分增益和微分增益，Eh(t)表示所述头部IMU的测量值的偏差，E
l
(t)表示所述小腿IMU的测量值的偏差。
[0019]可选地，步骤S12中，所述根据所述头部IMU的测量值和所述髋部IMU的测量值计算髋关节电机的第二期望角度的关系式具体为：
[0020][0021]其中，Kp、Ki、和Kd分别表示PID控制器的比例增益、积分增益和微分增益，Eh(t)表示所述头部IMU的测量值的偏差，E
i
(t)表示所述髋部IMU的测量值的偏差。
[0022]可选地，在实现双足机器人的前后平衡时，先进行所述髋关节电机的调节，再同时进行所述踝关节电机和所述髋关节电机的调节。
[0023]可选地，在实现双足机器人的左右平衡时，髋关节电机、膝关节电机和踝关节电机同时保持启动以实现侧倾控制。
[0024]可选地，所述膝关节电机的角度和两倍所述髋关节电机的角度之和为180度。
[0025]可选地，所述踝关节电机的角度等于所述髋关节电机的角度。
[0026]可选地，所述大腿长度信息包括左大腿长度和右大腿长度，所述髋关节电机包括左髋关节电机和右髋关节电机，所述髋部IMU包括左髋部IMU和右髋部IMU；
[0027]步骤S22中，所述根据所述大腿长度信息、所述腰宽度信息和所述髋部IMU的测量值调整所述髋关节电机使得双足机器人的腰线与水平面平行的关系式具体为：
[0028][0029]其中，L1表示双足机器人的左大腿长度，L2表示双足机器人的右大腿长度，且L1＝L2；H1表示左髋关节电机到地面的竖直距离，α表示左髋关节电机的角度，E
iα
(t)表示左髋部IMU的测量值的偏差，α
′
为左髋关节电机调整的角度；H2表示右髋关节电机到地面的竖直距离，β表示右髋关节电机的角度，E
iβ
(t)表示右髋部IMU的测量值的偏差，β
′
为右髋关节电机
调整的角度；(w
x1
‑
w
x2
)表示腰宽，H表示左髋关节电机和右髋关节电机的连线中点到地面的竖直距离，(P
y1
‑
P
y2
)表示左髋关节电机和右髋关节电机的连线中点到地面的竖直距离，θ表示地面倾角，Kp、Ki、和Kd分别表示PID控制器的比例增益、积分增益和微分增益。
[0030]可选地，双足机器人的左大腿长度等于左小腿长度，且双足机器人的右大腿长度等于右小腿长度。
[0031]为了解决上述问题，本专利技术实施例还提供一种双足机器人，所述双足机器人应用如上述所述的双足机器人的平衡控制方法；所述双足机器人至少包括头部IMU、两个小腿IMU、两个髋部IMU、两个髋关节电机、两个膝关节电机和两个踝关节电机。
[0032]本专利技术的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
[0033]本专利技术实施例中，当地面发生倾斜时，获取双足机器人的头部IMU信息、小腿IMU信息和髋部IMU信息，然后根据获取到的双足机器人的IMU信息对双足机器人同时进行前后平衡调节和左右平衡调节；其中，前后平衡的调节包括获取头部IMU的测量值、小腿IMU的测量值和髋部IMU的测量值，接着根据头部IMU的测量值和小腿IMU的测量值计算踝关节电机的第一期望角度，以及根据头部IMU的测量值和髋部IMU的测量值计算髋关节电机的第二期望角度，最后根据第一期望角度调节踝关节电机及根据第二期望角度调节髋关节电机以实现双足机器人的前后平衡；左右平衡的调节包括获取双足机器人的大腿长度信息和腰宽度信息，接着根据大腿长度信息、腰宽度信息和髋部IMU的测量值调整髋关节电机使得双足机器人的腰线与水平面平行以实现双足机器人的左右平衡。本专利技术实施例通过利用髋关节电机、膝关节电机、踝关节电机以及头部本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双足机器人的平衡控制方法，其特征在于，所述方法包括：当地面发生倾斜时，获取双足机器人的IMU信息，所述IMU信息至少包括头部IMU信息、小腿IMU信息和髋部IMU信息；根据双足机器人的IMU信息对双足机器人进行前后平衡调节和左右平衡调节；所述前后平衡调节和所述左右平衡调节同时进行；其中，所述前后平衡的调节包括：S11、获取所述头部IMU的测量值、所述小腿IMU的测量值和所述髋部IMU的测量值；S12、根据所述头部IMU的测量值和所述小腿IMU的测量值计算踝关节电机的第一期望角度，以及根据所述头部IMU的测量值和所述髋部IMU的测量值计算髋关节电机的第二期望角度；S13、根据所述第一期望角度调节所述踝关节电机及根据所述第二期望角度调节所述髋关节电机以实现双足机器人的前后平衡；所述左右平衡的调节包括：S21、获取双足机器人的大腿长度信息和腰宽度信息；S22、根据所述大腿长度信息、所述腰宽度信息和所述髋部IMU的测量值调整所述髋关节电机使得双足机器人的腰线与水平面平行以实现双足机器人的左右平衡。2.根据权利要求1所述的双足机器人的平衡控制方法，其特征在于，步骤S12中，所述根据所述头部IMU的测量值和所述小腿IMU的测量值计算踝关节电机的第一期望角度的关系式具体为：其中，Kp、Ki、和Kd分别表示PID控制器的比例增益、积分增益和微分增益，Eh(t)表示所述头部IMU的测量值的偏差，E
l
(t)表示所述小腿IMU的测量值的偏差。3.根据权利要求1所述的双足机器人的平衡控制方法，其特征在于，步骤S12中，所述根据所述头部IMU的测量值和所述髋部IMU的测量值计算髋关节电机的第二期望角度的关系式具体为：其中，Kp、Ki、和Kd分别表示PID控制器的比例增益、积分增益和微分增益，E
h
(t)表示所述头部IMU的测量值的偏差，E
i
(t)表示所述髋部IMU的测量值的偏差。4.根据权利要求1所述的双足机器人的平衡控制方法，其特征在于，在实现双足机器人的前后平衡时，先进行所述髋关节电机的调节，再同时进行所述踝关节电机和所述髋关节电机的调节。5.根据权利要求1所述的双足机器人的平衡控制方法，其特征在于，在实现双...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨华，周铨衡，宋华，詹犇，郑秀谦，何明强，龚圆杰，高岑晖，赵保文，胡进强，
申请(专利权)人：纯米科技上海股份有限公司，
类型：发明
国别省市：