【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及仿人机器人控制。具体而言，是一种仿人机器人步态受扰恢复控制方法。
技术介绍
1、仿人机器人是一种具有多自由度和复杂结构的非线性系统，其中步行稳定性问题是仿人机器人领域重要的基础性问题。由仿人机器人运动发散量理论可知，当机器人的运动发散量能够保持收敛，机器人可实现稳定步行。但由于存在外力干扰、模型误差等不确定因素的影响，在步行过程中机器人的运动发散量轨迹会逐渐发散，如果不及时加以控制将会影响步行稳定性。传统机器人的抗扰恢复控制方法通常基于经典控制理论，通过对零力矩点或压力中心的控制实现抗扰恢复，当机器人受到较大的扰动，原有控制算法由于零力矩点或压力中心运动范围的限制，很难达到预期的抗扰效果。
技术实现思路
1、为解决上述问题，本专利技术提出了一种仿人机器人步态受扰恢复控制方法。该技术方案以机器人髋关节为控制目标，通过推导力矩公式得到机器人补偿因外力产生的运动发散量误差所需的力矩，并将计算所得力矩实时施加在机器人髋关节上，实现抗扰恢复。
2、一种仿人机器人步态受扰恢复控制方法，其特征在于，包括以下步骤：将运动发散量改进到三质量飞轮线性倒立摆模型上，得到改进后的运动发散量ξ，通过改进的运动发散量ξ推导出髋关节补偿外力干扰所造成的轨迹偏差所需的力矩，控制髋关节来抵抗干扰。
3、作为本专利技术的进一步改进，通过三质量飞轮线性倒立摆模型做简化模型的机器人的运动学，得到机器人质心x与支撑点p之间的关系，在此模型上推导了运动发散量ξ。
4、所述根据
5、
6、
7、
8、
9、其中，x＝[xcom,ycom]表示机器人质心在x,y方向的位置，p＝[pzmpx,pzmpy]表示机器人的支持点位置，τ表示飞轮模型的力矩，g表示重力加速度，ji表示飞轮在各个方向的转动惯量，表示飞轮在各个方向的加速度，其中mu，mt，ms分别表示仿人机器人上半身质量、支撑腿大腿质量和支撑腿小腿质量，lu为仿人机器人上半身中心点与质心的垂直距离，zc为质心的离地高度，通过对仿人机器人运动学的进一步推导，可以得到其运动发散量为：
10、
11、
12、其中，w表示三质量飞轮线性倒立摆模型的频率常数，ξ表示机器人的运动发散量，a是由机器人参数推导出的一个常数。把公式(5)和(6)当做一个有初值的微分方程进行求解，可以发现公式(5)是收敛的，公式(6)是发散的。所以，仅需要对公式(6)所代表的的运动发散量的轨迹进行控制即可保证机器人的步行稳定性。
13、作为本专利技术的进一步改进，在机器人受到外力干扰后，机器人的运动轨迹会发生剧烈变化，若不对机器人施加控制，机器人的运动发散量会迅速发散导致机器人失稳甚至摔倒。在检测到机器人受到碰撞后，通过计算实际运动发散量轨迹，将其与期望运动发散量比较得到运动发散量的运动误差，进一步根据此误差推导出补偿运动发散量误差所需的力矩：
14、
15、其中，ξt,err表示碰撞后机器人实时的运动发散量误差，t表示步行周期，t表示步行时刻。将计算的力矩施加在机器人髋关节上，可以通过髋关节的运动来矫正机器人的异常位姿，实现碰撞环境下的稳定步行。
16、所述将公式(6)当做一个初值问题求解：
17、ξ(t)＝(ξ0-pcmp)ewt+pcmp (8)
18、pcmp＝p+aτ (9)
19、其中，ξ0表示机器人起始时刻的运动发散量，pcmp表示考虑飞轮力矩的着地点，
20、作为本专利技术的进一步改进，将公式(6)当做一个终值问题求解：
21、ξ(t)＝(ξt-pt,cmp)ewt+pt,cmp (10)
22、其中，ξ(t)表示机器人迈步末时刻的运动发散量，ξ(t)表示机器人迈步任意时刻的运动发散量，
23、公式(10)可以表示为：
24、ξt,ref+ξt,err＝(ξt,ref-u0)ew(t-t)+u0+(ξt,err-aτ)ew(t-t)+aτ (11)
25、其中，ξt,ref,ξt,err表示机器人在迈步末的运动发散量期望值与偏差值，ξt,ref,ξt,err表示机器人在迈步任意时刻的运动发散量期望值与偏差值，进一步的消掉两边相等的项，可以得到飞轮力矩的表达式为公式(7)，公式(7)的含义表示机器人补偿运动发散量偏差所需要的飞轮力矩，也即髋关节力矩。
26、本专利技术的有益效果
27、相比于现有技术，本专利技术的优点在于：
28、首次将运动发散量在三质量飞轮线性倒立摆模型上推导出来，并应用在仿人机器人上并实现稳定步行；其次，所提的基于髋关节力矩控制的抗扰恢复控制方法可以放宽传统零力矩点或压力中心只能在脚掌范围内运动的限制，提升了仿人机器人的抗扰性能。
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1.一种仿人机器人步态受扰恢复控制方法，其特征在于，包括以下步骤：将运动发散量改进到三质量飞轮线性倒立摆模型上，得到改进后的运动发散量ξ，通过改进的运动发散量ξ推导出髋关节补偿外力干扰所造成的轨迹偏差所需的力矩，控制髋关节来抵抗干扰。
2.根据权利要求1所述的一种仿人机器人步态受扰恢复控制方法，其特征在于：
3.根据权利要求2所述的一种仿人机器人步态受扰恢复控制方法，其特征在于：
4.根据权利要求3所述的一种仿人机器人步态受扰恢复控制方法，其特征在于：
5.根据权利要求4所述的一种仿人机器人步态受扰恢复控制方法，其特征在于：
【技术特征摘要】
1.一种仿人机器人步态受扰恢复控制方法，其特征在于，包括以下步骤：将运动发散量改进到三质量飞轮线性倒立摆模型上，得到改进后的运动发散量ξ，通过改进的运动发散量ξ推导出髋关节补偿外力干扰所造成的轨迹偏差所需的力矩，控制髋关节来抵抗干扰。
2.根据权利要求1所述的一种仿人机器人步态...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨亮，李卫，杨恒，徐文骏，
申请(专利权)人：电子科技大学中山学院，
类型：发明
国别省市：
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