專利名稱：一種具有環(huán)境適應性的足式機器人穩(wěn)定性控制方法及系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于機器人技術領域，具體涉及一種具有環(huán)境適應性的足式機器人穩(wěn)定性控制方法及系統(tǒng)。
背景技術：
地球陸地表面有超過50%以上是山丘或沼澤等復雜地形，相對于輪式機器人和履帶機器人，足式機器人在這些復雜地形上具有更好的適應性和運動性能。人們希望足式機器人能夠像自然界中各種足式動物一樣可以在陸地復雜地形上穩(wěn)定、快速的運動，從而輔助人類完成各種任務。因此，越來越多的研究人員將仿生學方法引入到機器人研究之中，通過研究、學習、模仿的仿生學方法來復制和再造生物的結構、功能及控制機制。自然界中的生物往往是一個復雜的高度非線性系統(tǒng)，而且多腿、多關節(jié)和肌肉冗余嚴重，因此對生物體不加簡化的模仿和復現(xiàn)相當困難且不現(xiàn)實。為了解決這個問題，研究人員科學合理的將各種具有不同骨骼結構、腿數(shù)和姿態(tài)的動物用相對統(tǒng)一的模型表示，同時獲取相應的等效參數(shù)，力求通過合理有效的簡化模型來等效足式動物的運動。為考察系統(tǒng)整體的行為特性所建立的等效模型應該是最為簡化的，一種有效的嘗試是彈簧倒立擺模型(SLIP, Spring Loaded Inverted Pendulum),即將生物體簡化為單質量一彈簧系統(tǒng)，用不同質量、剛度、阻尼以及相關形態(tài)參數(shù)來表征具體的生物體運動。SLIP模型是20世紀80年代以來發(fā)展起來的研究足式機器人的有效模型，研究人員通過對哺乳動物的腿部和肌肉的細致研究表明彈性機制確實存在于動物的運動中，而且對動物的性能有很大的影響。該模型可以有效的解釋腿部對地面沖擊的緩沖機制，通過調整系統(tǒng)著地角度、腿部等效剛度等參數(shù)可以達到控制系統(tǒng)水平運動速度和彈跳高度的目的。且通過相關學者提出的等效虛擬腿的概念，足式機器人(如雙足機器人、四足機器人、六足機器人等)均可等效為最簡化的單質量——彈簧系統(tǒng)即單SLIP等效模型進行研究和分析?，F(xiàn)有的足式機器人大都停留在實驗室樣機階段，少有能夠真正實現(xiàn)復雜環(huán)境下的運動控制，其難點就在于足式機器人復雜環(huán)境下的動態(tài)穩(wěn)定控制方法尚不成熟。足式機器人是一種多自由度、強非線性、多冗余的系統(tǒng)，其完整動力學特性分析十分復雜，直接對其進行復雜環(huán)境下的動態(tài)穩(wěn)定性控制往往不能滿足控制實時性的要求。因此越來越多的研究人員開始從SLIP等效模型入手，研究和分析SLIP等效模型在復雜環(huán)境下的動態(tài)穩(wěn)定性控制方法，從而以該等效模型為基礎，再次延伸和擴展至整個足式機器人，由簡入繁，最終達到對整個足式機器人系統(tǒng)穩(wěn)定控制的目的。現(xiàn)有技術一公開了一種針對無阻尼SLIP模型的周期穩(wěn)定運動控制方法，其通過推導無阻尼SLIP模型在飛行相和著地相的動力學方程，近似得到整個著地過程中SLIP模型著地角度和離地角度與時間的關系，以及整個著地過程中彈簧長度和時間的關系等。進而通過對不同可變參數(shù)的取值迭代，仿真得到不同條件下SLIP模型一次著地前后的狀態(tài)，從而找到滿足SLIP不動點周期運動的合適初始參數(shù)，實現(xiàn)其穩(wěn)定運動控制?，F(xiàn)有技術二公開了一種針對有阻尼SLIP模型的周期穩(wěn)定運動控制方法，其在SLIP動力學模型推導中增加了阻尼項，考慮了整個運動過程中的能量損失，近似得到SLIP模型著地過程中的能量損失方程，通過改變彈簧剛度等方法對損失的能量進行補償，繼續(xù)通過對不同可變參數(shù)的取值迭代，仿真得到能量補償后的SLIP模型著地前后的狀態(tài)，從而找到滿足SLIP不動點周期運動的合適初始參數(shù)，實現(xiàn)其穩(wěn)定運動控制。在對現(xiàn)有技術進行研究后，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術一中考慮的是一種十分理想的等效模型，其忽略了足式機器人運動過程中存在的阻尼因素，在反映機器人實際運動過程中存在模型誤差；而現(xiàn)有技術二雖然考慮了等效模型的阻尼因素，且對其運動過程中損失的能量進行了補償，但是該技術實現(xiàn)不動點穩(wěn)定控制需要通過大量的賦值迭代才能找到合適的初值條件，不滿足機器人系統(tǒng)實時性控制的要求，不易運用在實際的機器人穩(wěn)定控 制中。且現(xiàn)有技術均只考慮了 SLIP模型在平面地形上的控制，對相對較為復雜的環(huán)境地形不具有適應性。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠克服上述缺陷的足式機器人穩(wěn)定性控制方法及系統(tǒng)，以SLIP等效模型為研究對象，不僅考慮足式機器人運動過程中的阻尼損失，而且使得控制后的SLIP模型不再僅僅適應于平面地形，對臺階、坑洼等較為復雜的地形也具有較好的穩(wěn)定適應性，另外對模型的初始條件要求較低，不需要多次迭代，解決了控制實時性不能滿足的問題。本發(fā)明提供的一種具有環(huán)境適應性的足式機器人穩(wěn)定性控制方法，該方法包括下述步驟第I步系統(tǒng)參數(shù)初始化，包括系統(tǒng)基本信息、轉角PID控制的比例增益系數(shù)kP、積分時間常數(shù)匕和微分時間常數(shù)kD ;令11=1 ;令第一次觸地相補償?shù)哪芰緼E1+為零；初始化控制目標，并計算得到穩(wěn)定周期運動期望系統(tǒng)總能量Ed ;所述系統(tǒng)基本信息包括質量m、等效 彈簧剛度k、等效阻尼c和初始等效腿長A ;所述控制目標包括穩(wěn)定周期運動期望水平速度4和期望最高點豎直高度；第2步檢測第一次觸地前的初始水平速度矣;第3步在第n次觸地之前計算得到第n次觸地角0 TD ；第4步實時檢測系統(tǒng)狀態(tài)，得到當前時刻SLIP模型的狀態(tài)信息，包括質心A的水平速度i、豎直方向速度j、腿的擺角9、腿長度r、豎直方向腳力F。和當前系統(tǒng)時間t ；第5步判斷SLIP模型是否觸地，觸地時刻判定條件為足端腳力F。發(fā)生由等于零到大于零的突變，且系統(tǒng)豎直速度j < 0 ;如果觸地執(zhí)行第7步，如果沒有觸地執(zhí)行第6步；第6步通過PID控制，在第n次觸地之前將SLIP模型控制到預定的觸地角，即使腿的擺角等于觸地角eTD;第7步讀取觸地時刻系統(tǒng)相關狀態(tài)參數(shù)，包括觸地時刻的水平速度，豎直速度yTD，等效腿長rTD，以及實際觸地角度e TD，并計算觸地時刻系統(tǒng)總能量En，即為第n次觸地之如系統(tǒng)總能量；第8步判斷SLIP模型是否壓縮至底部，如果壓縮至底部執(zhí)行第9步，否則執(zhí)行第4步；
第9步進行系統(tǒng)能量補償，使系統(tǒng)達到期望系統(tǒng)總能量Ed 第10步判斷SLIP模型是否離地，如果離地執(zhí)行第11步，否則執(zhí)行第9步；第11步讀取離地時刻系統(tǒng)相關狀態(tài)參數(shù)，包括離地時刻的水平速度,豎直速度jiO，等效腿長rw，以及實際觸地角度e L0,并計算離地時刻系統(tǒng)總能量En+1，即為第n次觸地之后系統(tǒng)總能量；第12步計算第n次觸地過程中系統(tǒng)損失的能I At -，其計算公式為
權利要求
1.ー種具有環(huán)境適應性的足式機器人穩(wěn)定性控制方法，該方法包括下述步驟 第I步系統(tǒng)參數(shù)初始化，包括系統(tǒng)基本信息、轉角PID控制的比例増益系數(shù)kP、積分時間常數(shù)h和微分時間常數(shù)kD ;令n=l ;令第一次觸地相補償?shù)哪芰緼E1+為零；初始化控制目標，并計算得到穩(wěn)定周期運動期望系統(tǒng)總能量Ed ;所述系統(tǒng)基本信息包括質量m、等效彈簧剛度k、等效阻尼c和初始等效腿長
2.根據(jù)權利要求I所述的具有環(huán)境適應性的足式機器人穩(wěn)定性控制方法，其特征在于，第3步中， 第η次觸地角Θ TD的計算過程為 設Λ S即為實際觸地點Ptd與中性點Pn之間的調整距離み為觸地點是中性點時觸地過程運動水平距離的一半,
3.根據(jù)權利要求I或2所述的具有環(huán)境適應性的足式機器人穩(wěn)定性控制方法，其特征在于，觸地時刻系統(tǒng)總能量Εη，即為第η次觸地之前系統(tǒng)總能量的計算公式為
4.根據(jù)權利要求I或2所述的具有環(huán)境適應性的足式機器人穩(wěn)定性控制方法，其特征在于，第9步中，補償能量的方法如下 在壓縮至底部時刻增加沿彈簧方向的沖量Fn · dt，計算欲補償能量為Δ￡時的驅動カFn，其計算公式為
5.根據(jù)權利要求I或2所述的具有環(huán)境適應性的足式機器人穩(wěn)定性控制方法，其特征在于，第9步中，補償能量的方法如下 在壓縮至底部時刻開始直到系統(tǒng)離地時刻持續(xù)增加沿彈簧方向的補償恒力Fn，計算欲補償能量為時的驅動カFn，其計算公式為
6.根據(jù)權利要求I或2所述的具有環(huán)境適應性的足式機器人穩(wěn)定性控制方法，其特征在于，第9步中，補償能量的方法如下 在壓縮至底部時刻開始直到系統(tǒng)離地時刻改變系統(tǒng)等效剛度，在原等效剛度k的基礎上増加補償剛度Ak，其計算公式為
7.根據(jù)權利要求I或2所述的具有環(huán)境適應性的足式機器人穩(wěn)定性控制方法，其特征在于，第6步中，PID控制的輸入為當前擺角，輸出為關節(jié)カ矩。
8.ー種具有環(huán)境適應性的足式機器人穩(wěn)定性控制系統(tǒng)，其特征在干，該系統(tǒng)包括系統(tǒng)狀態(tài)檢測模塊和穩(wěn)定控制模塊； 穩(wěn)定控制模塊由觸地角控制模塊，PID控制器，能量補償模塊和補償カ控制器組成；觸地角控制模塊用于進行計算飛行時的觸地角，并提供給PID控制器；PID控制器根據(jù)觸地角控制模塊提供的觸地角控制腿到對應的擺角；能量補償模塊計算系統(tǒng)從彈簧壓縮至最低點到起飛期間需要補償?shù)哪芰?；補償カ控制器通過改變彈簧剛度，改變作用在等效質量上的作用カ實現(xiàn)系統(tǒng)能量的補償；系統(tǒng)狀態(tài)檢測模 塊用于實時檢測系統(tǒng)控制所需的系統(tǒng)狀態(tài)量，并提供給穩(wěn)定控制模塊。
全文摘要
一種具有環(huán)境適應性的足式機器人穩(wěn)定性控制方法及系統(tǒng)，該控制方法通過利用上一觸地過程相關參數(shù)信息與期望達到的控制目標進行比較，對飛行相水平運動速度和系統(tǒng)總能量實行反饋控制，預測控制觸地角度并進行系統(tǒng)能量補償控制，最終實現(xiàn)足式機器人SLIP等效模型在不同地面環(huán)境下的期望穩(wěn)定周期運動。系統(tǒng)包括系統(tǒng)狀態(tài)檢測模塊和穩(wěn)定控制模塊。本發(fā)明不需要建立具體的機器人動力學模型，不需要計算精確的不動點觸地角度，通過反饋控制實現(xiàn)控制收斂，控制方法簡單，計算迅速，很好的解決了現(xiàn)有方法控制實時性不足、適應性不夠等問題。且具有較好的未知環(huán)境適應性，為足式機器人穩(wěn)定性控制提供了一種較好的解決方案。
文檔編號G05D1/02GK102736628SQ20121019283
公開日2012年10月17日 申請日期2012年6月12日 優(yōu)先權日2012年6月12日
發(fā)明者劉清宇, 周博, 姜偉, 程品, 羅欣, 陳學東, 陳霈, 韓斌 申請人:華中科技大學