[发明专利]基于有效稳定区域仿人机器人稳定行走的控制方法和系统

说明书

技术领域

本发明涉及自动化控制领域，特别涉及一种基于有效稳定区域仿人机器人稳定行走的控制方法和系统。

背景技术

仿人机器人(以下简称机器人)跟人一样，是靠两条腿的行走实现移动的。它的双腿结构跟人类似，较传统的轮式和履带式机器人有更好的机动性，尤其是在凹凸不平的地面、楼梯以及与地面仅有离散不连续的接触点的场合更体现出优越性。但是双足机器人有本质不稳定的特点，容易摔倒。为了使机器人行走，需要给定机器人的行走轨迹(动态步态)。机器人的动态步态是一种固有的、周期的运动，是依据双足机器人整体动力学产生的。由于约束条件的耦合性和动力学方程的复杂性，动态步态计算需要一个优化过程。因此，动态步态一般只能通过离线计算方法来实现。也就是说，动态步态一般是在假设双足机器人模型和周围环境已知的情况下生成的。实际上，双足机器人行走现实环境不可能与设定的环境和条件完全相同，由于机器人周围环境的变化或产生了未知状况，如果机器人机械地按照预先规划好的动态步态执行，不对所规划的动态步态进行实时修正和控制，很可能会产生不稳定甚至摔倒等异常现象。因此，必须根据当前的环境信息和机器人当前的自身状态，对规划的动态步态进行修正，进行实时步态控制，克服环境的改变与不确定性，使机器人能在实际环境中稳定行走。

现有技术一公开了一种基于零力矩点(ZMP，Zero Moment Point)补偿的控制方法，具体是通过改变机器人的上身和修正机器人足部位置实现ZMP补偿，使机器人稳定行走；

其中，ZMP的具体含义如下：根据力学原理，当物体处于静止状态时，其平衡的充要条件是其重心在地面上的投影落在其支撑面内；而当物体处于运动状态时，其平衡的必要条件是所受重力与惯性力的合力的延长线通过其支撑面内，该合力的延长线与支撑面的交点称为ZMP。

现有技术二公开了一种控制两足步行机器人的方法，具体是根据地面反作用力，计算横摇角和纵摇角，按横摇角和纵摇角驱动制动器，使受力面法向向量与重力方向上的参考向量对齐，实现机器人稳定行走。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：

1)现有技术一中机器人的状态修正需要进行动力学计算，难以做到实时补偿和修正；另外，该方法没有考虑机器人动态步行必需的稳定裕度。

2)现有技术二只适合于机器人的静态步行场合，而不适合机器人的动态步行控制。

发明内容

为了使机器人稳定行走，本发明实施例提供了一种基于有效稳定区域仿人机器人稳定行走的控制方法和系统。所述技术方案如下：

一方面，本发明实施例提供了一种基于有效稳定区域仿人机器人稳定行走的控制方法，所述方法包括：

通过力传感器测得机器人的地面反作用力；

根据所述地面反作用力，得到机器人的地面反作用力合力点；

判断规划零力矩点和所述地面反作用力合力点是否都在有效稳定区域内；

根据判断结果，控制所述机器人行走。

另一方面，本发明实施例提供了一种基于有效稳定区域仿人机器人稳定行走的控制装置，所述装置包括：

力传感器，用于测得机器人的地面反作用力；

处理模块，用于根据所述力传感器测得的地面反作用力，得到机器人的地面反作用力合力点；

判断模块，用于判断规划零力矩点和所述处理模块得到的地面反作用力合力点是否都在有效稳定区域内；

控制模块，用于根据所述判断模块的判断结果，控制所述机器人行走。

另一方面，本发明实施例还提供了一种基于有效稳定区域仿人机器人稳定行走的控制系统，所述系统包括：

前馈器，用于提供机器人的离线规划的动态步态θ_a0(t)；

实时修正器，用于当所述机器人的地面反作用力合力点和/或规划零力矩点不在有效稳定区域内时，提供对所述前馈器中的动态步态划θ_a0(t)进行修正的实时修正量Δθ_a(t)；

伺服驱动器，用于将所述前馈器中的动态步态θ_a0(t)和所述实时修正器中的实时修正量Δθ_a(t)相加后，驱动所述机器人的踝关节。

本发明实施例提供的技术方案的有益效果是：

通过对机器人的踝关节角度进行实时修正，使规划ZMP点和地面反作用力合力点都在有效稳定区域内，实现了机器人的稳定行走；并且，无需明确的机器人动力学模型，计算简单，快速修正机器人的动态步态，使机器人能适应未知环境。

附图说明