[发明专利]一种仿人机器人行走中的振动抑制方法

说明书

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种仿人机器人行走中的振动抑制方法。

背景技术

由于仿人机器人的连杆系统中存在非刚性特性，仿人机器人在行走过程中往往会出现振动。当振动过大时，零力矩点(Zero Momentum Point，以下简称ZMP)的位置可能会达到支撑多边形的边缘，带来倾倒的危险。因此，有必要抑制行走中由连杆系统非刚性带来的振动。

抑制仿人机器人行走中的振动，目前主要有如下两类方法。第一类是提高机器人连杆系统的刚性。一般通过改进机械结构设计，或选用性能更高的驱动装置和传动机构来实现。这类方法受限于实施者的设计水平和所具有的硬件条件，且一般成本高昂，或会带来重量增加的弊端。第二类是将振动视为外加的扰动，通过反馈控制实现对扰动的抑制。这类方法只有在振动已经发生并对行走稳定性产生了不利影响之后才会开始作用，且抑制动作本身可能会带来新的振动。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种仿人机器人行走中的振动抑制方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于输入成形器的仿人机器人行走中的振动抑制方法，具体步骤如下：

(1)利用足底六维力/力矩传感器采集ZMP位置阶跃响应信号；

(2)根据ZMP阶跃响应信号对ZMP参考值到ZMP实际值的过程进行建模；

(3)根据得到的模型，构造输入成形器；

(4)根据得到的模型，计算参考ZMP轨迹的时间提前量；

(5)将得到的输入成形器及时间提前环节置于参考ZMP轨迹生成器之后，应用于仿人机器人的行走。

进一步地，所述步骤(1)具体为：令机器人双脚着地，同时幅度为两脚中心间距四分之一的左右方向的参考ZMP阶跃信号，或一个幅度为两脚长度四分之一的前后方向的参考ZMP阶跃信号输入到基于预观控制的质心轨迹生成器中，产生相应的左右或前后方向的质心平移运动，利用安装在足底的六维力/力矩传感器测量这一过程中左右或前后方向上的实际ZMP位置变化轨迹。

进一步地，所述步骤(2)具体为：设左右或前后方向上由参考ZMP输入到实际ZMP输出的过程的复域形式的传递函数G(s)为

其中，s为复域的拉普拉斯变换算子，ζ为阻尼系数，ω为无阻尼自然振荡频率。

使用步骤(1)中测得的输入-输出数据，使用最小二乘法或解析法，求取模型参数ω和ζ；

进一步地，所述步骤(3)具体为：构造由两个脉冲组成的数字滤波器形式的输入成形器，两个脉冲的幅值A₁和A₂分别为

其中参数K定义为：

而两个脉冲的时刻t₁和t₂分别为：

进一步地，所述步骤(4)具体为：数值法求解关于时间t的方程：

在t>0时的解t＝T₀，则T₀为参考ZMP轨迹输入的时间提前量，在此提前量下，理论输出ZMP轨迹和参考ZMP轨迹间的误差的绝对值的积分最小；

进一步地，所述步骤(5)具体为：将如前所述的时间长度为T₀的时间提前环节和输入成形器插入到左右或前后方向的参考ZMP轨迹生成器之后，经过这两个环节后的修改过的参考ZMP轨迹输入到质心轨迹生成器中，即可产生使得左右或前后方向的振荡被抑制的运动。

本发明的有益效果是，本发明通过修改发送给质心轨迹生成器的参考ZMP轨迹，前馈地抑制了行走中由连杆系统非刚性带来的振动，使得行走更加稳定。相较于修改机械结构抑制振动的方法，本方法不需要额外的成本。相较于通过反馈抑制振动的方法，本方法在振动发生之前就将其抑制，且没有闭环增益过大导致振荡的风险。

附图说明

图1为使用了本方法的仿人机器人步行运动生成整体控制框图，虚线框内的部分为本方法引入的振动抑制前馈控制器。

图2为使用本方法前的左右方向ZMP参考轨迹和实际轨迹，其中虚线为参考轨迹，实线为实际测量轨迹。

图3为利用足底六维力/力矩传感器采集到的ZMP位置阶跃响应信号，其中虚线为输入到质心轨迹生成器的参考阶跃信号，实线为实际测量信号。

图4为使用本方法后的左右方向ZMP参考轨迹和实际轨迹，其中虚线为参考轨迹，实线为实际测量轨迹。

具体实施方式