專利名稱：一種基于加速度優(yōu)化的仿人機(jī)器人逆動(dòng)力學(xué)控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于加速度優(yōu)化的逆動(dòng)力學(xué)控制器來控制仿人機(jī)器人。屬于機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
自從機(jī)器人誕生以來，人類的生活、工作方式發(fā)生了巨大的變化，機(jī)器人在各種場(chǎng)合輔助人類完成復(fù)雜的、重復(fù)的工作。仿人機(jī)器人具有人的外形特征，可以更好地適應(yīng)人類的生活環(huán)境，更好地為人們服務(wù)。近年來，國(guó)內(nèi)外掀起了研究仿人機(jī)器人的熱潮，其研究?jī)?nèi)容主要包括穩(wěn)定行走、靈巧作業(yè)、人機(jī)交互等方面。仿人機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中，支撐腳與地面之間是單向的、未驅(qū)動(dòng)的、不可控的自由度。如果不能有效控制，很容易發(fā)生機(jī)器人繞其支撐腳邊緣傾倒的情況。1972年南斯拉夫?qū)W者Vukobratovic博士提出的ZMP(Zero-MomentPoint)控制方法被作為仿人機(jī)器人的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定控制的基本準(zhǔn)則。所謂ZMP，是地面作用力的力矩為零的那個(gè)點(diǎn)；所謂支撐多邊形，即機(jī)器人足底與地面之間的所有接觸點(diǎn)的最小多邊形區(qū)域。要使仿人機(jī)器人穩(wěn)定行走，其ZMP必須始終位于支撐多邊形中。長(zhǎng)期以來，仿人機(jī)器人的研究者經(jīng)常使用位置控制模式來實(shí)現(xiàn)它的穩(wěn)定控制。為了實(shí)現(xiàn)仿人機(jī)器人更好的與人交互，并能使仿人機(jī)器人克服各種未知干擾，在最近幾年里，基于力控制的仿人機(jī)器人已經(jīng)出現(xiàn)。力控制方法有些是通過疊加逆動(dòng)力學(xué)前饋力矩、ro控制反饋力矩、姿態(tài)控制、平衡控制等得到的合力矩來跟蹤參考軌跡，但是通過這個(gè)力矩計(jì)算出的身體加速度和對(duì)應(yīng)的外力不等效于預(yù)期的加速度和外力。另一些是通過逆動(dòng)力學(xué)計(jì)算出各個(gè)關(guān)節(jié)力矩，并通過優(yōu)化關(guān)節(jié)力矩計(jì)算出對(duì)應(yīng)的身體加速度和對(duì)應(yīng)的外力來實(shí)現(xiàn)對(duì)仿人機(jī)器人的控制，通過此方法計(jì)算出的外力不一定能滿足地面受力約束，從而不能保證機(jī)器人的穩(wěn)定。現(xiàn)有中國(guó)專利申請(qǐng)200910190906提出了一種基于逆動(dòng)力學(xué)模型的自適應(yīng)PID控制器的設(shè)計(jì)方法，該方法通過選擇恰當(dāng)?shù)目刂茖?duì)象逆動(dòng)力學(xué)模型輸入向量，實(shí)現(xiàn)了 PID控制和自適應(yīng)逆控制的有機(jī)結(jié)合，通過控制對(duì)象逆動(dòng)力學(xué)模型的在線辨識(shí)，獲得與控制對(duì)象相匹配PID控制特征參數(shù)，形成與控制對(duì)象特性相適應(yīng)的自適應(yīng)PID控制器。其控制方法能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)不受外界約束的簡(jiǎn)單模型的控制，但是對(duì)于受地面約束的仿人機(jī)器人，該方法不能實(shí)現(xiàn)其穩(wěn)定控制。現(xiàn)有論文“InverseDynamics Control with Floating Base and Constraints”中，Nakanishi et al.提出了一種使用逆動(dòng)力學(xué)控制器來控制仿人機(jī)器人穩(wěn)定行走的方法。該方法是通過優(yōu)化關(guān)節(jié)力矩來控制機(jī)器人的穩(wěn)定行走。其計(jì)算出來的關(guān)節(jié)力矩對(duì)應(yīng)的外力不一定能滿足ZMP等地面約束，從而不能保證機(jī)器人的穩(wěn)定行走。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的上述技術(shù)問題，為了使仿人機(jī)器人能更好的適應(yīng)環(huán)境，克服未知干擾的影響，本發(fā)明提出了一種基于加速度優(yōu)化的逆動(dòng)力學(xué)控制器來控制仿人機(jī)器人。本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下一種仿人機(jī)器人逆動(dòng)力學(xué)控制方法，所述仿人機(jī)器人具有上身、左腿和右腿，所述方法包括以下步驟對(duì)所述仿人機(jī)器人建立動(dòng)力學(xué)模型；所述動(dòng)力學(xué)模型中，上身簡(jiǎn)化為一個(gè)集成的質(zhì)量塊，每條腿有六個(gè)關(guān)節(jié)，qrt e R6xi與qn e R6xi分別代表右腿與左腿的關(guān)節(jié)角度，上身浮動(dòng)坐標(biāo)系Σ !^位于盆骨的中心，世界坐標(biāo)系Σ 位于地面；計(jì)算所述仿人機(jī)器人上身加速度范圍；所述加速度范圍是使用“空間矢量”方法推導(dǎo)出所述仿人機(jī)器人腳底所受外力與上身加速度關(guān)系，并根據(jù)所述仿人機(jī)器人當(dāng)前狀態(tài)由腳底所受外力范圍計(jì)算的；優(yōu)化所述仿人機(jī)器人的上身加速度；根據(jù)所述仿人機(jī)器人當(dāng)前狀態(tài)的加速度范圍 和ro控制產(chǎn)生的目標(biāo)加速度，通過代價(jià)函數(shù)計(jì)算出該狀態(tài)的仿人機(jī)器人最優(yōu)上身加速度，并根據(jù)最優(yōu)的上身加速度，計(jì)算出所述仿人機(jī)器人所應(yīng)受外力和關(guān)節(jié)力矩，從而驅(qū)動(dòng)所述仿人機(jī)器人行走。以上技術(shù)方案給定機(jī)器人腳部受力約束，通過優(yōu)化機(jī)器人上身加速度，使機(jī)器人實(shí)際受到的外力滿足該約束條件，避免機(jī)器人發(fā)生由外界干擾產(chǎn)生不可預(yù)測(cè)的運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到穩(wěn)定控制仿人機(jī)器人的目的。


圖1是本發(fā)明所涉及的仿人機(jī)器人模型圖。圖2是本發(fā)明所涉及的“支撐多邊形”概念的示意圖。圖3是本發(fā)明所涉及的控制仿人機(jī)器人的方法流程示意圖。
具體實(shí)施例方式仿人機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)建模就是如何用數(shù)學(xué)語(yǔ)言描述機(jī)器人。采用浮動(dòng)基座的方法建立仿人機(jī)器人模型。圖1示出的是本發(fā)明所涉及的仿人機(jī)器人的模型圖，所述機(jī)器人具有上身和兩條能夠行走的腿，即左腿和右腿。世界坐標(biāo)系Σ w與地面固連，X軸指向機(jī)器人的正前方，y軸指向機(jī)器人的左方，ζ軸垂直向上。由于本文主要考慮機(jī)器人下肢的運(yùn)動(dòng)，因此建立動(dòng)力學(xué)模型時(shí)，上身簡(jiǎn)化為一個(gè)集成的質(zhì)量塊。上身為浮動(dòng)坐標(biāo)系，浮動(dòng)坐標(biāo)系Σ !^與浮動(dòng)基座固連，原點(diǎn)在雙腿連線的中點(diǎn)，三軸的初始方位與世界坐標(biāo)系相同。為了描述機(jī)器人在世界坐標(biāo)系中的位置，在世界坐標(biāo)系與上身浮動(dòng)坐標(biāo)系之間引入6個(gè)虛擬自由度，但是這些虛擬自由度不引入任何幾何約束，不給機(jī)器人任何作用力，因此不影響機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。e R6xi表示這6個(gè)虛擬自由度，前三個(gè)量為浮動(dòng)基座的位置，后三個(gè)為它的姿態(tài)。每條腿有6個(gè)自由度，qrl e R6xi與Qn e R6xi分別代表右腿與左腿的關(guān)節(jié)角度(圖1)。①由于機(jī)器人腳底與地面必須接觸，腳面相對(duì)于地面的速度、加速度都為零，該模型的動(dòng)力學(xué)公式為
權(quán)利要求
1.一種仿人機(jī)器人逆動(dòng)力學(xué)控制方法，所述仿人機(jī)器人具有上身、左腿和右腿，所述方法包括以下步驟 對(duì)所述仿人機(jī)器人建立動(dòng)力學(xué)模型；所述動(dòng)力學(xué)模型中，上身簡(jiǎn)化為一個(gè)集成的質(zhì)量塊，每條腿有六個(gè)關(guān)節(jié)，qrt e R6xi與qil e R6xi分別代表右腿與左腿的關(guān)節(jié)角度，上身浮動(dòng)坐標(biāo)系Σ 于盆骨的中心，世界坐標(biāo)系Σ 位于地面 計(jì)算所述仿人機(jī)器人上身加速度范圍；所述加速度范圍是使用“空間矢量”方法推導(dǎo)出所述仿人機(jī)器人腳底所受外力與上身加速度關(guān)系，并根據(jù)所述仿人機(jī)器人當(dāng)前狀態(tài)由腳底所受外力范圍計(jì)算的； 優(yōu)化所述仿人機(jī)器人的上身加速度；根據(jù)所述仿人機(jī)器人當(dāng)前狀態(tài)的加速度范圍和H)控制產(chǎn)生的目標(biāo)加速度，通過代價(jià)函數(shù)計(jì)算出該狀態(tài)的仿人機(jī)器人最優(yōu)上身加速度，并根據(jù)最優(yōu)的上身加速度，計(jì)算出所述仿人機(jī)器人所應(yīng)受外力和關(guān)節(jié)力矩，從而驅(qū)動(dòng)所述仿人機(jī)器人行走。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述動(dòng)力學(xué)模型的動(dòng)力學(xué)公式為
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述方法，其特征在于，所述仿人機(jī)器人在空間矢量的加速度與傳統(tǒng)加速度關(guān)系為
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，在得出加速度ac的范圍后，根據(jù)代價(jià)函數(shù)式子(8)，在加速度ac范圍內(nèi)求出最優(yōu)的上身加速度
5.一種仿人機(jī)器人逆動(dòng)力學(xué)控制器，所述仿人機(jī)器人具有上身、左腿和右腿，所述控制器包括 用于對(duì)所述仿人機(jī)器人建立動(dòng)力學(xué)模型的裝置；所述動(dòng)力學(xué)模型中，上身簡(jiǎn)化為一個(gè)集成的質(zhì)量塊，每條腿有六個(gè)關(guān)節(jié)，Qrl e R6xi與qn e R6xi分別代表右腿與左腿的關(guān)節(jié)角度，上身浮動(dòng)坐標(biāo)系Σ 于盆骨的中心，世界坐標(biāo)系Σ 位于地面； 用于計(jì)算所述仿人機(jī)器人上身加速度范圍的裝置；所述加速度范圍是使用“空間矢量”方法推導(dǎo)出所述仿人機(jī)器人腳底所受外力與上身加速度關(guān)系，并根據(jù)所述仿人機(jī)器人當(dāng)前狀態(tài)由腳底所受外力范圍計(jì)算的； 用于優(yōu)化所述仿人機(jī)器人的上身加速度的裝置；其根據(jù)所述仿人機(jī)器人當(dāng)前狀態(tài)的加速度范圍和ro控制產(chǎn)生的目標(biāo)加速度，通過代價(jià)函數(shù)計(jì)算出該狀態(tài)的仿人機(jī)器人最優(yōu)上身加速，并根據(jù)最優(yōu)的上身加速度，計(jì)算出所述仿人機(jī)器人所應(yīng)受外力和關(guān)節(jié)力矩，從而驅(qū)動(dòng)所述仿人機(jī)器人行走。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的控制器，其特征在于，所述動(dòng)力學(xué)模型的動(dòng)力學(xué)公式為
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述方法，其特征在于，所述仿人機(jī)器人在空間矢量的加速度與傳統(tǒng)加速度關(guān)系為
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的控制器，其特征在于，在得出加速度V的范圍后，根據(jù)代價(jià)函數(shù)式子(8)，在加速度ac范圍內(nèi)求出最優(yōu)的上身加速度
9.一種仿人機(jī)器人，具有上身、左腿和右腿，其特征在于，所述仿人機(jī)器人根據(jù)權(quán)利要求1-4之一所述的方法驅(qū)動(dòng)行走。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于加速度優(yōu)化的仿人機(jī)器人逆動(dòng)力學(xué)控制器。屬于機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域。所述控制器包括如下步驟根據(jù)仿人機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)約束，得到仿人機(jī)器人上身加速度與腳底所需外力的關(guān)系；根據(jù)外力的約束來計(jì)算上身加速度的范圍；通過代價(jià)函數(shù)計(jì)算出最優(yōu)的上身加速度，并計(jì)算出機(jī)器人所應(yīng)受外力和關(guān)節(jié)力矩。該方法給定機(jī)器人腳部受力約束,通過優(yōu)化機(jī)器人上身加速度,使機(jī)器人實(shí)際受到的外力滿足該約束條件，避免機(jī)器人發(fā)生由外界干擾產(chǎn)生不可預(yù)測(cè)的運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到穩(wěn)定控制仿人機(jī)器人的目的。
文檔編號(hào)G05B13/04GK103019096SQ20121048057
公開日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2012年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月23日
發(fā)明者余張國(guó), 黃強(qiáng), 馬淦, 陳學(xué)超, 李敬, 張思, 張偉民 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)