本發(fā)明涉及一種小型類人機(jī)器人，還涉及這種實(shí)現(xiàn)全向步行的小型類人機(jī)器人的控制方法。

背景技術(shù)：

中小型雙足仿人機(jī)器人，已在服務(wù)，醫(yī)療，教育，娛樂等多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在娛樂方面，小型仿人機(jī)器人可用于舞蹈，踢球，格斗等多個方面，仿人的外形更能吸引人的注意力?，F(xiàn)在國內(nèi)的小型仿人機(jī)器人智能化程度低，自主分析處理能力弱，不能獨(dú)立于外部控制完成任務(wù)。在國內(nèi)基本沒有機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)動態(tài)步行，市面上銷售的常見娛樂型機(jī)器人，通過自帶的動作編輯軟件也能編輯出步行的動作，但其動作僵硬緩慢，只能沿著固定的方向，且在步行中容易摔倒。

參照圖7，文獻(xiàn)“申請公布號是cn103770116a的中國發(fā)明專利”公開了一種十七自由度人形機(jī)器人。該機(jī)器人由頭部、軀干和四肢構(gòu)成，采用了十七個雙軸舵機(jī)，可以完成許多仿人形動作。所述頭部有一個自由度，每只手有三個自由度，每個腿部有五個自由度。該機(jī)器人臀部關(guān)節(jié)只有四個自由度，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎動作時不自然，而且步行動作是預(yù)先編輯好的，不能實(shí)現(xiàn)向任意方向步行的目標(biāo)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有小型類人機(jī)器人不能實(shí)現(xiàn)向任意方向步行目的的不足，本發(fā)明提供一種實(shí)現(xiàn)全向步行的小型類人機(jī)器人及其控制方法。所述機(jī)器人包括舵機(jī)和舵機(jī)連接件，舵機(jī)和舵機(jī)連接件構(gòu)成整個主體。每個手臂三個連接件，即每個手臂三個自由度。每條腿六個連接件，即每條腿六個自由度，頭部有兩個連接件，即頭部有兩個自由度。控制方法采用的步態(tài)算法是對實(shí)時零力矩點(diǎn)算法的近似，通過輸出耦合振蕩曲線并結(jié)合倒立擺系統(tǒng)控制算法進(jìn)行補(bǔ)償修正，通過計(jì)算機(jī)仿真調(diào)整模型參數(shù)，獲得了能夠?qū)崟r生成的穩(wěn)定的仿人機(jī)器人步態(tài)仿真模型。最后在實(shí)物機(jī)器人上實(shí)驗(yàn)，達(dá)到最終的機(jī)器人步態(tài)效果。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種實(shí)現(xiàn)全向步行的小型類人機(jī)器人，其特點(diǎn)是：包括前胸1、ax18舵機(jī)2、核心電子支架3、頭部支架4、電池盒擋板5、大腿連接件6、大臂連接件7、小臂連接件8、手9、腳踝連接件10、左大腿11、右大腿12、小腿連接件13、小腿14、腳部支架15、舵機(jī)墊片16、舵機(jī)連接件17、大腿支架18、腳底板19、小臂連接件20、背部擋板21、電池盒22和手連接件23。舵機(jī)包括第一舵機(jī)0-1至第二十舵機(jī)0-20；前胸1與背部擋板21通過第三舵機(jī)0-3和第四舵機(jī)0-4配合組成身體，外加核心電子支架3構(gòu)成封閉空間。電池外置于身體后部的電池盒22內(nèi)；頭部支架4通過第一舵機(jī)0-1和第二舵機(jī)0-2組合設(shè)置在身體上方，與身體雙自由度活動連接；左側(cè)和右側(cè)大臂連接件7分別通過第三舵機(jī)0-3和第四舵機(jī)0-4，對稱設(shè)置在身體左右兩側(cè)，與身體活動連接；左側(cè)與右側(cè)小臂連接件8分別通過第五舵機(jī)0-5、第六舵機(jī)0-6與大臂連接件7活動連接，左側(cè)與右側(cè)手9分別通過第七舵機(jī)0-7、第八舵機(jī)0-8活動連接在小臂連接件8下方；左側(cè)與右側(cè)大腿支架18分別通過第九舵機(jī)0-9和第十舵機(jī)0-10對稱設(shè)置在身體下方，與身體活動連接；大腿連接件6將第十一舵機(jī)0-11和第十三舵機(jī)0-13組合，設(shè)置在大腿支架18下方；第十五舵機(jī)0-15、第十六舵機(jī)0-16分別通過左右小腿連接件13與左大腿11、右大腿12連接。左側(cè)與右側(cè)小腿14分別通過第十五舵機(jī)0-15、第十六舵機(jī)0-16連接在左大腿11、右大腿12下方；腳部支架15將第十七舵機(jī)0-17與腳底板19組合，設(shè)置在小腿14下方。

一種上述實(shí)現(xiàn)全向步行的小型類人機(jī)器人的控制方法，其特點(diǎn)是包括以下步驟：

步驟一、模型建立。

在機(jī)器人上設(shè)置三個振蕩器，其中兩個振蕩器位于左腳和右腳中心，為運(yùn)動振蕩器，一個振蕩器在機(jī)器人質(zhì)心處，為平衡振蕩器。每個振蕩器又分別包含有6個子振蕩器，分別為x，y，z三個軸方向的平移，記為x，y，z，以及繞x，y，z三個軸旋轉(zhuǎn)，記為α，β，γ。

運(yùn)動振蕩器和平衡振蕩器的振蕩基本計(jì)算公式如下，其中oscmove為運(yùn)動振蕩器輸出，oscbal為平衡振蕩器輸出：

oscbal(t)＝ρbalsin(ωbalt+δbal)+μbal(1)

輸出函數(shù)式中的o為時間，t表示一個步行周期，而r表示雙足著地時間比單足著地時間，ρmove，ωmove，δmove為運(yùn)動振蕩器正弦振蕩的參數(shù)，ρbal，ωbal，δbal為運(yùn)動振蕩器正弦振蕩的參數(shù)。運(yùn)動振蕩器和平衡振蕩器的6個子振蕩器x，y，z，α，β，γ均符合上式。平衡振蕩器在機(jī)器人的整個運(yùn)動周期中都持續(xù)運(yùn)動，而運(yùn)動振蕩器在雙足著地期間停止振動，單足著地期間啟動。左腳的運(yùn)動振蕩器和右腳的運(yùn)動振蕩器相位相差半個周期。

步驟二、參數(shù)確定。

根據(jù)人類的步行規(guī)律，當(dāng)機(jī)器人正常向前步行時，取t＝1.2s，r＝0.25，ρmove_x＝30，ρmove_z＝30，ρbal_x＝10，ρbal_y＝20，ρmove_x＝3，δbal_x＝δbal_y＝π，此處未提及的參數(shù)均取零，得到oscmove和oscbal輸出曲線。

以機(jī)器人站立時兩腳的中心作為原點(diǎn)設(shè)定機(jī)器人速度坐標(biāo)系，其x軸指向前方，y軸指向右側(cè)，z軸垂直地面向上。機(jī)器人向任意方向的步行分解為沿x軸的前后運(yùn)動，沿y軸的平移運(yùn)動和沿z軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，設(shè)這三個方向上的運(yùn)動分別為xmove，ymove和amove,其數(shù)值代表一個步行周期內(nèi)機(jī)器人在各方向運(yùn)動的大小，其單位為毫米。對應(yīng)之前的模型，即ρmove_x＝xmove，ρmove_y＝y(tǒng)move，σmove_c＝amove。通過這三個參數(shù)的組合，實(shí)現(xiàn)向任意方向步行。

步驟三、實(shí)際足跡的生成與關(guān)節(jié)角度的計(jì)算。

機(jī)器人雙足的實(shí)際運(yùn)動軌跡所述運(yùn)動振蕩器和平衡振蕩器輸出的線性耦合表示。其中，設(shè)osctotal為線性耦合振蕩器輸出，則隨時間變化有輸出函數(shù)

osctotal(t)＝oscmove(t)+oscbal(t)(3)

右腿的關(guān)節(jié)角度計(jì)算以機(jī)器人質(zhì)心為坐標(biāo)原點(diǎn)，右腳的運(yùn)動是平衡振蕩和運(yùn)動振蕩的疊加，即osctotal_r。對于振蕩器輸出得到的振蕩數(shù)據(jù)，通過逆運(yùn)動學(xué)計(jì)算得到了與機(jī)器人右腿腳踝2個舵機(jī)，膝部1個舵機(jī)和髖關(guān)節(jié)3個舵機(jī)的舵機(jī)角度。同理，計(jì)算出左腿的舵機(jī)角度。

步驟四、反饋修正。

采用基于倒立擺系統(tǒng)的補(bǔ)償控制器修正仿真結(jié)果并由陀螺儀與加速度計(jì)為其提供修正數(shù)據(jù)，其理論表達(dá)式如下

式中，τ是指補(bǔ)償控制器為維持動態(tài)平衡所需的修正力矩，θr是指實(shí)際運(yùn)動軌跡與zmp算法仿真結(jié)果之間的角度誤差，zcom是質(zhì)心當(dāng)前的高度，是機(jī)器人的質(zhì)量，計(jì)算所得的修正力矩將被作為平衡振蕩器oscbal的μbal參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，因此平衡振蕩器oscbal的曲線輸出公式表示為

式中，θr由各個關(guān)節(jié)處舵機(jī)提供，角速度由陀螺儀提供，kp與kd通過實(shí)際運(yùn)動的結(jié)果來確定。

本發(fā)明的有益效果是：所述機(jī)器人包括舵機(jī)和舵機(jī)連接件，舵機(jī)和舵機(jī)連接件構(gòu)成整個主體。每個手臂三個連接件，即每個手臂三個自由度。每條腿六個連接件，即每條腿六個自由度，頭部有兩個連接件，即頭部有兩個自由度?？刂品椒ú捎玫牟綉B(tài)算法是對實(shí)時零力矩點(diǎn)算法的近似，通過輸出耦合振蕩曲線并結(jié)合倒立擺系統(tǒng)控制算法進(jìn)行補(bǔ)償修正，通過計(jì)算機(jī)仿真調(diào)整模型參數(shù)，獲得了能夠?qū)崟r生成的穩(wěn)定的仿人機(jī)器人步態(tài)仿真模型。最后在實(shí)物機(jī)器人上實(shí)驗(yàn)，達(dá)到最終的機(jī)器人步態(tài)效果。

調(diào)節(jié)機(jī)器人全身的平衡，使重心能夠保持在機(jī)器人中心。考慮到整體的拆裝，舵機(jī)線的布置進(jìn)行了設(shè)計(jì)，保證了可裝可拆，且裝拆方便。舵機(jī)與身體部位的連接孔使用標(biāo)準(zhǔn)零件，裝配穩(wěn)固快捷；背部擋板由3d打印制成，可根據(jù)實(shí)際情況自行設(shè)計(jì)更換，且拆卸不會破壞機(jī)器人整體受力結(jié)構(gòu)，便于科研調(diào)試與比賽適應(yīng)。電纜走線采用奇偶對稱排列的方法，簡潔明了。舵機(jī)采用數(shù)字舵機(jī)串行通信，布線簡單快捷，可靠性佳。

機(jī)器人身體設(shè)計(jì)時舵機(jī)既是轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)固定點(diǎn)，又是控制零部件的驅(qū)動裝置，還是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的支撐點(diǎn)，簡化了鈑金結(jié)構(gòu)，增加了可擴(kuò)展性與穩(wěn)定性。主板采用可插裝的層疊式結(jié)構(gòu)，不需要額外的固定裝置，便于后續(xù)更換與升級。

主板功能設(shè)計(jì)可支持全自助任務(wù)執(zhí)行，也可遠(yuǎn)程控制。機(jī)器人的動作的計(jì)算與舵機(jī)控制的分離，形成獨(dú)立的模塊，不需對電路和下位機(jī)程序做任何更改，即可完成機(jī)器人的動作的執(zhí)行。

機(jī)器人上采用的步態(tài)算法計(jì)算復(fù)雜度低，機(jī)器人上的嵌入式計(jì)算機(jī)可以完成所有計(jì)算，保證了步行動作的流暢。軟件上采用posix線程進(jìn)行多線程規(guī)劃，在保證同時運(yùn)行的基礎(chǔ)上，模塊單獨(dú)部分也保持穩(wěn)定。程序使用標(biāo)準(zhǔn)的c++語言編寫，可運(yùn)行于開源的linux平臺。

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說明本發(fā)明。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)現(xiàn)全向步行的小型類人機(jī)器人的正面機(jī)械結(jié)構(gòu)圖。

圖2是本發(fā)明實(shí)現(xiàn)全向步行的小型類人機(jī)器人的側(cè)面機(jī)械結(jié)構(gòu)圖。

圖3是本發(fā)明實(shí)現(xiàn)全向步行的小型類人機(jī)器人的舵機(jī)連接示意圖。

圖4本發(fā)明實(shí)現(xiàn)全向步行的小型類人機(jī)器人的步態(tài)模型圖。

圖5是本發(fā)明實(shí)現(xiàn)全向步行的小型類人機(jī)器人的步態(tài)算法計(jì)算效果圖。

圖6是本發(fā)明實(shí)現(xiàn)全向步行的小型類人機(jī)器人的控制方法的流程圖。

圖7是本背景技術(shù)十七自由度人形機(jī)器人的正面機(jī)械結(jié)構(gòu)圖。

圖中，1-前胸，2-ax18舵機(jī)，3-核心電子支架，4-頭部支架，5-電池盒擋板，6-大腿連接件，7-大臂連接件，8-小臂連接件，9-手，10-腳踝連接件，11-左大腿，12-右大腿，13-小腿連接件，14-小腿，15-腳部支架，16-舵機(jī)墊片，17-舵機(jī)連接件，18-大腿支架，19-腳底板，20-小臂連接件，21-背部擋板，22-電池盒，23-手連接件。

具體實(shí)施方式

以下實(shí)施例參照圖1-6。

結(jié)構(gòu)實(shí)施例：

本發(fā)明實(shí)現(xiàn)全向步行的小型類人機(jī)器人包括前胸1、ax18舵機(jī)2、核心電子支架3、頭部支架4、電池盒擋板5、大腿連接件6、大臂連接件7、小臂連接件8、手9、腳踝連接件10、左大腿11、右大腿12、小腿連接件13、小腿14、腳部支架15、舵機(jī)墊片16、舵機(jī)連接件17、大腿支架18、腳底板19、小臂連接件20、背部擋板21、電池盒22和手連接件23。舵機(jī)包括第一舵機(jī)0-1至第二十舵機(jī)0-20；前胸1與背部擋板21通過第三舵機(jī)0-3和第四舵機(jī)0-4配合組成身體，外加核心電子支架3構(gòu)成封閉空間，保護(hù)核心電子設(shè)備安全穩(wěn)定；核心電子設(shè)備裝載在殼體內(nèi)部，下位機(jī)電池外置于身體后部電池盒22；頭部支架4通過第一舵機(jī)0-1和第二舵機(jī)0-2組合設(shè)置在身體上方，與身體雙自由度活動連接；身體左側(cè)與右側(cè)大臂連接件7分別通過第三舵機(jī)0-3和第四舵機(jī)0-4，對稱設(shè)置在身體左右兩側(cè)，與身體活動連接；身體左側(cè)與右側(cè)小臂連接件8分別通過第五舵機(jī)0-5、第六舵機(jī)0-6與大臂連接件7活動連接，身體左側(cè)與右側(cè)手9分別通過第七舵機(jī)0-7、第八舵機(jī)0-8活動連接在小臂連接件8下方；身體左側(cè)與右側(cè)大腿支架18分別通過第九舵機(jī)0-9和第十舵機(jī)0-10對稱設(shè)置在身體下方，與身體活動連接；大腿連接件6將第十一舵機(jī)0-11和第十三舵機(jī)0-13組合，設(shè)置在大腿支架18下方；第十五舵機(jī)0-15、第十六舵機(jī)0-16分別通過左右小腿連接件13與左大腿11、右大腿12連接。身體左側(cè)與右側(cè)小腿14分別通過第十五舵機(jī)0-15、第十六舵機(jī)0-16連接在左大腿11、右大腿12下方；腳部支架15將第十七舵機(jī)0-17和腳底板19組合，設(shè)置在小腿14下方。

所述前胸1、ax18舵機(jī)2、核心電子支架3、頭部支架4、電池盒擋板5、大腿連接件6、大臂連接件7、小臂連接件8、手9、腳踝連接件10、左大腿11、右大腿12、小腿連接件13、小腿14、腳部支架15、舵機(jī)墊片16、舵機(jī)連接件17、大腿支架18、腳底板19、小臂連接件20、電池盒22和手連接件23由著色2mm硬質(zhì)鋁合金鈑金制成國標(biāo)2a12或者ly12，美標(biāo)2024aa，iso：alcu4mg1iso209.1-1989的鈑金，其優(yōu)點(diǎn)是具有很高的強(qiáng)度和良好的切削加工性能，該材料被廣泛的應(yīng)用于，飛機(jī)結(jié)構(gòu)蒙皮，骨架，肋梁，隔框，鉚釘?shù)绕渌鞣N結(jié)構(gòu)件上。

控制方法實(shí)施例：

步驟一、模型建立。

在機(jī)器人上一共設(shè)置三個振蕩器，其中兩個位于左腳和右腳中心，為運(yùn)動振蕩器，一個在機(jī)器人質(zhì)心處，為平衡振蕩器。每個振蕩器又分別包含有6個子振蕩器，分別為x，y，z三個軸方向的平移，記為x，y，z，以及繞x，y，z三個軸旋轉(zhuǎn)，記為α，β，γ。

運(yùn)動振蕩器和平衡振蕩器的振蕩基本計(jì)算公式如下，其中oscmove為運(yùn)動振蕩器輸出，oscbal為平衡振蕩器輸出：

oscbal(t)＝ρbalsin(ωbalt+δbal)+μbal(1)

輸出函數(shù)式中的t為時間，t表示一個步行周期，而r表示雙足著地時間比單足著地時間，ρmove，ωmove，δmove為運(yùn)動振蕩器正弦振蕩的參數(shù)，ρbal，ωbal，δbal為運(yùn)動振蕩器正弦振蕩的參數(shù)。運(yùn)動振蕩器和平衡振蕩器的6個子振蕩器x，y，z，α，β，γ均符合上式，但參數(shù)各有不同。平衡振蕩器在機(jī)器人的整個運(yùn)動周期中都持續(xù)運(yùn)動，而運(yùn)動振蕩器在雙足著地期間停止振動，單足著地期間啟動。左腳的運(yùn)動振蕩器和右腳的運(yùn)動振蕩器相位相差半個周期。

步驟二、參數(shù)確定。

參照圖5，根據(jù)人類的步行規(guī)律，當(dāng)機(jī)器人正常向前步行時，取t＝1.2s，r＝0.25，ρmove_x＝30，ρmove_z＝30，ρbal_x＝10，ρbal_y＝20，ρmove_x＝3，δbal_x＝δbal_y＝π，此處未提及的參數(shù)均取零，得到oscmove和oscbal輸出曲線。

以機(jī)器人站立時兩腳的中心作為原點(diǎn)設(shè)定機(jī)器人速度坐標(biāo)系，其x軸指向前方，y軸指向右側(cè)，z軸垂直地面向上。機(jī)器人向任意方向的步行可以分解為沿x軸的前后運(yùn)動，沿y軸的平移運(yùn)動和沿z軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，設(shè)這三個方向上的運(yùn)動分別為xmove，ymove和amove,其數(shù)值代表一個步行周期內(nèi)機(jī)器人在各方向運(yùn)動的大小，其單位為毫米。對應(yīng)之前的模型，即σmove_x＝xmove，σmove_y＝y(tǒng)move，ρmove_c＝amove。通過這三個參數(shù)的組合，即可實(shí)現(xiàn)向任意方向步行。

步驟三、實(shí)際足跡的生成與關(guān)節(jié)角度的計(jì)算。

機(jī)器人雙足的實(shí)際運(yùn)動軌跡可以通過上文提到的運(yùn)動振蕩器和平衡振蕩器輸出的線性耦合來表示。其中，設(shè)，osctotal為線性耦合振蕩器輸出，則隨時間變化有輸出函數(shù)

osctotal(t)＝oscmove(t)+oscbal(t)(3)

以右腿的關(guān)節(jié)角度計(jì)算為例，以機(jī)器人質(zhì)心為坐標(biāo)原點(diǎn)，右腳的運(yùn)動是平衡振蕩和運(yùn)動振蕩的疊加，即osctotal_r。對于振蕩器輸出得到的振蕩數(shù)據(jù)，通過逆運(yùn)動學(xué)計(jì)算得到了與機(jī)器人右腿腳踝2個舵機(jī)，膝部1個舵機(jī)和髖關(guān)節(jié)3個舵機(jī)的舵機(jī)角度。同理，計(jì)算出左腿的舵機(jī)角度

步驟四、反饋修正。

與此同時，由于仿真物理模型與實(shí)際狀態(tài)存在一定的不可避免的誤差，這導(dǎo)致在沒有補(bǔ)償值的情況下直接將仿真計(jì)算結(jié)果應(yīng)用于實(shí)物機(jī)器人將會有難以預(yù)估的不穩(wěn)定性產(chǎn)生。

為了降低這一不穩(wěn)定性，使用基于倒立擺系統(tǒng)的補(bǔ)償控制器來修正仿真結(jié)果并由陀螺儀與加速度計(jì)為其提供修正數(shù)據(jù)，其理論表達(dá)式如下

式中，τ是指補(bǔ)償控制器為維持動態(tài)平衡所需的修正力矩，θr是指實(shí)際運(yùn)動軌跡與zmp算法仿真結(jié)果之間的角度誤差，zcom是質(zhì)心當(dāng)前的高度，是機(jī)器人的質(zhì)量，計(jì)算所得的修正力矩將被作為平衡振蕩器oscbal的μbal參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，因此平衡振蕩器oscbal的曲線輸出公式表示為

公式中的θr可由各個關(guān)節(jié)處舵機(jī)提供，而角速度則可由陀螺儀提供，但由于直接得到的數(shù)據(jù)與真值之間也存在誤差，所以kp與kd仍需通過實(shí)際運(yùn)動的結(jié)果來確定。

用matlab對傳統(tǒng)的zmp算法和簡化的算法進(jìn)行了對比仿真，兩者相差在可以接受的范圍內(nèi)，驗(yàn)證了實(shí)時zmp算法生成的耦合振蕩曲線的可靠性。在實(shí)物機(jī)器人上試驗(yàn)，機(jī)器人在平地上可以穩(wěn)定的行走。通過調(diào)節(jié)模型的參數(shù)，可以前進(jìn)、平移或倒退，還可以指定行走的角度，實(shí)現(xiàn)了向任意方向行走的目標(biāo)。