[发明专利]一种扰动恢复的仿人机器人空间柔顺控制模型构建方法

说明书

本发明公开了一种扰动恢复的仿人机器人空间柔顺控制模型构建方法，包括姿态柔顺控制和高度柔顺控制，姿态柔顺控制的方法是：获取机器人上身相对于脚的角度θ，根据腿部的弹性阻尼模型计算出目标力矩τ_ref，通过导纳控制，调节踝关节转动角度Δq_ankle来补偿真实测得的力矩τ_measure与τ_ref的偏差，跟踪目标力矩τ_ref，实现了姿态柔顺控制；高度柔顺控制的方法是：获取上身相对于支撑脚的高度，计算目标竖直方向力再计算出力传感器对小腿实际作用力通过导纳控制，控制在每个控制周期内调整质心高度指令ΔH，并使质心高度回到H_ref；本发明实现机器人姿态柔顺和高度柔顺的结合，使机器人在受到外部冲击时(包括不平整地面对脚底的脉冲作用力)能够使身体位姿发生一定的偏移，以减小冲击力，防止机器人失稳。

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种扰动恢复的仿人机器人空间柔顺控制模型构建方法。

背景技术

仿人机器人代表着机器人研究领域的顶尖技术水平。仿人机器人实用化的途径包含着提高仿人机器人的环境适应能力。使仿人机器人在不平整地面，以及受到外部冲击时能够产生自适应的动作，并最终恢复到原来的运动状态。对于位置控制式的多自由度仿人机器人，为了兼顾站立时的稳定性及行走时的环境适应性，运动时常需要在高刚性与柔性之间切换。如果根据机器人当前运动状态不断改变机器人的刚性和柔性会增加控制系统的复杂性，因此有必要发明一种统一的模型，该模型可以使机器人在受到较大冲击时能保持恒定的上身高度，同时机器人变得柔顺，产生顺应冲击方向的运动，防止机器人翻倒。

现有的一种调节机器人着地脚面姿态，使其与地面柔顺接触的方法，以实现不平整地面的行走。通过检测脚底的合力作用点，决定脚面的旋转方向。利用设置的刚度阻尼系数算出所需转动的加速度。但是该方法需要通过利用六维力传感器计算合力作用点，对不同落脚时刻的运动状态进行分辨，并且针对不同的阶段设置了不同的阻抗系数，增加了系统复杂程度。

另外一种模仿人体肌肉粘弹性的机器人行走稳定控制方法。根据ZMP和质心轨迹计算踝关节的调整位姿，并把调整量叠加到原先规划的轨迹上，并通过计算逆运动学得到每个关节执行元件的执行角度，以实现机器人行走时的环境适应性。但是该方法需要提前计算ZMP轨迹和质心轨迹，并检测实际ZMP的位置，对机器人系统提出了比较高的要求。

综上，现有技术只通过踝关节的调节实现抗扰动，或者只调节上身的位置和姿态而忽略了脚底的地面作用力。常规的阻抗控制需要检测机器人的ZMP，还需要预先设计ZMP轨迹作为跟踪目标。一些方法需要对机器人与环境间的作用情况进行辨识，来调整控制参数，增加了系统的复杂程度，通用性不高。

发明内容

为了解决现有技术中的不足，提出了一种扰动恢复的仿人机器人空间柔顺控制模型构建方法，不需要对合力作用点、机器人是否要摔倒、是否脚尖与地面接触等条件进行计算，就实现机器人位置柔顺与姿态柔顺的统一，提高机器人受到扰动时的稳定性，同时保证了质心高度的恒定。

本发明所采用的技术方案如下：

一种扰动恢复的仿人机器人空间柔顺控制模型构建方法，包括姿态柔顺控制和高度柔顺控制，所述姿态柔顺控制的方法是：获取机器人上身相对于脚的角度θ，根据腿部的弹性阻尼模型计算出目标力矩τ_ref，通过导纳控制，调解踝关节转动角度Δq_ankle来补偿真实测得的力矩τ_measure与τ_ref的偏差，跟踪目标力矩τ_ref，实现了姿态柔顺控制；

所述高度柔顺控制的方法是：获取上身相对于支撑脚的高度，计算目标竖直方向力再计算出力传感器对小腿实际作用力通过导纳控制，控制在每个控制周期内调整质心高度指令ΔH，并使质心高度回到H_ref。

进一步，所述腿部的弹性阻尼模型表示：