[发明专利]一种机器人关节的仿生粘弹性控制方法

说明书

本发明公开了一种机器人关节的仿生粘弹性控制方法，机器人受到未知扰动，根据姿态传感器和关节码盘数据，获取机器人当前姿态和参考姿态之间的关节角度偏差和关节角速度偏差，再根据粘弹性模型计算机器人受到的虚拟力矩，从而获得虚拟力矩产生的期望关节角度轨迹，由该轨迹控制机器人。本发明可提高机器人关节的柔顺性，在实现未知外加扰动下关节运动保持柔顺的同时，保持机器人的稳定性。该方法可以增强机器人的操作能力，增加仿人机器人的应用场合。

技术领域

本发明属于技术领域，具体涉及一种机器人关节的仿生粘弹性控制方法。

背景技术

机器人能够协助或取代人类的工作，例如生产业、建筑业或是危险的工作，在复杂、危险环境中更快速也更安全。在这些环境中，机器人容易由于不平地面和未知扰动、障碍而导致摔倒或者倾覆的发生。这种情况下的关节柔顺和保持平衡是机器人，特别是双足机器人，展现高运动能力和工作能力的必要条件，对机器人的应用来说具有重大的意义，也成为了一个亟待解决的问题。

现有技术描述了仿人机器人在外加推力下的平衡和恢复，研究了仿人机器人通过踝、髋和迈步来抵抗推力的方法，但该方法中的模型较为简单，没有考虑多关节协同的柔顺控制方法，也没有考虑不平地面的影响。现有技术提出了一个仿人机器人的平衡位置参考点，可以根据该参考点的位置进行迈步来保持平衡，但是并没有考虑保持平衡过程中关节的柔顺问题。现有技术还提出了一个仿人机器人全身粘弹性模型，使用简单的并联弹簧阻尼，柔顺程度有限，且并没有考虑接近平衡位置时的系数变化，不具有仿生特性；也并没有考虑虚拟模型在位置控制机器人上的有效实现。

由此可知，现有机器人柔顺控制和平衡稳定大多只考虑柔顺和平衡控制在理论上的收敛和稳定性，没有涉及更复杂的粘弹性模型，也没有涉及关节的仿生特性；而现有的粘弹性模型大多只能通过修改离线轨迹来产生粘弹性效果，不具有抗扰动功能。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种机器人关节的仿生粘弹性控制方法，结合人体关节的特点和机器人关节的控制方法，在实现未知外加扰动下关节运动保持柔顺的同时，保持机器人的稳定性。

本发明是通过以下技术方案实现上述技术目的的。

一种机器人关节的仿生粘弹性控制方法，机器人受到未知扰动，根据姿态传感器和关节码盘数据，获取机器人当前姿态和参考姿态之间的关节角度偏差q和关节角速度偏差再根据粘弹性模型，计算机器人受到的虚拟力矩，从而获得虚拟力矩产生的期望关节角度轨迹，由该轨迹控制机器人。

进一步，所述虚拟力矩满足T＝min(T_max,(δ₀+δ*q)*T₀)，其中，δ₀和δ为固定系数，T_max为虚拟力矩最大值。

进一步，所述期望关节角度轨迹其中q^d和分别为期望关节角度轨迹和期望关节角速度轨迹，为期望关节角加速度，为基于实测关节角度的轨迹调节量。

更进一步，所述关节角度的轨迹调节量基于虚拟粘弹性模型，所述虚拟粘弹性模型由粘性单元和弹性单元并联而成。

更进一步，所述关节角度的轨迹调节量其中S为虚拟粘弹性模型的弹性系数，C为虚拟粘弹性模型的阻尼。

本发明的有益效果为：

(1)本发明的仿生粘弹性控制方法，可以完成机器人在未知外加扰动下关节运动保持柔顺的要求，同时保持机器人的稳定性；

(2)本发明通过仿生的、串并联的虚拟粘弹性模型来计算和调节机器人所受力矩，提高机器人的关节柔顺性，使其具有仿生学特点；通过虚拟粘弹性模型来计算关节角度期望轨迹，机器人沿着关节角度期望轨迹运动，从而达到抗扰动的效果。

附图说明