[发明专利]一种基于降阶极点配置法的机器人平衡控制方法及装置

说明书

本发明公开了一种基于降阶极点配置法的机器人平衡控制方法及装置，该方法包括：对预构建的二阶倒立摆新构型进行动力学分析，得到被控对象的模型；根据被控对象的模型构建降阶的基于极点配置法的立姿平衡控制器；获取参数信息并计算组合质心角度、角速度和角加速度；将组合质心角度、角速度和角加速度输入到立姿平衡控制器并输出控制力矩的信号，实现立姿平衡。该装置包括存储器以及用于执行上述基于降阶极点配置法的机器人平衡控制方法的处理器。通过使用本发明，能够有效地减少在线计算量并实现机器人的立姿平衡控制。本发明作为一种基于降阶极点配置法的机器人平衡控制方法及装置，可广泛应用于机器人平衡控制领域。

技术领域

本发明涉及机器人平衡控制领域，尤其涉及一种基于降阶极点配置法的机器人平衡控制方法及装置。

背景技术

目前仿人型机器人的立姿平衡控制策略常采用零力矩点法(ZMP)，但前提是机器人双足间能够形成一定面积的支撑多边形；目前的技术和方法很少涉及支撑面积有限、具有被动踝关节的点足式机器人。其中，大部分的智能控制算法存在计算量大、反馈变量多、不易于实现的缺点。而现有的极点配置法具有结构简单且有效的特点，但反馈变量中的加加速度无法测量的难题限制了此算法的应用；试图通过对加速度进行微分得到加加速度的方式，不仅对传感器的精度提出了极高的要求，而且很可能引入恶劣的噪声并最终导致闭环控制系统的振荡甚至不稳定。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于降阶极点配置法的机器人平衡控制方法及装置，利用二阶倒立摆新构型来模拟点足接触式仿人型机器人的立姿平衡控制过程，能有效地减少在线计算量，使点足式仿人型机器人获得一定的抗外界干扰能力。

本发明所采用的第一技术方案是：一种基于降阶极点配置法的机器人平衡控制方法，包括以下步骤：

对预构建的二阶倒立摆新构型进行动力学分析，得到被控对象的模型；

根据被控对象的模型构建降阶的基于极点配置法的立姿平衡控制器；

获取踝关节角度、踝关节角速度、踝关节角加速度、髋关节角度、髋关节角速度和髋关节角度角加速度并计算组合质心角度、组合质心角速度和组合质心角加速度；

将组合质心角度、组合质心角速度和组合质心角加速度输入到立姿平衡控制器并输出控制力矩的信号，实现立姿平衡。

进一步，所述预构建的二阶倒立摆新构型包括上摆、下摆、驱动器、第一传感器和第二传感器。

进一步，所述对预构建的二阶倒立摆新构型进行动力学分析，得到被控对象的模型这一步骤，其具体包括：

对预构建的二阶倒立摆新构型进行动力学分析；

根据上摆的受力情况和肩关节处力矩平衡方程，得到第一方程；

根据下摆的力学方程，得到第二方程；

根据第一方程和第二方程，得到被控对象的模型。

进一步，所述第一方程的表达式如下：

上式中，M_u表示上摆的质量，l_u表示上摆的半长，l_l表示下摆的全长，J_u表示上摆的理想转动惯量，θ_u表示上摆角度，F表示髋关节处相互作用力的水平分量，T_act表示髋关节处驱动力矩，g表示重力加速度，θ_l表示下摆角度，表示上摆的角加速度，表示下摆的角加速度。

进一步，所述第二方程的表达式如下：

上式中，M_l表示下摆的质量，J_l表示下摆的理想转动惯量。