[发明专利]一种双足机器人偏摆力矩补偿方法

说明书

本发明涉及一种双足机器人偏摆力矩补偿方法，针对机器人游离腿的加、减速过程导致与地面的接触面产生偏摆力矩问题，本发明提出基于机器人上半身运动模式实现对偏摆力矩补偿的方法，结合机器人全身结构自由度布局，设计其腰关节或臂关节的运动产生补偿力矩，使偏摆力矩控制在最大摩擦力矩之内。通过对补偿力矩构建能量消耗函数，对腰关节和臂关节运动模式能量消耗进行评估，确定机器人偏摆力矩最佳补偿方案，对提高机器人步行稳定性及使用寿命具有重要意义。本发明充分考虑了能量损耗因素，基于上半身运动实现对步行过程偏摆力矩的有效补偿，可适用于具有全自由度的双足机器人的运动场景，进一步提高机器人的步行能力。

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种双足机器人偏摆力矩补偿方法。

背景技术

在目前的双足机器人研究领域，对其稳定性分析时，多采用基于ZMP的稳定性判据，该方法较为成熟，在众多机器人产品得到了较好的应用。但ZMP稳定性判据存在一定的弊端，根据ZMP的定义：在机器人步行过程中，脚掌与地面的接触会产生来自地面的作用力，将作用力的合力等效为某一点处，且在该点沿水平面内的力矩为零，则该点即为零力矩点(ZMP)。在双足机器人动态步行时，若其ZMP始终保持在支撑多边形区域内，则步行是稳定的。该判据保证了机器人在水平面内的力矩为零，但对于机器人绕竖直方向的力矩，该判据未对其进行研究。在对机器人研究时，默认机器人竖直方向的力矩由地面提供的摩擦力矩完全补偿，基于以上条件完成对机器人稳定性的研究。

在机器人与地面摩擦系数较大、步行过程偏摆力矩较小的情况下，以上假设是成立的，摩擦力矩完全可以补偿机器人加、减速过程产生的偏摆力矩。但在机器人实际步行过程中，由于运动速度相对较快，地面摩擦力提供的摩擦力矩有限，无法完全补偿偏摆力矩，此时脚掌相对地面会发生旋转滑动，影响机器人的稳定性，当旋转滑动程度较大时，机器人甚至会发生摔倒的现象。目前，大多数双足机器人物理样机在踝关节处均未配备z轴方向的偏航自由度，故当机器人全身相对于支撑脚踝部的偏摆力矩增大时，会造成踝关节的磨损，对机器人零部件造成损伤。因此，如何控制机器人的上半身来降低偏摆力矩产生的影响，是进一步提高机器人步行稳定性的关键。

在目前常用的双足机器人步态规划研究中，由于双足机器人是一个多刚体、变结构、强耦合的复杂动力学系统，运动学模型、力学控制模型等多为高阶非线性方程，在线步态规划方法应用到双足机器人领域有较大难度，对步行过程的在线优化耗时较长，对机器人硬件系统提出较高求，故目前的双足机器人步行方式多为离线步态规划，有的则采用离线规划加在线调整的控制方式完成机器人的步行过程。基于以上机器人步行方式的提出，对于其偏摆力矩的补偿，应在离线步态规划阶段完成，求解步态规划过程中所产生的偏摆力矩，提出有效的补偿措施。

申请号为201611194751.7的中国专利公开一种仿人机器人偏摆力矩控制方法，通过控制踝关节抵消偏摆力矩的影响。该方法通过建立踝关节处的力优化函数，基于迭代方法的得到踝关节位置补偿量。而机器人是一个多自由度系统，运动过程中驱动电机存在磨损，导致各关节角的控制精度变低，由于机器人脚掌与地面的冲击碰撞，导致各组成结构件发生一定程度的形变。若通过对踝关节进行位置补偿，一方面由于的电机磨损导致的控制精度变低，对偏摆力矩的控制作用无法达到预期要求；另一方面由于机器人各连接件的形变，导致踝关节理论计算补偿量和实际所需补偿量存在较大差异，最终无法使机器人偏摆力矩控制在摩擦力矩范围内。

发明内容

针对现有技术中所存在的不足，本发明提出了一种双足机器人偏摆力矩补偿方法。本发明对于当前ZMP稳定性判据存在的弊端，导致机器人在快速步行过程发生的偏转滑移现象，采用机器人上半身关节运动控制的方式，产生用于平衡偏摆力矩的补偿力矩，通过腰关节或臂关节的运动模式，基于能量消耗最优考虑，实现机器人运动过程偏摆力矩的最优补偿，进一步提高机器人的步行稳定性。因机器人为一个多自由度、强耦合、混杂态的混合动力学系统，对其进行动力学建模时，采取常规的求解方式较为复杂，故需将其简化为多连杆模型，对于不同的运动模式可获得相应的动力学方程，针对腰关节或臂关节的运动模式，可获得相应的能量函数。