一種仿人機器人的前摔保護控制策略的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種仿人機器人動作評價方法，屬于機器人技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]仿人機器人是機器人研宄領(lǐng)域最高研宄成果的代表。仿人機器人的最終研宄目標是:研制出具備人類特征(如行走、感官、思維、判斷等能力)，在相當程度上替代人類并服務(wù)于人類，且能夠與人類和諧共處的高級智能機器人。
[0003]但是，由于機器人重心高而支撐面小，所以機器人不可避免的會摔倒，因此，要實現(xiàn)機器人走出實驗室，協(xié)助人類工作，就必須要克服機器人摔倒造成的損傷問題。防止機器人摔倒是早期研宄的重點，然而由于機器人的不穩(wěn)定性，摔倒總是會發(fā)生，科研人員開始關(guān)注機器人摔倒時的保護策略來應(yīng)對機器人的摔倒突發(fā)狀況。
[0004]中國專利CN201110277710.5，提出了一種機器人摔倒保護機構(gòu)，通過緩沖器的彈性元件緩沖和吸收沖擊力，但是未考慮人體摔倒時各關(guān)節(jié)運動情況，僅僅從機械上減小沖擊力，并且減小沖擊的能力有限。
[0005]現(xiàn)有論文“Safe Knee Landing of a Human-size Humanoid rbot while FallingForward”提出了一種前摔時的保護策略，沒有考慮膝關(guān)節(jié)著地后應(yīng)該采取的保護措施，如果膝部沖擊力很大，不采取相應(yīng)的保護措施的話，機器人就會受到損壞。
[0006]現(xiàn)有技術(shù)沒有研宄機器人膝部著地后是否應(yīng)該采取相應(yīng)的措施更好地保護機器人系統(tǒng)，而機器人膝關(guān)節(jié)著地后，軀干還有向前傾的趨勢。如果膝關(guān)節(jié)受到的沖擊比較大，不采取后續(xù)的保護策略，對機器人是不利的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是研宄仿人機器人的摔倒運動規(guī)劃與控制技術(shù)，特別是手臂的規(guī)劃控制技術(shù)，使機器人在摔倒時能主動控制自身的全身運動，將摔倒對自身的損傷減小到最小。
[0008]本發(fā)明采取的技術(shù)方案是:
[0009]通過采用以上技術(shù)方案，本發(fā)明能夠取得以下技術(shù)效果:本發(fā)明就根據(jù)機器人膝關(guān)節(jié)著地后的受力情況，提出了兩種后續(xù)的控制策略，這樣會使機器人能夠承受更大的沖擊，能夠更好地保護機器人，延長機器人的使用壽命。
【附圖說明】
[0010]圖1是本發(fā)明的機器人前摔保護控制策略流程圖
[0011]圖2是機器人前摔模型
[0012]圖3是機器人小腿水平面受力情況
【具體實施方式】
[0013]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做更詳細的介紹。
[0014]圖1為機器人前摔保護控制的總流程圖，過程如下:安裝在仿人機器人足底的六維力/力矩傳感器會實時反饋當前的力/力矩信息，計算機根據(jù)這些數(shù)據(jù)測得ZMP的位置，當計算機計算得到的ZMP位置落在支撐多邊形外時，根據(jù)ZMP理論，此時機器人的運動是不穩(wěn)定的，并且不可以通過對軌跡調(diào)整，使ZMP落在有效穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)。因此，當檢測到ZMP落在支撐多邊形外時，機器人有摔倒趨勢，機器人不可避免的會摔倒，此時，我們應(yīng)該執(zhí)行摔倒保護控制策略對機器人進行保護。摔倒方向根據(jù)安裝在軀干上的速度傳感器得到，本發(fā)明只研宄前摔保護控制情況。
[0015]當機器人具有向前摔倒的運動趨勢時，機器人執(zhí)行前摔保護控制策略，具體過程如下:首先執(zhí)行膝關(guān)節(jié)著地控制策略，身體下蹲，使膝部先著地，此時機器人的小腿著地，支撐機器人，兩個小腿構(gòu)成的封閉區(qū)域構(gòu)成了等效的支撐多邊形，可以通過等效的ZMP點，判斷機器人的狀態(tài)，從而采取不同的措施。
[0016]膝關(guān)節(jié)著地后，通過安裝在膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的力傳感器，測得左腿和右腿共四個關(guān)節(jié)的受力情況，如圖3所示為左右小腿水平面的受力情況，通過ZMP理論可以求得ZMP的位置，然后判斷ZMP是否落在支撐多邊形內(nèi)。當ZMP落在支撐多邊形內(nèi)時，表示關(guān)節(jié)受到的沖擊不是很大，仍然可以通過調(diào)節(jié)上身的姿態(tài)使機器人處于穩(wěn)定狀態(tài)。當ZMP落在支撐多邊形外時，表明機器人受到的沖擊很大，不能通過調(diào)節(jié)上身姿態(tài)完成對機器人的保護工作，此時，采取手部著地，肘關(guān)節(jié)擴張二次緩沖控制策略，降低沖擊對機器人造成的威脅。
[0017]圖2為機器人摔倒時的多桿模型(右腿)，如圖所示，機器人膝關(guān)節(jié)著地后，小腿起到支撐作用，力傳感器測得右小腿的受力分別是Fl (膝關(guān)節(jié))，F(xiàn)2 (踝關(guān)節(jié))，左腿與之類似，分別是F3、F4，Σν為世界坐標系。
[0018]圖3為上文所述的支撐水平面小腿的受力情況，兩小腿構(gòu)成的封閉區(qū)域可以看成支撐多邊形。其中I為右膝關(guān)節(jié)，2為右踝關(guān)節(jié)，3為左膝關(guān)節(jié)，4為左踝關(guān)節(jié)，受力如圖3。通過這四個力傳感器得到的信息，可以測得實際的ZMP位置，假設(shè)為Px，Py。
[0019]Px= (Fly*xl+F2y*x2+F3y*x3+F4y*x4) / (Fly+F2y+F3y+F4y)
[0020]Py = (Flx*yl+F2x*y2+F3x*y3+F4x*y4)/(Flx+F2x+F3x+F4x)
[0021]其中xi和yi分別為世界坐標系下i關(guān)節(jié)的X坐標和y坐標。
[0022]我們就可以根據(jù)此判斷ZMP是否落在支撐多邊形內(nèi)，從而采取不同的控制措施。
[0023]當ZMP落在支撐多邊形內(nèi)時，通過測得的力控制姿態(tài)過程如下:
[0024](I)通過四個力傳感器測量實際的ZMP位置，測量ZMP的位置:Px，Py
[0025](2)假設(shè)設(shè)定的ZMP位置為PxO，PyO,規(guī)劃相應(yīng)的ZMP運動軌跡，使ZMP移動到期望的ZMP點。
[0026](3)根據(jù)期望的ZMP運動軌跡，規(guī)劃機器人重心的運動T (CoM)。
[0027](4)根據(jù)機器人重心的運動，通過逆運動學，計算各個關(guān)節(jié)的角度:
[0028]Q = InverseKinematics (T (CoM)), InverseKinematics 是自己編寫的逆運動學求解函數(shù)名。
[0029](5)利用規(guī)劃的關(guān)節(jié)角度，控制機器人的運動。
【主權(quán)項】
1.一種仿人機器人的前摔保護控制方法，包括以下步驟: 通過安裝在仿人機器人足底的六維力/力矩傳感器會實時反饋當前的力/力矩信息，根據(jù)這些數(shù)據(jù)測得ZMP的位置； 當機器人具有向前摔倒的運動趨勢時，機器人執(zhí)行前摔保護控制策略。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述前摔保護控制策略具體過程如下: 首先執(zhí)行膝關(guān)節(jié)著地控制策略，身體下蹲，使膝部先著地，此時機器人的小腿著地，支撐機器人，兩個小腿構(gòu)成的封閉區(qū)域構(gòu)成了等效的支撐多邊形；通過等效的ZMP點，判斷機器人的狀態(tài)，從而采取不同的措施； 膝關(guān)節(jié)著地后，通過安裝在膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的力傳感器，測得左腿和右腿共四個關(guān)節(jié)的受力情況，通過ZMP理論求得ZMP的位置，然后判斷ZMP是否落在支撐多邊形內(nèi)。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，進一步包括: 當ZMP落在支撐多邊形內(nèi)時，表示關(guān)節(jié)受到的沖擊不是很大，仍然可以通過調(diào)節(jié)上身的姿態(tài)使機器人處于穩(wěn)定狀態(tài)； 當ZMP落在支撐多邊形外時，表明機器人受到的沖擊很大，不能通過調(diào)節(jié)上身姿態(tài)完成對機器人的保護工作，此時，采取手部著地，肘關(guān)節(jié)擴張二次緩沖控制策略，降低沖擊對機器人造成的威脅。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，測得ZMP位置的過程包括:設(shè)ZMP的位置為Px, Py，則Px = (Fly*xl+F2y*x2+F3y*x3+F4y*x4)/(Fly+F2y+F3y+F4y)Py = (Flx*yl+F2x*y2+F3x*y3+F4x*y4)/(Flx+F2x+F3x+F4x) 其中xi和yi分別為i關(guān)節(jié)在世界坐標系下的橫坐標和縱坐標，i = 1,2,3,4 F1、F2分別是力傳感器測得右小腿的膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)受力； F3、F4分別是力傳感器測得左小腿的膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)受力。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，當ZMP落在支撐多邊形內(nèi)時，通過測得的力控制姿態(tài)過程如下: (1)通過四個力傳感器測量實際的ZMP位置，測量ZMP的位置:Px，Py (2)假設(shè)設(shè)定的ZMP位置為PxO，PyO,規(guī)劃相應(yīng)的ZMP運動軌跡，使ZMP移動到期望的ZMP 點； (3)根據(jù)期望的ZMP運動軌跡，規(guī)劃機器人重心的運動T(CoM); (4)根據(jù)機器人重心的運動，通過逆運動學，可以計算各個關(guān)節(jié)的角度Q，這里可以編寫相應(yīng)函數(shù)直接調(diào)用，假設(shè)函數(shù)名為InverseKinematics,則Q = InverseKinematics(T(CoM)) (5)利用規(guī)劃的關(guān)節(jié)角度，控制機器人的運動。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種仿人機器人的前摔保護控制策略，從仿生學角度出發(fā)，借鑒人體摔倒運動的產(chǎn)生與控制機理，找出一種仿人機器人的摔倒運動規(guī)劃與控制技術(shù)，特別是手臂的規(guī)劃控制技術(shù)，使機器人在摔倒時能主動控制自身的全身運動，將摔倒對自身的損傷減小到最小。
【IPC分類】G05B13/04
【公開號】CN104932254
【申請?zhí)枴緾N201510239459
【發(fā)明人】余張國, 陳學超, 黃強, 鄭茂興, 孟立波, 高峻峣, 張偉民
【申請人】北京理工大學
【公開日】2015年9月23日
【申請日】2015年5月12日