CN102183956B

CN102183956B - 欠驱动两足步行机器人水平行走时的侧向控制方法

Info

Publication number: CN102183956B
Application number: CN2011100496836A
Authority: CN
Inventors: 张智焕
Original assignee: Ningbo Institute of Technology of ZJU
Current assignee: Ningbo Institute of Technology of ZJU
Priority date: 2011-02-24
Filing date: 2011-02-24
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2031-02-24
Also published as: CN102183956A

Abstract

本发明公开了一种侧向运动调节能力大，在大中干扰的情况下，不容易侧向摔倒，鲁棒性好的欠驱动两足步行机器人水平行走时的侧向控制方法，当机器人直立状态时，过机器人的质心的垂线与机器人此时行走的水平面相交于一交点，当机器人侧向摆动，每个摆动瞬时机器人的质心和交点均确定一直线，定义侧倾角为直线与垂线的夹角；侧向控制步骤为：(1)设定侧倾角给定值；(2)实时采样侧倾角；(3)侧倾角与侧倾角给定值比较得到误差，接着，模糊控制器根据误差e进行模糊控制，模糊控制过程是，若e的绝对值小于给定阀值，那么维持手臂现有位置不变，否则模糊控制器控制手臂关节处的电机运转，电机驱动手臂上下摆动。

Description

欠驱动两足步行机器人水平行走时的侧向控制方法

技术领域

本发明涉及机器人控制技术领域，具体讲是一种欠驱动两足步行机器人水平行走时的侧向控制方法。

背景技术

目前，欠驱动两足步行机器人的研究主要集中在平面型机器人，机器人需要借助外力维持侧向平衡。欠驱动两足步行机器人要自由行走，就必须同时解决前项和侧向的稳定问题，实现3D行走控制。目前3D行走是采用髋关节来控制侧向平衡，由于髋关节控制侧向运动调节能力小，在大中干扰的情况下，容易侧向摔倒，鲁棒性差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服以上现有技术的缺点，提供一种侧向运动调节能力大，在大中干扰的情况下，不容易侧向摔倒，鲁棒性好的欠驱动两足步行机器人水平行走时的侧向控制方法。

本发明的技术方案是，提供一种欠驱动两足步行机器人水平行走时的侧向控制方法，当机器人直立状态时，过机器人的质心的垂线与机器人此时行走的水平面相交于一交点，当机器人侧向摆动，即质心侧向摆动时，每个摆动瞬时机器人的质心和交点均确定一直线，那么定义侧倾角为直线与垂线的夹角；不同侧向干扰作用下，定义模糊控制器的侧倾角模糊变量：位于垂线右侧的侧倾有三种情况，分别为右小干扰、右中干扰、右大干扰，位于垂线左侧的侧倾有三种情况，分别为左小干扰、左中干扰、左大干扰；

侧向控制步骤为：

(1)设定侧倾角给定值；

(2)由传感器按采样周期实时采样侧倾角；

(3)在每个采样周期将侧倾角与侧倾角给定值进行比较，得到误差，误差由侧倾角给定值减去侧倾角确定，接着，模糊控制器根据误差进行模糊控制，模糊控制过程是，若误差的绝对值小于给定阀值，那么维持手臂现有位置不变，否则模糊控制器控制手臂关节处的电机运转，电机驱动手臂上下摆动。

采用上述方法后，本发明与现有技术相比，具有以下显著优点及有益效果：因为本发明通过控制手臂上下摆动来控制侧向平衡，而手臂较长，手臂质心离机器人质心较远，因此手臂的上下摆动能够获得较大的绕机器人的质心向左或向右扭转态势，换句话说，在侧向平面内，绕机器人的质心具有较大的逆时针或顺时针扭转态势，所以本发明欠驱动两足步行机器人水平行走时的侧向控制方法具有侧向运动调节能力大，在大中干扰的情况下，不容易侧向摔倒，鲁棒性好的优点。

作为改进，所述给定阀值为5，这样，更有利于机器人侧向快速镇定。

作为进一步改进，所述传感器安装在质心所在位置，这样的安装方式简单，不会改变机器人的质心位置，使得测量侧倾角度更加准确。

作为进一步改进，所述右小干扰、右中干扰、右大干扰的范围分别定义为[0，15]、(10，30]、(25，45]，所述左小干扰、左中干扰、左大干扰的范围分别定义为[0，-15]、(-10，-30]、(-25，-45]，这样，更有利于机器人侧向快速镇定。

附图说明

图1是本发明欠驱动两足步行机器人水平行走时的侧向控制方法的原理方框图。

图2是本发明欠驱动两足步行机器人水平行走时的侧向控制方法的模糊控制器的输入输出原理图。

图3是本发明欠驱动两足步行机器人水平行走时的侧向控制方法的误差的隶属度函数的曲线图。

图4是本发明欠驱动两足步行机器人水平行走时的侧向控制方法的误差导数的隶属度函数的曲线图。

图5是本发明欠驱动两足步行机器人水平行走时的侧向控制方法的模糊控制器输出的控制量的隶属度函数的曲线图。

图6是本发明欠驱动两足步行机器人水平行走时的侧向控制方法的右倾瞬时欠驱动两足机器人左臂下降右臂上升的结构示意图。

图7是本发明欠驱动两足步行机器人水平行走时的侧向控制方法的左倾瞬时欠驱动两足机器人左臂下降右臂上升的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

本例中，本发明欠驱动两足步行机器人水平行走时的侧向控制方法，控制对象为欠驱动两足步行机器人，重量40kg，身高120cm，左、右手臂长度各长30cm，手臂关节安装有四个电机，左手二个，右手二个，分别安装在肘关节、肩关节。具体结构如附图6或7。

当机器人直立状态时，过机器人的质心的垂线l₁与机器人此时行走的水平面(比如水平地面、水平桌面等等)相交于一交点K，当机器人侧向摆动，即质心侧向摆动时，每个摆动瞬时机器人的质心和K均确定一直线l₂，那么定义侧倾角α为l₂与l₁的夹角，见图6或7；不同侧向干扰作用下，定义模糊控制器的侧倾角模糊变量：位于l₁右侧的侧倾有三种情况，分别为右小干扰PS、右中干扰PM、右大干扰PL，位于l₁左侧的侧倾有三种情况，分别为左小干扰NS、左中干扰NM、左大干扰NL；

侧向控制步骤为：

(1)在取值范围[-5，5]中任取一值作为侧倾角给定值α_d；

(2)由传感器按采样周期实时采样侧倾角α，采样周期按需设定即可，没有特别要求；

(3)在每个采样周期将α与α_d进行比较，得到误差e，e由α_d减去α确定，接着，模糊控制器根据误差e进行模糊控制，模糊控制过程是，若e的绝对值小于给定阀值，那么维持手臂现有位置不变，否则模糊控制器控制手臂关节处的电机运转，电机驱动手臂上下摆动，例如，右倾时，左臂下降，右臂上升，提供一个与倾斜方向相反的扭转态势，见图6，同理，左倾时，左臂上升，右臂下降，提供一个与倾斜方向相反的扭转态势，见图7。

在取值范围[0，5]中任取一值作为给定阀值。

上述步骤的原理方框图如图1所示。

本例采用的模糊控制如下：

模糊控制器对误差e及误差导数

进行模糊化、模糊控制规则运算、反模糊化，从而得到模糊控制输出。

右倾时，左臂电机控制量由模糊控制规则1、2产生；右臂电机控制量由模糊控制规则3、4产生。模糊控制规则数量根据手臂电机数量来确定。模糊控制器的输入输出原理图见图2。其中，e为误差，

为误差导数，u1为左臂电机1的控制量，u2为左臂电机2的控制量，u3为右臂电机3的控制量，u4为右臂电机4的控制量。

误差e、误差导数

的模糊量分别为E、EC，定义如下

E＝{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}

＝{NL，NM，NS，ZO，PS，PM，PL}

EC＝{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}

＝{NL，NM，NS，ZO，PS，PM，PL}

误差e、误差导数

的模糊化采用三角型隶属度函数，见图3和图4。图3中μ(e)表示误差的隶属度值，图4中

表示误差导数的隶属度值。模糊控制规则参见表1、表2、表3、表4，ZO为模糊控制的零位，并定义ZO∈[-5，5]，反模糊化采用重心或最大隶属度法，控制量u1、u2、u3、u4的隶属度函数见图5，图中μ(u)表示隶属度值。

表1 模糊控制规则1

表2 模糊控制规则2

表3 模糊控制规则3

表4 模糊控制规则4

所述侧倾角α、侧倾角模糊变量、侧倾角给定值α_d、误差e、给定阀值的计量单位均为角度的度数。

本例中，所述侧倾角给定值α_d为0；所述给定阀值为5；所述传感器安装在质心所在位置；所述右小干扰PS、右中干扰PM、右大干扰PL的范围分别定义为[0，15]，(10，30]，(25，45]，所述左小干扰NS、左中干扰NM、左大干扰NL的范围分别定义为[0，-15]，(-10，-30]，(-25，-45]。

所述右小干扰PS、右中干扰PM、右大干扰PL、右小干扰PS、右中干扰PM、右大干扰PL为模糊控制器所需要调用的参数，可以按实际需要或实验确定，对于行业内一般技术人员来说是公知常识，故不加赘述。所述右小干扰PS、右中干扰PM、右大干扰PL的范围分别可以定义为[0，20]，(15，40]，(35，60]，所述左小干扰NS、左中干扰NM、左大干扰NL的范围分别可以定义为[0，-20]，(-15，-40]，(-35，-60]；所述右小干扰PS、右中干扰PM、右大干扰PL的范围分别可以定义为[0，10]，(5，20]，(15，30]，所述左小干扰NS、左中干扰NM、左大干扰NL的范围分别可以定义为[0，-10]，(-5，-20]，(-15，-30]。

Claims

1.一种欠驱动两足步行机器人水平行走时的侧向控制方法，其特征在于，当机器人直立状态时，过机器人的质心的垂线l₁与机器人此时行走的水平面相交于一交点K，当机器人侧向摆动，即质心侧向摆动时，每个摆动瞬时机器人的质心和K均确定一直线l₂，那么定义侧倾角α为l₂与l₁的夹角；不同侧向干扰作用下，定义模糊控制器的侧倾角模糊变量：位于l₁右侧的侧倾有三种情况，分别为右小干扰PS、右中干扰PM、右大干扰PL，位于l₁左侧的侧倾有三种情况，分别为左小干扰NS、左中干扰NM、左大干扰NL；

侧向控制步骤为：

（1）设定侧倾角给定值α_d；

（2）由传感器按采样周期实时采样侧倾角α；

（3）在每个采样周期将α与α_d进行比较，得到误差e，e由α_d减去α确定，接着，模糊控制器根据误差e进行模糊控制，模糊控制过程是，若e的绝对值小于给定阀值，那么维持手臂现有位置不变，否则模糊控制器控制手臂关节处的电机运转，电机驱动手臂上下摆动，即右倾时，左臂下降，右臂上升，提供一个与右倾方向相反的扭转态势，左倾时，左臂上升，右臂下降,提供一个与左倾方向相反的扭转态势。

2.根据权利要求1所述的欠驱动两足步行机器人水平行走时的侧向控制方法，其特征在于，在取值范围[-5,5]中任取一值作为侧倾角给定值α_d。

3.根据权利要求2所述的欠驱动两足步行机器人水平行走时的侧向控制方法，其特征在于，所述侧倾角给定值α_d为0。

4.根据权利要求1所述的欠驱动两足步行机器人水平行走时的侧向控制方法，其特征在于，在取值范围[0，5]中任取一值作为给定阀值。

5.根据权利要求4所述的欠驱动两足步行机器人水平行走时的侧向控制方法，其特征在于，所述给定阀值为5。

6.根据权利要求1所述的欠驱动两足步行机器人水平行走时的侧向控制方法，其特征在于，所述传感器安装在质心所在位置。

7.根据权利要求1所述的欠驱动两足步行机器人水平行走时的侧向控制方法，其特征在于，所述右小干扰PS、右中干扰PM、右大干扰PL的范围分别定义为[0，20]、（15，40]、(35,60]，所述左小干扰NS、左中干扰NM、左大干扰NL的范围分别定义为[0，-20]、（-15，-40]、(-35,-60]。

8.根据权利要求1所述的欠驱动两足步行机器人水平行走时的侧向控制方法，其特征在于，所述右小干扰PS、右中干扰PM、右大干扰PL的范围分别定义为[0，10]、（5，20]、(15,30]，所述左小干扰NS、左中干扰NM、左大干扰NL的范围分别定义为[0，-10]、（-5，-20]、(-15,-30]。

9.根据权利要求1所述的欠驱动两足步行机器人水平行走时的侧向控制方法，其特征在于，所述右小干扰PS、右中干扰PM、右大干扰PL的范围分别定义为[0，15]、（10，30]、(25,45]，所述左小干扰NS、左中干扰NM、左大干扰NL分别为[0，-15]、（-10，-30]、(-25,-45]。