CN102658548A

CN102658548A - 防止仿人机器人前后倾斜的腰部运动规划方法和装置

Info

Publication number: CN102658548A
Application number: CN2012101348925A
Authority: CN
Inventors: 黄强; 许威; 余张国; 李敬; 张伟民; 陈学超; 马淦
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2012-05-04
Filing date: 2012-05-04
Publication date: 2012-09-12

Abstract

本发明提供了防止仿人机器人前后倾斜的腰部运动规划方法和装置，所述机器人具有能够驱动所述机器人步行移动的两个腿部，所述腰部具有腰关节，所述腰关节包括绕腰X方向旋转的前后倾斜关节，其中，所述方法包括以下步骤：根据特定的数据为所述前后倾斜关节确定补偿角度；对所述腰关节的腰X方向电机转角设置所述补偿角度，所述腰X关节的电机为轴向沿所述机器人左右方向的电机。本发明通过对腰部X方向电机的倾角进行补偿，可以有效地减小仿人机器人单脚支撑时由柔性误差所造成的上身倾斜的现象，提高了非支撑脚着地的稳定性。

Description

防止仿人机器人前后倾斜的腰部运动规划方法和装置

技术领域

本发明涉及仿人机器人运动规划技术领域，特别涉及防止仿人机器人前后倾斜的腰部运动规划方法和装置。

背景技术

仿人机器人的运动规划是仿人机器人研究中非常重要的一个领域。仿人机器人的动作表演，是通过分布在仿人机器人各个关节上的电机转动来实现的。每个关节电机的个数代表了该关节上自由度的数目。每个电机在各个时刻是怎样转动的，是在仿人机器人动作表演之前由运动规划给出的。目前，仿人机器人运动规划的方法主要是基于零力矩点(ZMP，Zero Moment Point)稳定性原理来进行的，方法是先根据地面环境设定足部踝关节的轨迹，在可变参数的有效范围内找出具有最大稳定裕度的躯干轨迹作为最后的规划结果。其中，ZMP是指仿人机器人所受的地面反作用力合力的中心点。当仿人机器人实际的ZMP落在仿人机器人脚面(单脚或双脚)与地面接触所围成的多边形区域内时，仿人机器人可稳定不倒，如图1所示。

人类在步行过程中分为单脚支撑期和双脚支撑期，双脚支撑时两只脚(支撑脚)相对地面位置不变；单脚支撑时一只脚(支撑脚)相对于地面位置固定，而另一支脚(非支撑脚)相对于支撑脚从后面迈至前面，所跨的长度称为步长，单脚支撑期和双脚支撑期的时间总和称为步行周期。人类的步行就是不断循环这两个时期的周期性运动。

仿人机器人在动作表演过程中也分成双脚支撑期和单脚支撑期。在双脚支撑期，由于双脚完全着地，仿人机器人的零力矩点(ZMP)只要落在双脚与地面接触形成的多边形区域内即可保证稳定。在单脚支撑期时，仿人机器人的零力矩点需要落在支撑脚脚面内才能保持稳定。但是由于机械柔性(指机械结构因受外力产生的形变)和伺服柔性(由控制误差所造成)的存在，导致仿人机器人在单脚支撑时上身容易前后倾斜，这样不但使仿人机器人容易摔倒，而且在仿人机器人的前后方向上，非支撑脚的脚面在着地瞬间会与地面形成一个较大的倾角，影响了仿人机器人着地的稳定性。

在对现有技术进行分析后，发明人发现：由于机械柔性和伺服柔性的存在，造成仿人机器人上身在前后方向上倾斜。这不仅影响了仿人机器人上身姿态的平衡和上臂作业的精度，而且非支撑脚在着地瞬间也会与地面产生一个前后方向的倾角，影响着地的稳定性，容易摔倒。

由于现有仿人机器人的模型大都采用典型的七连杆模型，机器人并不存在腰部关节，对机器人在行走过程中出现的前后倾斜现象只能补偿腿部等处关节的电机转角。在本发明中，发明人对仿人机器人的建模是基于以往的七连杆模型，并新增加了腰部关节的两个自由度，分别是左右摆动关节和前后倾斜关节，见图2。通过这两个新的腰部关节的引入，不仅增加了上肢的灵活性和活动范围，更可以用于提高仿人机器人在运动过程中的稳定性。

发明内容

为了有效减小仿人机器人单脚支撑时前后倾斜的现象，增加其着地时的稳定性，本发明基于腰部运动补偿的思想，提供了一种防止仿人机器人前后倾斜的腰部运动规划方法和装置。所述技术方案如下：

一种防止仿人机器人前后倾斜的腰部运动规划方法，所述机器人具有能够驱动所述机器人步行移动的两个腿部，所述腰部具有腰关节，所述腰关节包括绕腰X方向旋转的前后倾斜关节，以及绕腰Y方向旋转的左右摆动关节，

其中，所述方法包括以下步骤：

根据特定的数据为所述前后倾斜关节确定补偿角度；

对所述腰关节的腰X方向电机转角设置所述补偿角度，所述腰X关节的电机为轴向沿所述机器人左右方向的电机。

进一步地，在仿人机器人运动的t时刻，所述补偿角度的大小为：

＝K*Sin(Pi*t/T_step) 其中0＜＝t＜＝T_step

其中，表示t时刻腰X关节的电机的补偿角度，K＞0为补偿系数；Pi为圆周率常数，T_step为步行周期。

本发明通过对腰部X方向电机的倾角进行补偿，可以有效地减小仿人机器人单脚支撑时由柔性误差所造成的上身倾斜的现象，提高了非支撑脚着地的稳定性。

附图说明

图1是现有技术仿人机器人脚面(单脚或双脚)与地面接触所围成的多边形区域示意图；

图2是仿人机器人的基于七连杆的扩展腰部模型示意图；

图3是仿人机器人在单脚支撑时，采用和没有采用防止前后倾斜的腰部运动规划方法的机器人实际姿态比较示意图。

具体实施方式

本发明实施例基于腰部运动补偿的思想，提供了一种防止仿人机器人前后倾斜的腰部运动规划方法，包括以下步骤：

对人体运动模型进行简化，得到仿人型机器人的基于七连杆的扩展腰部模型，如图3所示。图3模型中仿人机器人的下肢共有十二个自由度(一个电机代表一个自由度)，每条腿各有6个自由度，其中髋关节3个，膝关节1个，踝关节2个。以仿人机器人右方为X轴正方向，以仿人机器人前方为Y轴正方向，以仿人机器人上方为Z轴正方向，建立世界坐标系。

为防止仿人机器人单脚支撑时前后倾斜，对仿人机器人的腰部关节X方向电机补偿一个适当的角度。在仿人机器人运动的t时刻，补偿角的计算式如下：

＝K*sin(Pi*t/T_step) 其中0＜＝t＜＝T_step

在仿人机器人运动学中，仿人机器人的每一个动作都是事先由离线运动规划设计好的，所以根据该仿人机器人的运动规划T_step是已知的，因此t时刻的仿人机器人腰部关节前后倾斜的补偿角度可以由上式计算得出。

补偿系数K不能取值过大，否则防止仿人机器人单脚支撑时前后倾斜的效果就要下降。K的最大值应当针对具体的仿人机器人，由实验确定。在本实施例中，仿人机器人身高一米六，体重55公斤。为了使仿人机器人单脚支撑时非支撑脚脚面与地面时刻保持水平，本实施例中取0＜K＜3，最优选取K＝2。

如果不补偿，这样仿人机器人容易前后倾斜。图3表明仿人机器人在单脚支撑时，采用和没有采用防止前后倾斜的腰部运动规划方法的稳定性比较示意图(正视图)。图3(a)表明：如果没有采用倾角补偿方法，由柔性误差将导致机器人向后方倾斜，由图可以看出仿人机器人上身与地面产生了一个前后方向的倾角。图3(b)表示采用该补偿算法以后机器人的姿态。通过补偿可以有效减小非支撑脚在着地时与地面的夹角，使其水平着地。

本发明实施例通过对腰部电机的倾角进行补偿，可以有效地减小仿人机器人单脚支撑时前后倾斜的现象和由柔性误差所造成的非支撑脚倾斜着地的现象，提高了着地的稳定性。

以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种防止仿人机器人前后倾斜的腰部运动规划方法，其中

所述机器人具有能够驱动所述机器人步行移动的两个腿部，

所述腰部具有腰关节，所述腰关节包括绕腰X方向旋转的前后倾斜关节，

其特征在于，所述方法包括以下步骤：

根据特定的数据为所述前后倾斜关节确定补偿角度；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数据包括所述步行移动的步行周期。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步行周期由离线运动规划设计确定。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述机器人运动的t时刻，所述补偿角度的大小为：

＝K*Sin(Pi*t/T_step) 其中0＜＝t＜＝T_step；

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述补偿系数的取值范围为0＜K＜3。

6.一种防止仿人机器人前后倾斜的腰部运动规划***，所述机器人包括：

两个腿部，其能够驱动所述机器人步行移动；

腰部，位于所述腿部上方，其具有腰关节，所述腰关节包括绕腰X方向旋转的前后倾斜关节；

其特征在于，所述***包括：

用于根据特定的数据为所述前后倾斜关节确定补偿角度的装置；

用于对所述腰关节的腰X方向电机转角设置所述补偿角度的装置，所述腰Y关节的电机为轴向沿仿人机器人前后方向的电机。

7.根据权利要求6所述的***，其特征在于，所述数据包括所述步行移动的步行周期。

8.根据权利要求7所述的***，其特征在于，所述步行周期由离线运动规划设计确定。

9.根据权利要求8所述的***，其特征在于，在所述机器人运动的t时刻，所述补偿角度的大小为：

＝K*Sin(Pi*t/T_step) 其中0＜＝t＜＝T_step

10.根据权利要求9所述的***，其特征在于，所述补偿系数的取值范围为0＜K＜3。