CN107891920A - 一种用于双足机器人的腿部关节补偿角度自动获取方法 - Google Patents
一种用于双足机器人的腿部关节补偿角度自动获取方法 Download PDFInfo
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Abstract
提供了一种用于双足机器人稳定行走的腿部关节补偿角度自动获取的方法。所述方法提供了一种衡量腿部关节补偿角度有效性的可计算的通用评价指标，综合考虑了实际ZMP与规划ZMP间的误差及躯干姿态偏差。本发明使双足机器人进行原地类行走运动，自动调节腿部关节周期性补偿角度，并计算出当前补偿角度对应的评价指标值；在遍历预设补偿角度限幅范围内所有的补偿角度后，比较所得的若干组评价指标值，以最小评价指标值对应的腿部关节补偿角度为最优。本发明避免了大量重复性行走实验，排除了行走过程中外界不确定性扰动因素对获取最优补偿角度的干扰，降低了实验成本，节约了调试时间，提高了腿部关节补偿精度，最终为仿人机器人的稳定行走奠定基础。
Description
技术领域
本发明提供了一种用于双足机器人稳定行走的腿部关节补偿角度自动获取的方法，属于机器人技术领域。
背景技术
双足机器人是依据仿生学原理，模仿人体腿足结构、运动特性等研制的高新机电***。
与轮式、多足式机器人相比，双足机器人具有越障灵活，适应非结构化环境能力强等特点，在家庭服务，灾害救援，太空探索等复杂环境中有良好的应用前景。双足机器人的稳定行走能力是实现上述应用的必要基础，因此，解决双足机器人稳定行走问题具有重要意义。
为实现双足机器人的行走，首先需根据机器人模型，按照所需运动轨迹生成腿部关节角度时间序列。但是，由于实际模型误差以及执行误差的存在，机器人按照规划的关节角度行走时会出现上身倾斜，足部抬脚过晚或落脚过早的情况，使得足部与地面产生巨大的冲击，严重影响行走的稳定性。因此，单纯地按照预先规划的角度很难实现其稳定行走，需要根据双足机器人的状态对其腿部关节角度进行周期性补偿。在现有的多种角度补偿算法中，一种常用的方法是对机器人髋关节与踝关节补偿周期性的角度，使机器人在行走过程中保持上身竖直，从而避免足部因抬脚过晚或落脚过早与地面产生巨大冲击，提高机器人的行走稳定性。
通常，为获得最优的腿部关节补偿角度，需要多次进行重复性行走实验，根据行走实验记录的传感器数据或者实验者的经验，不断手动调整腿部关节补偿角度，直至双足机器人可以稳定行走。这种方法，需要实验者进行大量的重复性行走实验，一旦地面环境发生变化，或者长时间停机后再次使用双足机器人，又需进行重复调试，实验成本高，调试时间长；同时行走过程中易受随机干扰因素影响，难以客观评价补偿角度的有效性；并且该方法需要实验者依靠自身经验对补偿角度进行微调来得到较好的行走状态，调节精度低，不能量化调整，不具备通用性，限制了双足机器人的应用。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提出了一种自动获取腿部关节补偿角度的方法，通过原地类行走运动，避免实验者进行大量重复行走实验来获取补偿角度，排除行走过程中外界不确定性干扰因素的影响，同时利用新提出的评价指标，将补偿角度的调整变为一种可量化的通用性方法，节约调试时间，提高补偿精度，减小机器人的模型误差以及执行误差，为其他的行走稳定性控制算法提供一个良好的平台，最终实现双足机器人的稳定行走。
本发明的技术方案如下：
一种用于双足机器人的腿部关节补偿角度自动获取方法，其包括如下步骤：
步骤S1：设置所述双足机器人的步行参数，转到步骤S2；
步骤S2：生成原地类行走运动关节角度时间序列，转到步骤S3；
步骤S3：步进修改周期性补偿角度曲线，转到步骤S4；
步骤S4：在周期性补偿角度作用下进行原地类行走运动，获取实际ZMP轨迹与躯干姿态角，转到步骤S5；
步骤S5：计算评价指标值，转到步骤S6；
步骤S6：判断周期性补偿角度是否遍历补偿角度限幅范围，若结果为是则转到步骤S7，若结果为否则转到步骤S3；
步骤S7：比较评价指标值，转到步骤S8；
步骤S8：获得腿部关节最优补偿角度。
优选地，所述评价指标值通过公式(1)计算：
其中，J为评价指标值，分别表示单、双脚支撑期实际ZMP轨迹与规划ZMP轨迹的最大偏差值；分别表示行走过程中躯干俯仰方向偏离竖直与横滚方向偏离水平的最大误差角度； 分别表示单、双脚支撑期实际ZMP与规划ZMP轨迹的偏差值的方差；分别表示行走过程中躯干俯仰方向偏离竖直与横滚方向偏离水平的误差角度的方差。
优选地，所述步骤S1进一步包括：确定双足机器人行走的步行参数，包括步行周期Tstep、步数Nstep、步长Lstep、抬脚高度Hstep、腿部补偿角度限幅范围(θcop_max，θcop_min)、腿部补偿角度调节精度θcop_sen。
优选地，所述步骤S2进一步包括：按照所述行走的步行参数，将步长Lstep修改为0，抬脚高度Hstep修改为0，其余步行参数不变，对双足机器人进行轨迹规划，得到规划的ZMP轨迹及腿部关节角度时间序列，使得双足机器人能在原地进行类行走运动。
优选地，所述步骤S3进一步包括：按照腿部补偿角度调节精度θcop_sen，步进增加周期性补偿角度在单脚支撑期的恒值
设腿部髋关节(R2，L2)和踝关节(R6，L6)初始周期性补偿角度在单脚支撑期的恒值通过公式(2)计算：
按照此周期性补偿角度，补偿腿部髋关节(R2，L2)及踝关节(R6，L6)，使用公式(3)计算：
其中，为机器人腿部关节待执行角度，为机器人腿部关节规划角度。
优选地，所述步骤S4进一步包括：存储在周期性补偿角度作用下，双足机器人原地类行走运动过程中的足部所受三维力、三维力矩及躯干姿态，并根据足部所受三维力、三维力矩，计算出实际的ZMP轨迹。
优选地，所述步骤S5进一步包括：在原地类行走结束后，根据评价指标公式，计算本次周期性补偿角度作用下的评价指标值J-N，同时存储该评价指标值及其对应的周期性补偿角度在单脚支撑期的恒值。
优选地，所述步骤S6进一步包括：让nR2_ref，nR6_ref，nL2_ref，nL6_ref依次遍历-N·θcop_sen，-(N+1)·θcop_sen，…，0，…，(N-1)·θcop_sen，N·θcop_sen这(2N+1)组值；
在这些周期性补偿角度作用下依据公式(3)进行原地类行走实验，并计算对应的评价指标值J，共可获得(2N+1)4组评价指标值。
优选地，所述步骤S7进一步包括：比较所述(2N+1)4组评价指标值的大小，选择其中最小的评价指标值对应的周期性补偿角度在单脚支撑期的恒值。
优选地，所述步骤S8进一步包括：将所述恒值乘以腿部周期性补偿角度基准曲线获得在此步行参数下的最优腿部关节补偿角度。
与现有技术相比，本发明具备以下优点：
提出了一种衡量腿部关节补偿角度有效性的可计算的通用评价指标；使双足机器人进行原地类行走运动，在设定的周期性补偿限幅范围内，自动调节腿部关节补偿角度并计算对应的评价指标值；通过比较若干组评价指标值来获取最优的腿部关节补偿角度；避免了进行大量重复性行走实验，排除行走过程中外界不确定性扰动因素对最优补偿角度获取的干扰，降低了实验成本，节约了调试时间，提高了补偿精度，最终为仿人机器人的稳定行走奠定基础。
附图说明
图1是本发明所述自动获取腿部关节最优补偿角度方法的整体流程示意图。
图2是本发明所使用的双足机器人结构示意图。
图3是根据步行参数预生成腿部周期性补偿角度基准曲线示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
本发明所使用的双足机器人如附图2所示，左右腿各6个自由度，其中髋部3个，膝部1个，踝部2个。为便于叙述，对腿部自由度进行编号，编号顺序如附图2，分别为R1-R6，L1-L6。该双足机器人足部装有六维力/力矩传感器，可测量足部与地面相互作用的三维力和三维力矩，从而计算实际ZMP轨迹；腰部装有姿态传感器，可测量躯干倾角姿态。
本发明主要针对双足机器人行走过程中上身倾斜，足部抬脚过晚或落脚过早，使得足部与地面产生巨大的冲击的情况，因此对髋关节横滚方向(R2，L2)及踝关节横滚方向(R6，L6)进行补偿。为了衡量周期性补偿角度的有效性，本发明提出了一种新的可计算的通用评价指标，用于量化当前补偿角度下行走实验的稳定性。该评价指标综合考虑了实际ZMP轨迹与规划ZMP轨迹间的误差，躯干姿态偏离竖直方向的程度，具体公式如下：
其中，分别表示单、双脚支撑期实际ZMP轨迹与规划ZMP轨迹的最大偏差值；分别表示行走过程中躯干俯仰方向偏离竖直与横滚方向偏离水平的最大误差角度；分别表示单、双脚支撑期实际ZMP与规划ZMP轨迹的偏差值的方差；分别表示行走过程中躯干俯仰方向偏离竖直与横滚方向偏离水平的误差角度的方差。
本发明所述自动获取腿部关节最优补偿角度方法的整体流程如附图1。首先，根据实际任务需求，确定双足机器人的行走步行参数，包括步行周期Tstep、步数Nstep、步长Lstep、抬脚高度Hstep、腿部补偿角度限幅值(θcop_max，θcop_min)、腿部补偿角度调节精度θcop_sen。为了便于说明算法，我们假设：θcop_max/θcop_sen＝N，θcop_min/θcop_sen＝-N(N为正整数)。同时，根据步行参数预生成腿部周期性补偿角度基准曲线θcop[k]，如附图3所示。该周期性补偿角度值在单脚支撑期时为恒值1°或-1°，在双脚支撑期时通过三次样条曲线由负恒值插值到正恒值或由正恒值插值到负恒值。
其次，按照上述行走的步行参数，将步长Lstep修改为0，抬脚高度Hstep修改为0，其余步行参数不变，对双足机器人进行轨迹规划，得到规划的ZMP轨迹及腿部关节角度时间序列，使得双足机器人能在原地进行类行走运动。
接着，设腿部髋关节(R2，L2)和踝关节(R6，L6)初始周期性补偿角度在单脚支撑期的恒值为：
按照此周期性补偿角度，补偿腿部髋关节(R2，L2)及踝关节(R6，L6)，具体公式如下：
其中，为机器人腿部关节待执行角度，为机器人腿部关节规划角度。
存储在此周期性补偿角度作用下，双足机器人原地类行走运动过程中的足部所受三维力、三维力矩及躯干姿态，并根据足部所受三维力、三维力矩，计算出实际的ZMP轨迹。
在原地类行走结束后，根据上述提出的评价指标公式(1)，在线计算本次周期性补偿角度作用下的评价指标值J-N，同时存储该评价指标值及其对应的周期性补偿角度在单脚支撑期的恒值。
接着，按照腿部补偿角度调节精度θcop_sen，步进增加周期性补偿角度在单脚支撑期的恒值即让nR2_ref，nR6_ref，nL2_ref，nL6_ref依次遍历-N·θcop_sen，-(N+1)·θcop_sen，…，0，…，(N-1)·θcop_sen，N·θcop_sen这(2N+1)组值。在这些周期性补偿角度作用下依据公式(3)进行原地类行走实验，并计算对应的评价指标值J，共可获得(2N+1)4组评价指标值。
然后，比较上述(2N+1)4组评价指标值的大小，选择其中最小的评价指标值对应的周期性补偿角度在单脚支撑期的恒值，将此恒值乘以腿部周期性补偿角度基准曲线即可获得在此步行参数下的最优腿部关节补偿角度。最后按照此腿部关节补偿角度，将步长Lstep、抬脚高度Hstep修改回预先规划值，即可为此步行参数下双足机器人的稳定行走奠定基础。
以上所述步骤，均可通过程序自动进行，由此，实现了腿部关节最优补偿角度的自动获取。
本领域技术人员应当理解，在不背离本发明的精神和基本特征的情况下，能够以现有技术中的任何形式来实现本发明的方法。另外，具体的实施例仅仅是示意性的，而非限制性的。这些实施例之间能够任意组合，来实现本发明的目的。本发明的保护范围由所附的权利要求书来定义。
说明书和权利要求中的“包括”一词不排除其它元件或步骤的存在。在说明书中说明或者在权利要求中记载的各个步骤的功能也可以被分拆或组合，由对应的多个步骤或单一步骤来实现。
Claims (10)
1.一种用于双足机器人的腿部关节补偿角度自动获取方法，其包括如下步骤：
步骤S1：设置所述双足机器人的步行参数，转到步骤S2；
步骤S2：生成原地类行走运动关节角度时间序列，转到步骤S3；
步骤S3：步进修改周期性补偿角度曲线，转到步骤S4；
步骤S4：在周期性补偿角度作用下进行原地类行走运动，获取实际ZMP轨迹与躯干姿态角，转到步骤S5；
步骤S5：计算评价指标值，转到步骤S6；
步骤S6：判断周期性补偿角度是否遍历补偿角度限幅范围，若结果为是则转到步骤S7，若结果为否则转到步骤S3；
步骤S7：比较评价指标值，转到步骤S8；
步骤S8：获得腿部关节最优补偿角度。
2.根据权利要求1所述的一种用于双足机器人的腿部关节补偿角度自动获取方法，其特征在于，所述评价指标值通过公式(1)计算：
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其中，J为评价指标值，分别表示单、双脚支撑期实际ZMP轨迹与规划ZMP轨迹的最大偏差值；分别表示行走过程中躯干俯仰方向偏离竖直与横滚方向偏离水平的最大误差角度； 分别表示单、双脚支撑期实际ZMP与规划ZMP轨迹的偏差值的方差；分别表示行走过程中躯干俯仰方向偏离竖直与横滚方向偏离水平的误差角度的方差。
3.根据权利要求2所述的一种用于双足机器人的腿部关节补偿角度自动获取方法，其特征在于，所述步骤S1进一步包括：确定双足机器人行走的步行参数，包括步行周期Tstep、步数Nstep、步长Lstep、抬脚高度Hstep、腿部补偿角度限幅范围(θcop_max，θcop_min)、腿部补偿角度调节精度θcop_sen。
4.根据权利要求3所述的一种用于双足机器人的腿部关节补偿角度自动获取方法，其特征在于，所述步骤S2进一步包括：按照所述行走的步行参数，将步长Lstep修改为0，抬脚高度Hstep修改为0，其余步行参数不变，对双足机器人进行轨迹规划，得到规划的ZMP轨迹及腿部关节角度时间序列，使得双足机器人能在原地进行类行走运动。
5.根据权利要求4所述的一种用于双足机器人的腿部关节补偿角度自动获取方法，其特征在于，所述步骤S3进一步包括：按照腿部补偿角度调节精度θcop_sen，步进增加周期性补偿角度在单脚支撑期的恒值
设腿部髋关节(R2，L2)和踝关节(R6，L6)初始周期性补偿角度在单脚支撑期的恒值通过公式(2)计算：
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其中，为机器人腿部关节待执行角度，为机器人腿部关节规划角度。
6.根据权利要求5所述的一种用于双足机器人的腿部关节补偿角度自动获取方法，其特征在于，所述步骤S4进一步包括：存储在周期性补偿角度作用下，双足机器人原地类行走运动过程中的足部所受三维力、三维力矩及躯干姿态，并根据足部所受三维力、三维力矩，计算出实际的ZMP轨迹。
7.根据权利要求6所述的一种用于双足机器人的腿部关节补偿角度自动获取方法，其特征在于，所述步骤S5进一步包括：在原地类行走结束后，根据评价指标公式，计算本次周期性补偿角度作用下的评价指标值J-N，同时存储该评价指标值及其对应的周期性补偿角度在单脚支撑期的恒值。
8.根据权利要求7所述的一种用于双足机器人的腿部关节补偿角度自动获取方法，其特征在于，所述步骤S6进一步包括：让nR2_ref，nR6_ref，nL2_ref，nL6_ref依次遍历-N·θcop_sen，-(N+1)·θcop_sen，…，0，…，(N-1)·θcop_sen，N·θcop_sen这(2N+1)组值；
在这些周期性补偿角度作用下依据公式(3)进行原地类行走实验，并计算对应的评价指标值J，共可获得(2N+1)4组评价指标值。
9.根据权利要求8所述的一种用于双足机器人的腿部关节补偿角度自动获取方法，其特征在于，所述步骤S7进一步包括：比较所述(2N+1)4组评价指标值的大小，选择其中最小的评价指标值对应的周期性补偿角度在单脚支撑期的恒值。
10.根据权利要求9所述的一种用于双足机器人的腿部关节补偿角度自动获取方法，其特征在于，所述步骤S8进一步包括：将所述恒值乘以腿部周期性补偿角度基准曲线获得在此步行参数下的最优腿部关节补偿角度。
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