CN109625118B - 双足机器人阻抗控制方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种双足机器人阻抗控制方法及装置，涉及阻抗控制方法设计技术领域，使用自然衰减函数修正双足机器人着地脚受到的撞击力，从而作为阻抗控制的输入；获取双足机器人的阻抗模型；根据阻抗模型确定阻抗控制的传递函数；根据阻抗控制的输入和阻抗控制的传递函数计算得到阻抗控制的输出方式，通过使用自然衰减函数修改阻抗控制中的外力输入，达到了调节对机器人双足的阻抗控制目的，进而解决阻抗控制会带来机器人形变，影响机器人行走时的平衡，使机器人行走过程更加稳定自然。

Description

双足机器人阻抗控制方法及装置
技术领域
本发明涉及阻抗控制方法设计技术领域，尤其是涉及一种双足机器人阻抗控制方法及装置。
背景技术
双足机器人行走时，阻抗控制作用于悬空腿着地后到另一只脚离地时的整个双腿支撑期，其中阻抗控制被广泛应用在双足机器人的行走中，因为它可以有效减小触地时外力的冲击，例如在机器人的腿踩到地面时，会有一个力的反馈，则需要阻抗控制对反馈力进行分析，再实现对机器人双腿上各活动关节的控制，减缓外力对机器人的冲击。但阻抗控制会带来机器人形变，影响机器人行走时的平衡。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种双足机器人阻抗控制方法及装置，以解决现有技术中对于机器人的阻抗控制会带来机器人形变，影响机器人行走时的平衡技术问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种双足机器人阻抗控制方法，包括：
使用自然衰减函数修正双足机器人着地脚受到的撞击力，从而作为阻抗控制的输入；
获取双足机器人的阻抗模型；
根据阻抗模型确定阻抗控制的传递函数；
根据阻抗控制的输入和阻抗控制的传递函数计算得到阻抗控制的输出；
根据阻抗控制的输出和规划的双足机器人位置姿态，确定各个关节的关节角；
将所述各个关节的关节角信息发送给电机，以使所述电机对机器人双足进行阻抗控制。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述阻抗模型包括：
Figure GDA0002451372620000021
其中，M表示机器人的虚拟质量矩阵，B表示阻尼系数矩阵，K表示刚度矩阵，F是所述双足机器人着地脚受到的撞击力，X是机器人的脚坐标系在腰坐标系中的位态列向量。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，根据阻抗模型确定阻抗控制的传递函数的步骤的公式，包括：
Figure GDA0002451372620000022
其中m是机器人的质量，b是阻尼，k是弹簧的弹性系数，F是所述双足机器人着地脚受到的撞击力，x是机器人的脚坐标系在腰坐标系中的位置姿态。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，根据阻抗控制的输出和规划的双足机器人位置姿态，确定所述各关节的关节角的步骤，包括：
根据阻抗控制的输出和规划的双足机器人位置姿态确定所述各个关节的目标位置姿态；
利用逆向运动学算法对所述各个关节的目标位置姿态进行计算得到所述各个关节的自由度关节角。
第二方面，本发明实施例还提供一种双足机器人阻抗控制装置，包括：
修正模块，使用自然衰减函数修正双足机器人着地脚受到的撞击力，从而作为阻抗控制的输入；
获取模块，用于获取双足机器人的阻抗模型；
第一确定模块，用于根据阻抗模型确定阻抗控制的传递函数；
计算模块，用于根据阻抗控制的输入和阻抗控制的传递函数计算得到阻抗控制的输出；
第二确定模块，用于根据阻抗控制的输出和规划的双足机器人位置姿态，确定各个关节的关节角；
发送模块，用于将所述各个关节的关节角信息发送给电机，以使所述电机对机器人双足进行阻抗控制。
根据所述传递函数和所述双足机器人的各个关节的当前多自由度信息，确定所述各个关节的目标多自由度信息；
将各个所述关节角的目标多自由度信息发送给电机，以使所述电机对机器人双足进行阻抗控制。
第三方面，本发明实施例还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。
第四方面，本发明实施例还提供一种具有处理器可执行的非易失的程序代码的计算机可读介质，所述程序代码使所述处理器执行上述方法。
在本发明实施例中，使用自然衰减函数修正双足机器人着地脚受到的撞击力，从而作为阻抗控制的输入；获取双足机器人的阻抗模型；根据阻抗模型确定阻抗控制的传递函数；根据阻抗控制的输入和阻抗控制的传递函数计算得到阻抗控制的输出方式，通过使用自然衰减函数修改阻抗控制中的外力输入，达到了调节对机器人双足的阻抗控制目的，进而解决阻抗控制会带来机器人形变，影响机器人行走时的平衡，使机器人行走过程更加稳定自然。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的双足机器人阻抗控制方法流程图；
图2为本发明实施例提供的基于步骤S105方法流程图；
图3为本发明实施例提供的坐标系建立示意图；
图4为本发明实施例提供的双足机器人阻抗控制装置模块示意图。
图标：
01-修正模块；02-获取模块；03-第一确定模块；04-计算模块；05-第二确定模块；06-发送模块。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
根据本发明实施例，提供了一种双足机器人阻抗控制方法实施例，需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机***中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
图1是根据本发明实施例的双足机器人阻抗控制方法，如图1所示，该方法包括如下步骤：
步骤S101，使用自然衰减函数修正双足机器人着地脚受到的撞击力，从而作为阻抗控制的输入；
在本发明实施例中，自然衰减函数是自然指数函数y＝e-αt当α>0的情形。α决定着衰减的速度因此也做衰减系数，当t＝0时，函数等于1；经过无穷的时间，函数衰减到0的特点，衰减系数越大，初始的衰减速度也越大，但经过无穷远，函数又都回到0，在本发明实施例中双足机器人着地脚受到的撞击力，即需要研究的外力，使用自然衰减函数与外力的乘积作为阻抗控制的输入，可以使外力随着时间的增加逐渐衰减到零，而不产生形变。
步骤S102，获取双足机器人的阻抗模型；
在本发明实施例中，阻抗模型包括：
Figure GDA0002451372620000061
其中，M表示机器人的虚拟质量矩阵，B表示阻尼系数矩阵，K表示刚度矩阵，F是双足机器人着地脚受到的撞击力，即受到的外力，X是机器人的脚坐标系在腰坐标系中的位态列向量，通过建立机器人内部参数与外部受力关系的阻抗模型，以便后续对阻抗控制的输入进行研究分析，最终确定保持机器人行为稳定的优化方案。
步骤S103，根据阻抗模型确定阻抗控制的传递函数；
在本发明实施例中，根据阻抗模型确定阻抗控制的传递函数的步骤的公式，包括：
Figure GDA0002451372620000062
其中m是机器人的质量，b是阻尼，k是弹簧的弹性系数，F是双足机器人着地脚受到的撞击力，x是机器人的脚坐标系在腰坐标系中的位置姿态，即用外力与自然衰减函数的乘积作为阻抗控制的输入，其中，传递函数只与阻抗的模型有关系，将包含自然衰减函数的阻抗模型作为预期的阻抗模型，对该模型进行拉普拉斯变换得到传递函数。
步骤S104，根据阻抗控制的输入和阻抗控制的传递函数计算得到阻抗控制的输出；
在本发明实施例中，机器人双足在行走过程中受到外力，即需要研究的外力，使用自然衰减函数与外力的乘积作为阻抗控制的输入，可以使外力随着时间的增加逐渐衰减到零，而不产生形变，具体流程为根据双足机器人所受到的外力和自然衰减函数作为阻抗控制的输入；根据希望的阻抗控制效果，对包含衰减函数的阻抗模型进行拉布拉斯变换得到阻抗模型的传递函数。
步骤S105，根据阻抗控制的输出和规划的双足机器人位置姿态，确定各个关节的关节角；
在本发明实施例中，在各自由度都得到衰减力所对应的形变后，将它们叠加到规划的末端坐标系上。其中，一个关节点的自由度可以包括(x,y,z,roll,pith,yaw)三个位置及三个姿态，在根据自然衰减阻抗控制的输出之后，确定每一时刻机器人新的支撑脚—腰—着地脚位置姿态，再使用逆运动学算法计算出各自由度关节角，例如：x、y、z方向的形变可直接相加，新末端姿态的计算需使用旋转矩阵的链式法则：
Rdesired·ΔRrpy＝Rcommand
其中ΔRrpy是roll,pitch,yaw各朝向产生形变后的旋转矩阵，它等于：
Figure GDA0002451372620000071
最后可以调用逆向运动学的算法，得到各个关节角度，最后发送给电机，以实现对于各个关节的控制，保持机器人的平衡。本发明实施例还提供了一种基于步骤S105，根据阻抗控制的输出和规划的双足机器人位置姿态，确定各关节的关节角的步骤，如图2所示，包括：
步骤S201，根据阻抗控制的输出和规划的双足机器人位置姿态确定各个关节的目标位置姿态；
步骤S202，利用逆向运动学算法对各个关节的目标位置姿态进行计算得到各个关节的自由度关节角。
在本发明实施例中，基于阻抗控制过程，所期待的物理效果是，机器人着地腿沿脚踝-髋的方向受撞击后有长度的形变，脚踝的pitch转动方向受外力力矩后有形变(协助落地)；因此阻抗控制的刚度在这两个方向上比较小，在其它四个自由度上刚度大。因此，为了使质量惯量矩阵，摩擦矩阵，刚度矩阵对角化，方便整个算法解耦成六个一维阻抗关系，六维力传感器测量到的力需经过旋转变换后，再乘以衰减函数，作为阻抗的输入。例如：在公式
Figure GDA0002451372620000081
中，X是6*1列向量，它包含机器人着地脚在腰坐标系中的x,y,z,roll,pitch,paw这六个元素。M是6*6虚拟的***六维质量，B是6*6***虚拟阻尼矩阵，K是6*6***的虚拟刚度矩阵。对于一个六维满秩矩阵K，总可以找到一个朝向，使K成对角式(使用线性代数中的特征值、对角化等工具)，继而将一个六自由度的阻抗方程，分解为六个一自由度的阻抗方程，这将大大简化计算量，方便快捷地得到期望的控制效果。
解耦后的阻抗方程如下：
Figure GDA0002451372620000082
解耦后，在每个自由度上，都可以有如下标量形式的衰减阻抗方程：
Figure GDA0002451372620000083
m是该自由度虚拟质量，k是该自由度期望的刚度，x是脚踝-髋方向坐标系三平动或三转动自由度的形变(x，y，z，roll，pith，yaw)，Fi是测量到的外力(力矩)经过旋转后的物理量。摩擦系数b可以根据***硬件的追踪能力来调整，在理想条件下，***带宽很高，追踪能力强，可以选择阻尼比等于1(临界阻尼)下的摩擦系数。但实际中，***响应速度有限，可以在阻抗中适当增加阻尼比，使***稳定。例如：以Z方向阻抗为例，它关系到机器人受力后的腿长形变。设定Z方向虚拟质量m＝1kg,刚度每受500N产生1厘米形变，k＝500/0.01＝50000N/m，摩擦系数b＝447.2(临界阻尼)。在t＝0时，Laplace变换为：
Figure GDA0002451372620000091
等式右端即为此自由度阻抗的传递函数，带入数值得到连续***的传递函数为：
Figure GDA0002451372620000092
真实机器人***，实时控制周期是1毫秒，采用双线性变换，得到离散***的传递函数：
Figure GDA0002451372620000093
在各自由度都得到衰减力所对应的形变后，将它们叠加到规划的末端坐标系位姿上，最后调用逆向运动学算法，得到新的关节角度，基于此，本发明实施例还提供了一种实施方式，逆向运动学算法使用几何法，关键的步骤是求得脚踝到臀关节的矢量并在脚踝坐标系中表示，以右脚悬空，给出右脚相对于腰的位姿为例，计算右腿的六个关节角，w是腰坐标系，f是脚坐标系，0代表髋旋转坐标系，6代表脚踝外摆坐标系。已知右脚在腰坐标系的位姿wTf，利用齐次变换矩阵的链式法则有：
Figure GDA0002451372620000094
Figure GDA0002451372620000095
Figure GDA0002451372620000096
脚踝到髋关节矢量在脚踝坐标系的表示：
Figure GDA0002451372620000101
如图3所示，然后利用余弦定理计算出θ4，θ4是膝盖的弯曲角度，因为膝盖只能向后弯，它的范围是[-π，0]：
r＝norm(d6,0)
Figure GDA0002451372620000102
将髋关节投影在脚踝坐标系的y-z平面，可以计算脚踝的侧摆θ6：
θ6＝atan2(-ry,rz)
利用θ4,θ6的信息，将髋关节投影到脚踝坐标系的x-z平面，可以计算脚踝的前摆θ5:
Figure GDA0002451372620000103
Figure GDA0002451372620000104
θ5＝-γ-β
髋关节处三个旋转轴彼此正交，分别对应θ1,θ2,θ3,它们三个产生的姿态可以用θ5,θ6和wRf反推出：
0R3·3R4·4R5·5R6·＝wRf
0R3＝wRf·(3R4·4R5·5R6)T
θ1＝atan2(0R3(2,1),0R3(2,2))
θ2＝atan2(-0R3(2,3),0R3(2,1)·sinθ1+0R3(2,2)·cosθ1)
θ3＝atan2(0R3(1,3),0R3(3,3))
左腿的逆向运动学计算，可以将L1变号，具体实施过程可以参照上述实施例内容。
步骤S106，将各个关节的关节角信息发送给电机，以使电机对机器人双足进行阻抗控制。
在本发明实施例中，使用自然衰减函数修正双足机器人着地脚受到的撞击力，从而作为阻抗控制的输入；获取双足机器人的阻抗模型；根据阻抗模型确定阻抗控制的传递函数；根据阻抗控制的输入和阻抗控制的传递函数计算得到阻抗控制的输出方式，通过使用自然衰减函数修改阻抗控制中的外力输入，达到了调节对机器人双足的阻抗控制目的，进而解决阻抗控制会带来机器人形变，影响机器人行走时的平衡，使机器人行走过程更加稳定自然。
本发明实施例还提供一种双足机器人阻抗控制装置，如图4所示，包括：
修正模块01，使用自然衰减函数修正双足机器人着地脚受到的撞击力，从而作为阻抗控制的输入；
获取模块02，用于获取双足机器人的阻抗模型；
第一确定模块03，用于根据阻抗模型确定阻抗控制的传递函数；
计算模块04，用于根据阻抗控制的输入和阻抗控制的传递函数计算得到阻抗控制的输出；
第二确定模块05，用于根据阻抗控制的输出和规划的双足机器人位置姿态，确定各个关节的关节角；
发送模块06，用于将各个关节的关节角信息发送给电机，以使电机对机器人双足进行阻抗控制。
本发明实施例所提供的装置，其实现原理及产生的技术效果和前述方法实施例相同，为简要描述，装置实施例部分未提及之处，可参考前述方法实施例中相应内容。所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的***和装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
本发明实施例还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。
本发明实施例还提供一种具有处理器可执行的非易失的程序代码的计算机可读介质，所述程序代码使所述处理器执行上述方法。
另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的***、装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个***，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个处理器可执行的非易失的计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种双足机器人阻抗控制方法，其特征在于，包括：
使用自然衰减函数修正双足机器人着地脚受到的撞击力，从而作为阻抗控制的输入；
获取双足机器人的阻抗模型；
根据阻抗模型确定阻抗控制的传递函数；
根据阻抗控制的输入和阻抗控制的传递函数计算得到阻抗控制的输出；
根据阻抗控制的输出和规划的双足机器人位置姿态，确定各个关节的关节角；
将所述各个关节的关节角信息发送给电机，以使所述电机对机器人双足进行阻抗控制。
2.根据权利要求1所述的双足机器人阻抗控制方法，其特征在于，所述阻抗模型包括：
Figure FDA0001931852780000011
其中，M表示机器人的虚拟质量矩阵，B表示阻尼系数矩阵，K表示刚度矩阵，F是所述双足机器人着地脚受到的撞击力，X是机器人的脚坐标系在腰坐标系中的位态列向量。
3.根据权利要求1所述的双足机器人阻抗控制方法，其特征在于，根据阻抗模型确定阻抗控制的传递函数的步骤的公式，包括：
Figure FDA0001931852780000012
其中m是机器人的质量，b是阻尼，k是弹簧的弹性系数，F是所述双足机器人着地脚受到的撞击力，x是机器人的脚坐标系在腰坐标系中的位置姿态。
4.根据权利要求1所述的双足机器人阻抗控制方法，其特征在于，根据阻抗控制的输出和规划的双足机器人位置姿态，确定各个关节的关节角的步骤，包括：
根据阻抗控制的输出和规划的双足机器人位置姿态确定所述各个关节的目标位置姿态；
利用逆向运动学算法对所述各个关节的目标位置姿态进行计算得到所述各个关节的自由度关节角。
5.一种双足机器人阻抗控制装置，其特征在于，包括：
修正模块，使用自然衰减函数修正双足机器人着地脚受到的撞击力，从而作为阻抗控制的输入；
获取模块，用于获取双足机器人的阻抗模型；
第一确定模块，用于根据阻抗模型确定阻抗控制的传递函数；
计算模块，用于根据阻抗控制的输入和阻抗控制的传递函数计算得到阻抗控制的输出；
第二确定模块，用于根据阻抗控制的输出和规划的双足机器人位置姿态，确定各个关节的关节角；
发送模块，用于将所述各个关节的关节角信息发送给电机，以使所述电机对机器人双足进行阻抗控制。
6.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述权利要求1至4任一项所述的方法的步骤。
7.一种具有处理器可执行的非易失的程序代码的计算机可读介质，其特征在于，所述程序代码使所述处理器执行所述权利要求1-4任一所述方法。
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