仿人雙足機器人步態(tài)切換控制系統(tǒng)及控制方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及機器人領域，具體涉及一種仿人雙足機器人步態(tài)切換控制系統(tǒng)及控制 方法。
【背景技術】
[0002] 近年來，隨著機器人技術的發(fā)展，機器人應用領域日趨廣泛，而仿人機器人是機器 人研究中的重要分支，其涉及到機器人制造中的各個領域。仿人機器人要應用在各個領域， 首先要解決的就是機器人步態(tài)切換的問題，當機器人在不同路況，不同外力擾動（比如被 踢了一腳）下，不同速度下如何進行步態(tài)切換，切換成何種步態(tài)都是難點中的難點?，F(xiàn)有的 機器人都只能在已知的環(huán)境中完成規(guī)定的步態(tài)，而機器人在實際運動過程中，有時會由于 外界的未知擾動，或者路面的突然變化，導致機器人偏離了原來的狀態(tài)軌跡；有時會因為路 面障礙，不得不改變前進方向；而有時為了跟蹤一個實時變化的目標，機器人需要實時調(diào)整 自己的運動狀態(tài)，這些問題都涉及到雙足行走的步態(tài)切換問題。而步態(tài)切換最關鍵的問題 是如何解決切換瞬間因關節(jié)位移、速度和加速度突變導致的機器人失穩(wěn)，甚至摔倒的問題。
[0003] 機器人兩桿件間通常由關節(jié)連接，當機器人關節(jié)速度發(fā)生變化時，組成關節(jié)的兩 桿件之間將產(chǎn)生很大的沖擊力，很容易損壞機器人硬件結構，尤其當機器人關節(jié)速度變化 很大時，如從走路到跑步或者跳躍等步態(tài)切換的瞬間，這一現(xiàn)象更為顯著。
[0004] 專利號為CN101618547A的中國專利公開了一種基于磁流變技術的踝關節(jié)緩沖裝 置。該專利中將電機與安裝在殼體內(nèi)的片簧固接，腳底板相對于電機的轉軸，當?shù)孛鏇_擊力 很大時，勵磁線圈電流增大，磁流變阻尼器阻尼增大，片簧發(fā)生形變，對轉軸產(chǎn)生阻尼作用。 該踝關節(jié)緩沖裝置主要通過產(chǎn)生與電機相反的扭矩來緩沖地面沖擊力，而地面沖擊力通常 垂直地面向上，此種緩沖裝置的效率較低，能耗高，并且片簧在緩沖過程中發(fā)生形變，當勵 磁線圈電流為零時，磁流變液成流體狀，發(fā)生形變的片簧將恢復原狀，釋放的能量會影響關 節(jié)角度，使機器人控制出現(xiàn)偏差，影響其穩(wěn)定性。
[0005] 專利號為CN104552312A的中國專利公開了一種機器人關節(jié)的磁流變?nèi)犴樋刂?器，采用兩組齒輪，一組齒輪布置在充滿磁流變液的密封腔內(nèi)，另一組齒輪布置在密封腔 外，分別與關節(jié)兩桿件相連和驅(qū)動組件相連，實現(xiàn)機器人關節(jié)兩桿件的相對運動。該裝置采 用了多個齒輪及齒輪軸，結構復雜，且只能用于齒輪驅(qū)動；同時，該發(fā)明只能用于機械臂或 機器人上肢關節(jié)等無需考慮機器人穩(wěn)定性的場合，應用范圍有限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對現(xiàn)有技術存在的上述不足，本發(fā)明提供了一種仿人雙足機器人步態(tài)切換控制 系統(tǒng)，包括至少一個柔順控制器，所述柔順控制器連接機器人大腿、小腿、軀干或其它關節(jié) 桿件的上部與下部，用于幫助機器人完成步態(tài)切換。
[0007] 具體的，所述柔順控制器包括長度調(diào)節(jié)單元和反饋回路；
[0008] 所述長度調(diào)節(jié)單元包括固定于所述機器人關節(jié)桿件上部底端的法蘭盤，固定于所 述機器人關節(jié)桿件下部頂端的隔磁銅罩及設于所述隔磁銅罩內(nèi)的磁流變單元、吸盤及電磁 閥；
[0009] 所述磁流變單元包括缸體、配置于缸體內(nèi)的活塞、連接于活塞頂部的活塞桿、設于 缸體內(nèi)的磁流變液以及繞制于缸體上的勵磁線圈；所述缸體的底端固定于所述隔磁銅罩底 部，所述電磁閥固定于所述隔磁銅罩的頂部，所述電磁閥和隔磁銅罩頂部的中心處均設有 開孔，所述活塞桿經(jīng)所述開孔穿出后連接所述法蘭盤；所述吸盤固定于所述活塞桿上，且位 于所述缸體頂端和電磁閥之間；
[0010] 所述反饋回路包括位移傳感器、加速度傳感器，控制器和檢測控制電路；所述位移 傳感器和加速度傳感器設于所述法蘭盤的中心處，通過信號線與所述控制器相連，所述控 制器通過控制線與勵磁線圈相連；所述控制檢測電路用于處理所述位移傳感器和加速度傳 感器檢測到的信號，并轉化為標準的電流或者電壓信號，所述控制器根據(jù)所述電流或者電 壓信號發(fā)出控制指令改變所述勵磁線圈中的勵磁電流和所述電磁閥的控制電流，從而改變 所述磁流變液的阻尼和電磁閥的磁場。
[0011] 本發(fā)明的仿人雙足機器人步態(tài)切換控制系統(tǒng)，其工作原理為：在機器人進行步態(tài) 切換的過程中，當關節(jié)桿件上部相對于關節(jié)桿件下部向下運動時，活塞向下運動，電磁閥斷 電，同時通過調(diào)節(jié)勵磁線圈中的勵磁電流控制活塞的運動速度，改變桿件質(zhì)心的位置和運 動速度，同時吸收關節(jié)之間沖擊力；
[0012] 當關節(jié)桿件上部相對于關節(jié)桿件下部向上運動時，給電磁閥充電，電磁閥給固定 于活塞桿上的吸盤施加一個向上的磁力，實現(xiàn)活塞桿的向上運動，通過調(diào)節(jié)電磁閥電流控 制磁力大小，從而調(diào)節(jié)桿件質(zhì)心的位置和運動速度。
[0013] 本發(fā)明還提供了一種仿人雙足機器人步態(tài)切換方法，應用于安裝有上述步態(tài)切換 控制系統(tǒng)的仿人雙足機器人，所述機器人的關節(jié)運動由電機驅(qū)動，且于大腿、小腿及軀干關 節(jié)桿件處各裝有至少一個柔順控制器，用于實現(xiàn)機器人走路/跑步兩種步態(tài)的自由切換。
[0014] 具體的，其步態(tài)切換過程包括如下步驟：
[0015] 步驟一，根據(jù)步態(tài)切換指令，在步態(tài)切換的瞬間將兩種步態(tài)下關節(jié)桿件的運動參 數(shù)進行插值，同時進行滾動在線優(yōu)化，得到所述運動參數(shù)連續(xù)平滑的軌跡曲線；所述運動參 數(shù)包括關節(jié)桿件質(zhì)心位置Si、速度t及加速度a i，其中，i表示第i個關節(jié)桿件；
[0016] 步驟二，根據(jù)所述軌跡曲線對應的運動參數(shù)，調(diào)節(jié)電機輸出，同時調(diào)節(jié)柔順控制器 參數(shù)進行協(xié)調(diào)動作，使關節(jié)桿件跟蹤所述軌跡曲線運動；具體包括，調(diào)節(jié)勵磁線圈中的勵磁 電流L和電磁閥控制電流I 12，改變所述關節(jié)桿件的長度Q，從而改變機器人關節(jié)桿件質(zhì)心 位置Si、速度Vi及其加速度a 1<3
[0017] 具體的，磁流變液隨勵磁線圈電流^的大小可實現(xiàn)從液態(tài)到固態(tài)的轉變；當I u =〇時，磁流變液為流體狀態(tài)，阻尼較小，勵磁電流In越大，磁流變液的黏度越大，其阻尼也 越大。
[0018] 電磁閥電流112的大小決定電磁閥磁性的大??；當電I 12= 0時，電磁閥對吸盤沒 有磁力，電流越大，施加在吸盤上的磁力越大。
[0019] 步驟三，完成一次調(diào)節(jié)后，計算機器人穩(wěn)定性，判斷機器人是否穩(wěn)定；若不穩(wěn)定，重 復步驟二，直到機器人完成步態(tài)切換。
[0020] 優(yōu)選的，所述步驟三中，判斷機器人走路步態(tài)的穩(wěn)定性采用ZMP穩(wěn)定性判據(jù)；具體 的，走路步態(tài)包括單腳支撐期和雙腳支撐期，當機器人的單腳或雙腳與地面接觸時，ZMP落 點坐標在支撐區(qū)域內(nèi)即為穩(wěn)定。
[0021] 優(yōu)選的，所述步驟三中，判斷機器人跑步步態(tài)的穩(wěn)定性時，采用如下方法：
[0022] 1)當跑步步態(tài)為單腳支撐期時，采用ZMP穩(wěn)定性判據(jù)；具體的，當機器人的單腳與 地面接觸時，ZMP落點坐標在支撐區(qū)域內(nèi)即為穩(wěn)定；
[0023] 2)當跑步步態(tài)為腳與地面不接觸的飛行期時，采用質(zhì)心角動量判據(jù)；具體的，機 器人關節(jié)桿件滿足如下表達式時即為穩(wěn)定：
[0025] 其中為第i個關節(jié)桿件質(zhì)心的角動量，ε為不小于零的數(shù)，k表示第k個循 環(huán)周期，T為跑步周期，^為飛行期時間。
[0026] 進一步的，所述ZMP穩(wěn)定性判據(jù)中，ZMP落點坐標通過下述公式計算：
[0029] 其中，1?表示第i個關節(jié)桿件質(zhì)心的質(zhì)量，X pypZi分別表示第i個關節(jié)桿件質(zhì)心 坐標，
i分別表示第i個關節(jié)桿件質(zhì)心加速度，Ilx，I ly分別表示第i個關節(jié)桿 件質(zhì)心的轉動慣量
|分別表示第i個關節(jié)桿件質(zhì)心繞X軸，Y軸轉動的角加速 度，g表示重力加速度。
[0030] 進一步的，機器人從走路步態(tài)切換到跑步步態(tài)時，關節(jié)桿件速度瞬間增大，機器人 運動狀態(tài)從雙腳支撐期切換至飛行期。
[0031] 進一步的，機器人從跑步步態(tài)切換到走路步態(tài)時，關節(jié)桿件速度瞬間減小，機器人 運動狀態(tài)從飛行期切換至雙腳支撐期。
[0032] 本發(fā)明的仿人