本發(fā)明涉及機(jī)器人控制領(lǐng)域，尤其是涉及了一種基于控制策略的三維步態(tài)自我同步和自我穩(wěn)定方法。

背景技術(shù)：

機(jī)器人技術(shù)是一門新興的綜合學(xué)科，它是計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子、機(jī)械、自動(dòng)控制、人工智能等多個(gè)領(lǐng)域新技術(shù)的綜合應(yīng)用，代表了機(jī)電一體化的最新成就，是目前科技發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一。雙足機(jī)器人與其它足機(jī)器人相比，具有更高度的靈活性，在康復(fù)、護(hù)理、一般家務(wù)處理等日常服務(wù)和危險(xiǎn)環(huán)境作業(yè)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用潛力。以助行機(jī)器人為例，由于其需要為操作者提供助力和保護(hù)，維持操作者的身體平衡，同時(shí)還要通過(guò)感知操作者的狀態(tài)采取相應(yīng)的控制策略，因此，機(jī)器人需要根據(jù)不同需求制定訓(xùn)練模式，采取不同的行走方式，實(shí)現(xiàn)智能化。然而，由于雙足機(jī)器人具有多關(guān)節(jié)、多驅(qū)動(dòng)器和多傳感器的特點(diǎn)，一般都具有很多多余的自由度，這些特點(diǎn)使其穩(wěn)定性不高，也給其控制帶來(lái)了很大的難度。

本發(fā)明提出了一種基于控制策略的三維步態(tài)自我同步和自我穩(wěn)定方法，首先在簡(jiǎn)單的倒立擺模型中為組件對(duì)象模型的垂直位置定義虛擬約束，接著將引導(dǎo)自同步的控制策略用于組件對(duì)象模型恒定高度的周期性行走步態(tài)，再利用擺錘模型的組件對(duì)象模型的垂直振蕩漸近地穩(wěn)定周期性行走步態(tài)，最后將這些屬性擴(kuò)展到人形機(jī)器人的現(xiàn)實(shí)模型。本發(fā)明應(yīng)用自同步的控制策略，提高了行走的速度、效能和適應(yīng)環(huán)境的能力；同時(shí)，協(xié)調(diào)性更強(qiáng)，穩(wěn)定性更高，更加有利于投入應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)控制難度大的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于控制策略的三維步態(tài)自我同步和自我穩(wěn)定方法，先在簡(jiǎn)單的倒立擺模型中為組件對(duì)象模型的垂直位置定義虛擬約束，接著將引導(dǎo)自同步的控制策略用于組件對(duì)象模型恒定高度的周期性行走步態(tài)，再利用擺錘模型的組件對(duì)象模型的垂直振蕩漸近地穩(wěn)定周期性行走步態(tài)，最后將這些屬性擴(kuò)展到人形機(jī)器人的現(xiàn)實(shí)模型。

為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種基于控制策略的三維步態(tài)自我同步和自我穩(wěn)定方法，其主要內(nèi)容包括：

(一)簡(jiǎn)單的倒立擺模型；

(二)定義虛擬約束；

(三)將控制策略用于周期性行走步態(tài)；

(四)利用垂直振蕩穩(wěn)定周期性行走步態(tài)；

(五)擴(kuò)展到人形機(jī)器人的現(xiàn)實(shí)模型。

其中，所述的簡(jiǎn)單的倒立擺模型，首先提出雙腿倒立擺模型，其包括兩個(gè)在集中質(zhì)量的可伸縮的無(wú)質(zhì)量的腿和重合的臀部；支撐腿可以在地面接觸點(diǎn)周圍的軸s₀和n₀自由旋轉(zhuǎn)，并且每個(gè)支腿的長(zhǎng)度可以修改，從而可以獲得所需擺錘的垂直運(yùn)動(dòng)；搖臂的啟動(dòng)允許通過(guò)髖部執(zhí)行器控制擺動(dòng)腿端的位移和腿部長(zhǎng)度的控制；

機(jī)器人的構(gòu)造通過(guò)集中質(zhì)量(x,y,z)固定在腳上參考框架的位置，由(x_s,y_s,z_s)表示的擺動(dòng)腿尖的位置來(lái)定義；沿軸s₀和n₀的角動(dòng)量由σ_x和σ_y表示；沿軸s₀和n₀施加的歸一化比例因子取決于所需的步長(zhǎng)S、期望的步長(zhǎng)D和機(jī)器人的質(zhì)量m；因此，定義了一組新的變量：(z,X_s,Y_s,z_s)是致動(dòng)變量，(X,Y,σ_X,σ_Y)是由于立體腿尖和地面之間的被動(dòng)接觸而導(dǎo)致的未執(zhí)行變量；

動(dòng)力學(xué)模型由上式給出。

其中，所述的定義虛擬約束，將控制變量的期望演變定義為不受控制的CoM位置(X,Y)的函數(shù)；對(duì)于平面機(jī)器人，虛擬約束通常表示為單個(gè)未執(zhí)行變量的函數(shù)；對(duì)于存在二自由度欠驅(qū)動(dòng)的三維行走機(jī)器人，虛擬約束可以表示為兩個(gè)未執(zhí)行變量的函數(shù)；在簡(jiǎn)化的雙腿兩足動(dòng)物中，由于姿態(tài)腿圍繞軸s₀和n₀的旋轉(zhuǎn)，存在二自由度欠驅(qū)動(dòng)的程度；因此，受控變量(z,X_s,Y_s,z_s)的虛擬約束將表示為未執(zhí)行變量X和Y的函數(shù)；作為示例，CoM的高度和垂直速度表示為其水平位置和速度的函數(shù)：

z^d＝f(X,Y) (2)

通過(guò)使用虛擬約束，擺動(dòng)腿尖的期望運(yùn)動(dòng)定義為未執(zhí)行變量(X,Y)的函數(shù)。

其中，所述的將控制策略用于周期性行走步態(tài)，3D行走模型具有二自由度欠驅(qū)動(dòng)的X和Y，所以觸點(diǎn)z_s(X,Y)＝0不對(duì)應(yīng)于機(jī)器人的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，切換流形為：

之前(之后)交替腿部的狀態(tài)表示為指數(shù)-(+)；在支撐腿的交換期間，機(jī)器人的配置是固定的，但是參考框架被設(shè)置在腳尖上而改變；從幾何上看：

其中，第二個(gè)方程中的符號(hào)變化對(duì)應(yīng)于軸n₀方向的變化。

進(jìn)一步地，所述的具有恒定高度的步態(tài)，具有恒定高度z＝z₀的倒立擺被稱為3D線性倒立擺(3D LIP)；由于條件z＝z₀，矢狀面和正面中的運(yùn)動(dòng)被解耦，3D LIP動(dòng)力學(xué)的表達(dá)式為：

對(duì)于3D LIP模型，軌道能量在一個(gè)步驟間是守恒的，數(shù)量也是守恒的，稱為同步度量；如果該數(shù)量為零，則矢量與正面之間的運(yùn)動(dòng)是同步的；

由于矢狀和正面運(yùn)動(dòng)之間的同步意味著這兩個(gè)運(yùn)動(dòng)之間的耦合，并且由于這些運(yùn)動(dòng)在單個(gè)支撐階段期間解耦，所以在轉(zhuǎn)換時(shí)引入耦合是很自然的；這通過(guò)以橢圓形式定義切換流形來(lái)完成：

如上式所示。

其中，所述的利用垂直振蕩穩(wěn)定周期性行走步態(tài)，已知CoM的垂直振蕩可以漸近地穩(wěn)定周期性行走步態(tài)，為了穩(wěn)定(X₀,Y₀)-不變步態(tài)中的動(dòng)能水平，CoM的振蕩將通過(guò)以下虛擬約束引入：

z^d(X,Y)＝z₀-aS_a(X,Y) (8)

S_a選擇的表達(dá)式是確保在z^d＝z₀轉(zhuǎn)變時(shí)z位置的連續(xù)性；特別地，如果(X₀,Y₀)是姿態(tài)階段中的初始配置，則通過(guò)公式(9)，S_a(X₀,Y₀)＝0；另一方面，如果(X_f,Y_f)＝z₀是姿態(tài)階段的結(jié)束配置，那么S_a(X_f,X_f)＝0；因此，通過(guò)S_a的定義，確保z^d(X₀,Y₀)＝z^d(X_f,Y_f)＝z₀；

在單支撐階段，質(zhì)量的水平位置位于橢圓內(nèi)；因此，當(dāng)接近切換流形橢圓時(shí)，S_a(X,Y)為負(fù)值并增加，選擇a>0將確保在轉(zhuǎn)換時(shí)質(zhì)量的負(fù)垂直速度；在支撐變化之前的CoM的負(fù)垂直速度意味著在支撐變化時(shí)角動(dòng)量σ_X和σ_Y減?。粸榱双@得周期性運(yùn)動(dòng)，因此角姿勢(shì)必須在姿態(tài)階段增加，因此需要稍微移動(dòng)支撐腿和CoM的相對(duì)位置；然后將步驟開(kāi)始時(shí)的CoM的位置寫為并且在步驟結(jié)束時(shí)，切換流形選擇X_a＝D_X+CD_Y，確保CoM的垂直位置的連續(xù)性；為了確保CoM的垂直速度的連續(xù)性，將由z_cor(X)表示的X的三階多項(xiàng)式函數(shù)加到z^d的表達(dá)式(8)中。

其中，所述的擴(kuò)展到人形機(jī)器人的現(xiàn)實(shí)模型，包括擴(kuò)展雙足機(jī)器人復(fù)雜模型的虛擬約束、控制規(guī)律和混合零動(dòng)態(tài)。

進(jìn)一步地，所述的擴(kuò)展雙足機(jī)器人復(fù)雜模型的虛擬約束，與簡(jiǎn)單的倒立擺模型相比，須定義更多的虛擬約束；將約束n-2個(gè)驅(qū)動(dòng)的自由度(DoF)作為兩個(gè)不受控制的變量X和Y的函數(shù)；擺腳的位置和方向?qū)⑼ㄟ^(guò)六個(gè)虛擬約束來(lái)控制，其余部分控制人形機(jī)器人的上半身；這些剩余的n-9個(gè)DoF被任意約束到固定位置，并且可以在將來(lái)的步驟中進(jìn)行修改以優(yōu)化步態(tài)；

為了產(chǎn)生適當(dāng)?shù)闹巫兓?，擺腳的高度的虛擬約束將簡(jiǎn)單地形成：

z_s＝Z_sc(X,Y)＝v_zS_a(X,Y) (10)

其中，v_z是一個(gè)參數(shù)，允許在步驟中選擇擺腳的高度；

在擺腳的運(yùn)動(dòng)結(jié)束時(shí)，

虛擬約束由上式定義。

進(jìn)一步地，所述的控制規(guī)律，控制變量q_c的組合由COM z的高度、擺腳的位置(X_s,Y_s,z_s)及其取向、n-9個(gè)上身關(guān)節(jié)組成；對(duì)于每個(gè)受控變量，期望的運(yùn)動(dòng)表示為自由(未執(zhí)行)變量q_f(即X和Y)的函數(shù)；

控制目標(biāo)如上式所示；

以拉格朗日形式表示人形機(jī)器人的動(dòng)態(tài)模型，如上式所示。

進(jìn)一步地，所述的混合零動(dòng)態(tài)，受制于虛擬約束的系統(tǒng)配置，稱為零動(dòng)力流形的降序流形，其數(shù)學(xué)定義如下：

零動(dòng)力學(xué)流形在沖擊圖下不變時(shí)，稱為混合零動(dòng)力流形，該流形上的運(yùn)動(dòng)方程被稱為混合零動(dòng)力學(xué)(HZD)；將HZD作為未致動(dòng)狀態(tài)變量q_f和σ_u的函數(shù)寫入如下：

在人形模型中，由于腿不是無(wú)質(zhì)量的，所以對(duì)地面的影響傳遞給整個(gè)人形模型；這種通過(guò)動(dòng)態(tài)模型的沖動(dòng)形式建模的影響在關(guān)節(jié)速度上產(chǎn)生不連續(xù)性；因此，在下一步驟開(kāi)始時(shí)獲得的速度與先前設(shè)計(jì)的約束的一階導(dǎo)數(shù)不一致；因此，為了在沖擊后保持在零動(dòng)態(tài)流形上必須在每個(gè)步驟開(kāi)始時(shí)修改虛擬約束，補(bǔ)償由沖擊產(chǎn)生的不連續(xù)性。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明一種基于控制策略的三維步態(tài)自我同步和自我穩(wěn)定方法的系統(tǒng)流程圖。

圖2是本發(fā)明一種基于控制策略的三維步態(tài)自我同步和自我穩(wěn)定方法的簡(jiǎn)單倒立擺模型。

圖3是本發(fā)明一種基于控制策略的三維步態(tài)自我同步和自我穩(wěn)定方法的將控制策略用于周期性行走步態(tài)。

具體實(shí)施方式

需要說(shuō)明的是，在不沖突的情況下，本申請(qǐng)中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互結(jié)合，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

圖1是本發(fā)明一種基于控制策略的三維步態(tài)自我同步和自我穩(wěn)定方法的系統(tǒng)流程圖。主要包括簡(jiǎn)單的倒立擺模型，定義虛擬約束，將控制策略用于周期性行走步態(tài)，利用垂直振蕩穩(wěn)定周期性行走步態(tài)，擴(kuò)展到人形機(jī)器人的現(xiàn)實(shí)模型。

定義虛擬約束，將控制變量的期望演變定義為不受控制的CoM位置(X,Y)的函數(shù)；對(duì)于平面機(jī)器人，虛擬約束通常表示為單個(gè)未執(zhí)行變量的函數(shù)；對(duì)于存在二自由度欠驅(qū)動(dòng)的三維行走機(jī)器人，虛擬約束可以表示為兩個(gè)未執(zhí)行變量的函數(shù)；在簡(jiǎn)化的雙腿兩足動(dòng)物中，由于姿態(tài)腿圍繞軸s₀和n₀的旋轉(zhuǎn)，存在二自由度欠驅(qū)動(dòng)的程度；因此，受控變量(z,X_s,Y_s,z_s)的虛擬約束將表示為未執(zhí)行變量X和Y的函數(shù)；作為示例，CoM的高度和垂直速度表示為其水平位置和速度的函數(shù)：

z^d＝f(X,Y) (1)

通過(guò)使用虛擬約束，擺動(dòng)腿尖的期望運(yùn)動(dòng)定義為未執(zhí)行變量(X,Y)的函數(shù)。

利用垂直振蕩穩(wěn)定周期性行走步態(tài)，已知CoM的垂直振蕩可以漸近地穩(wěn)定周期性行走步態(tài)，為了穩(wěn)定(X₀,Y₀)-不變步態(tài)中的動(dòng)能水平，CoM的振蕩將通過(guò)以下虛擬約束引入：

z^d(X,Y)＝z₀-aS_a(X,Y) (3)

S_a選擇的表達(dá)式是確保在z^d＝z₀轉(zhuǎn)變時(shí)z位置的連續(xù)性；特別地，如果(X₀,Y₀)是姿態(tài)階段中的初始配置，則通過(guò)公式(4)，S_a(X₀,Y₀)＝0；另一方面，如果(X_f,Y_f)＝z₀是姿態(tài)階段的結(jié)束配置，那么S_a(X_f,Y_f)＝0；因此，通過(guò)S_a的定義，確保z^d(X₀,Y₀)＝z^d(X_f,Y_f)＝z₀；

在單支撐階段，質(zhì)量的水平位置位于橢圓內(nèi)；因此，當(dāng)接近切換流形橢圓時(shí)，S_a(X,Y)為負(fù)值并增加，選擇a>0將確保在轉(zhuǎn)換時(shí)質(zhì)量的負(fù)垂直速度；在支撐變化之前的CoM的負(fù)垂直速度意味著在支撐變化時(shí)角動(dòng)量σ_X和σ_Y減??；為了獲得周期性運(yùn)動(dòng)，因此角姿勢(shì)必須在姿態(tài)階段增加，因此需要稍微移動(dòng)支撐腿和CoM的相對(duì)位置；然后將步驟開(kāi)始時(shí)的CoM的位置寫為并且在步驟結(jié)束時(shí)，切換流形選擇X_a＝D_X+CD_Y，確保CoM的垂直位置的連續(xù)性；為了確保CoM的垂直速度的連續(xù)性，將由z_cor(X)表示的X的三階多項(xiàng)式函數(shù)加到zd的表達(dá)式(3)中。

擴(kuò)展到人形機(jī)器人的現(xiàn)實(shí)模型，包括擴(kuò)展雙足機(jī)器人復(fù)雜模型的虛擬約束、控制規(guī)律和混合零動(dòng)態(tài)。

擴(kuò)展雙足機(jī)器人復(fù)雜模型的虛擬約束，與簡(jiǎn)單的倒立擺模型相比，須定義更多的虛擬約束；將約束n-2個(gè)驅(qū)動(dòng)的自由度(DoF)作為兩個(gè)不受控制的變量X和Y的函數(shù)；擺腳的位置和方向?qū)⑼ㄟ^(guò)六個(gè)虛擬約束來(lái)控制，其余部分控制人形機(jī)器人的上半身；這些剩余的n-9個(gè)DoF被任意約束到固定位置，并且可以在將來(lái)的步驟中進(jìn)行修改以優(yōu)化步態(tài)；

為了產(chǎn)生適當(dāng)?shù)闹巫兓?，擺腳的高度的虛擬約束將簡(jiǎn)單地形成：

z_s＝Z_sc(X,Y)＝v_zS_a(X,Y) (5)

其中，v_z是一個(gè)參數(shù)，允許在步驟中選擇擺腳的高度；

在擺腳的運(yùn)動(dòng)結(jié)束時(shí)，

虛擬約束由上式定義。

控制規(guī)律，控制變量q_c的組合由COM z的高度、擺腳的位置(X_s,Y_s,z_s)及其取向、n-9個(gè)上身關(guān)節(jié)組成；對(duì)于每個(gè)受控變量，期望的運(yùn)動(dòng)表示為自由(未執(zhí)行)變量q_f(即X和Y)的函數(shù)；

控制目標(biāo)如上式所示；

以拉格朗日形式表示人形機(jī)器人的動(dòng)態(tài)模型，如上式所示。

混合零動(dòng)態(tài)，受制于虛擬約束的系統(tǒng)配置，稱為零動(dòng)力流形的降序流形，其數(shù)學(xué)定義如下：

零動(dòng)力學(xué)流形在沖擊圖下不變時(shí)，稱為混合零動(dòng)力流形，該流形上的運(yùn)動(dòng)方程被稱為混合零動(dòng)力學(xué)(HZD)；將HZD作為未致動(dòng)狀態(tài)變量q_f和σ_u的函數(shù)寫入如下：

在人形模型中，由于腿不是無(wú)質(zhì)量的，所以對(duì)地面的影響傳遞給整個(gè)人形模型；這種通過(guò)動(dòng)態(tài)模型的沖動(dòng)形式建模的影響在關(guān)節(jié)速度上產(chǎn)生不連續(xù)性；因此，在下一步驟開(kāi)始時(shí)獲得的速度與先前設(shè)計(jì)的約束的一階導(dǎo)數(shù)不一致；因此，為了在沖擊后保持在零動(dòng)態(tài)流形上必須在每個(gè)步驟開(kāi)始時(shí)修改虛擬約束，補(bǔ)償由沖擊產(chǎn)生的不連續(xù)性。

圖2是本發(fā)明一種基于控制策略的三維步態(tài)自我同步和自我穩(wěn)定方法的簡(jiǎn)單倒立擺模型。首先提出雙腿倒立擺模型，其包括兩個(gè)在集中質(zhì)量的可伸縮的無(wú)質(zhì)量的腿和重合的臀部；支撐腿可以在地面接觸點(diǎn)周圍的軸s₀和n₀自由旋轉(zhuǎn)，并且每個(gè)支腿的長(zhǎng)度可以修改，從而可以獲得所需擺錘的垂直運(yùn)動(dòng)；搖臂的啟動(dòng)允許通過(guò)髖部執(zhí)行器控制擺動(dòng)腿端的位移和腿部長(zhǎng)度的控制；

機(jī)器人的構(gòu)造通過(guò)集中質(zhì)量(x,y,z)固定在腳上參考框架的位置，由(x_s,y_s,z_s)表示的擺動(dòng)腿尖的位置來(lái)定義；沿軸s₀和n₀的角動(dòng)量由σ_x和σ_y表示；沿軸s₀和n₀施加的歸一化比例因子取決于所需的步長(zhǎng)S、期望的步長(zhǎng)D和機(jī)器人的質(zhì)量m；因此，定義了一組新的變量：(z,X_s,Y_s,z_s)是致動(dòng)變量，(X,Y,σ_X,σ_Y)是由于立體腿尖和地面之間的被動(dòng)接觸而導(dǎo)致的未執(zhí)行變量；

動(dòng)力學(xué)模型由上式給出。

圖3是本發(fā)明一種基于控制策略的三維步態(tài)自我同步和自我穩(wěn)定方法的將控制策略用于周期性行走步態(tài)。3D行走模型具有二自由度欠驅(qū)動(dòng)的X和Y，所以觸點(diǎn)z_s(X,Y)＝0不對(duì)應(yīng)于機(jī)器人的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，切換流形為：

之前(之后)交替腿部的狀態(tài)表示為指數(shù)-(+)；在支撐腿的交換期間，機(jī)器人的配置是固定的，但是參考框架被設(shè)置在腳尖上而改變；從幾何上看：

其中，第二個(gè)方程中的符號(hào)變化對(duì)應(yīng)于軸n₀方向的變化。

具有恒定高度z＝z₀的倒立擺被稱為3D線性倒立擺(3D LIP)；由于條件z＝z₀，矢狀面和正面中的運(yùn)動(dòng)被解耦，3D LIP動(dòng)力學(xué)的表達(dá)式為：

對(duì)于3D LIP模型，軌道能量在一個(gè)步驟間是守恒的，數(shù)量也是守恒的，稱為同步度量；如果該數(shù)量為零，則矢量與正面之間的運(yùn)動(dòng)是同步的；

由于矢狀和正面運(yùn)動(dòng)之間的同步意味著這兩個(gè)運(yùn)動(dòng)之間的耦合，并且由于這些運(yùn)動(dòng)在單個(gè)支撐階段期間解耦，所以在轉(zhuǎn)換時(shí)引入耦合是很自然的；這通過(guò)以橢圓形式定義切換流形來(lái)完成：

如上式所示。

對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員，本發(fā)明不限制于上述實(shí)施例的細(xì)節(jié)，在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，能夠以其他具體形式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。此外，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍，這些改進(jìn)和變型也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，所附權(quán)利要求意欲解釋為包括優(yōu)選實(shí)施例以及落入本發(fā)明范圍的所有變更和修改。