專利名稱：一種單腿跳躍機(jī)器人的平衡控制方法
一種單腿跳躍機(jī)器人的平衡控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可以自由行走的運(yùn)輸工具，特別是一種使用單足跳躍方式行走的、 適應(yīng)崎嶇道路的機(jī)器人。
對(duì)于單腿跳躍機(jī)器人，保持身體平衡是關(guān)鍵它的技術(shù)。現(xiàn)在己有的單腿跳躍機(jī)器人， 例如美國(guó)卡耐基梅隆大學(xué)學(xué)生所設(shè)計(jì)的機(jī)器人，它利用裝于機(jī)器人身體上的四個(gè)紅外傳 感器構(gòu)成身體姿態(tài)測(cè)量裝置，通過(guò)測(cè)量四個(gè)傳感器到地面的距離來(lái)解算身體的姿態(tài)(二 個(gè)方向的傾角)，利用這二個(gè)身體姿態(tài)角控制擺動(dòng)足的擺動(dòng)角度，使之在觸地時(shí)，實(shí)現(xiàn)平 衡所要求方向的作用反力，使身體恢復(fù)到所要求姿態(tài)。該方案存在以下二個(gè)不足
1. 甶于擺動(dòng)足的擺動(dòng)角度是由身體姿態(tài)測(cè)量裝置測(cè)量的實(shí)時(shí)身體傾角解算的，對(duì) 于平衡所要求的作用反力方向，與觸地瞬間的身體姿態(tài)有關(guān)，因此擺動(dòng)足的擺 動(dòng)角度調(diào)整必須是實(shí)時(shí)的，調(diào)整過(guò)程的延時(shí)都將帶來(lái)調(diào)整的誤差?，F(xiàn)在的擺角 調(diào)整機(jī)構(gòu)，很難減少調(diào)整的延時(shí)。對(duì)于較小的單腿跳躍機(jī)器人，由于每次跳躍 的高度較小，留空時(shí)間較短，調(diào)整延時(shí)的影響更大。
2. 同樣由于擺動(dòng)足的擺動(dòng)角度是由身體姿態(tài)測(cè)量裝置測(cè)量的實(shí)時(shí)身體傾角解算 的，沒(méi)有考慮身體在跳躍過(guò)程中的角速度，由于身體具有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，在實(shí)際工 作時(shí)，角速度的影響甚至比角度更大，因此，其平衡所要求的作用反力方向應(yīng) 該考慮角速度影響。
本發(fā)明的設(shè)計(jì)意圖是找出一種單腿跳躍機(jī)器人的平衡控制方法，其控制調(diào)整過(guò)程不 是連續(xù)的，每-個(gè)跳躍周期只要進(jìn)行-次，因此有充裕的調(diào)整時(shí)間，可以消除調(diào)整的延 誤問(wèn)題。同時(shí)能考慮身體角速度對(duì)平衡的影響，使控制更加準(zhǔn)確。
本發(fā)明論述的單腿跳躍機(jī)器人的平衡控制方法，使用身體姿態(tài)測(cè)量裝置測(cè)量機(jī)器人 身體的姿態(tài)，根據(jù)測(cè)得的身體姿態(tài)數(shù)據(jù)解算擺動(dòng)足的擺動(dòng)角度值，使之在觸地時(shí)，擺動(dòng) 足的支反力使身體恢復(fù)平衡，本發(fā)明的特別之處在于身體姿態(tài)測(cè)量裝置不僅輸出機(jī)器 人身體的二個(gè)方向的傾斜角，同時(shí)也輸出二個(gè)方向的角速度，身體姿態(tài)測(cè)量裝置的姿態(tài) 測(cè)量只在每次跳起后的一個(gè)固定時(shí)刻測(cè)量，解算裝置根據(jù)跳躍周期解算出觸地時(shí)刻的身 體姿態(tài)，同時(shí)解算出所需要的擺動(dòng)足的擺動(dòng)角度值，擺動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在整個(gè)跳躍周期內(nèi)的 進(jìn)行調(diào)整。
本發(fā)明的工作原理如下
1.在身體跳躍離地-一個(gè)固定時(shí)刻，身體姿態(tài)測(cè)量裝置可以給出當(dāng)時(shí)的身體傾角O) x。和①y,"轉(zhuǎn)動(dòng)角速度",.和",。由于機(jī)器人在跳起離開(kāi)地面后，是--個(gè)只受重力的剛體，
其運(yùn)動(dòng)過(guò)程是簡(jiǎn)單的。通過(guò)跳躍周期，可以預(yù)測(cè)到落地時(shí)刻的時(shí)間間隔A從而可解算出 落地時(shí)刻的身體傾角Ox,和0)y"其關(guān)系式為
①n =^0+<T 在離地后，機(jī)器人沒(méi)有外力矩的作用，角速度不變，依然是。
2. 在得到落地的機(jī)器人身體姿態(tài)參數(shù)(0X/、①y,、 A和"》后，根據(jù)控制律，
調(diào)整擺動(dòng)足落地時(shí)相對(duì)于垂線的角度Q x和6) y。
3. 當(dāng)觸地時(shí)，擺動(dòng)足受地面一個(gè)作用力P，不僅使彈跳，而且使機(jī)器人受--個(gè)繞質(zhì) 心的力矩，產(chǎn)生的沖量矩減小機(jī)器人倒下的角速度，修正身體傾角。
附

圖1為本發(fā)明觸地時(shí)角度和受力示意圖，圖中，Z軸為鉛錘軸，X和Y為水平的 兩個(gè)方位軸，相互垂直。O為身體與鉛錘軸的夾角，其中，在觸地時(shí)刻，在X軸方向的 夾角為Ox,，在Y軸方向的夾角為Oy,;在測(cè)量時(shí)刻，在X軸方向的夾角為Ox。，在Y軸 方向的夾角為Oy。。擺動(dòng)足相對(duì)于鉛錘軸的夾角為O，其中，在觸地時(shí)刻，在X軸方向的 夾角為0x，在Y軸方向的夾角為e)y。 L為擺動(dòng)足足長(zhǎng)，R為機(jī)器人質(zhì)心到擺動(dòng)關(guān)節(jié)的距 離。P為落地時(shí)地面的支反力。
對(duì)于擺動(dòng)足角度的控制律，可以是使擺動(dòng)足落地時(shí)相對(duì)于垂線的角度0x和6)y等 f零，美國(guó)卡耐基梅隆大學(xué)學(xué)生所設(shè)計(jì)的機(jī)器人的控制律就是這樣，它隨動(dòng)控制使擺動(dòng) 足 一直保持垂直地面，這樣的控制律計(jì)算簡(jiǎn)單。
對(duì)于擺動(dòng)足角度的控制律，也可以使用與身體姿態(tài)的傾角和角速度之來(lái)控制，其擺 動(dòng)角度為身體姿態(tài)傾角和角速度的線性函數(shù)，表達(dá)為下面的函數(shù)
v = aOA. + / \.
式中。為角度補(bǔ)償系數(shù)，"為角速度補(bǔ)償系數(shù)。
角度補(bǔ)償系數(shù)a和角速度補(bǔ)償系數(shù)3根據(jù)機(jī)器人質(zhì)心到擺動(dòng)關(guān)節(jié)的距離R與擺動(dòng)足 足長(zhǎng)L，機(jī)器人質(zhì)量M和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J來(lái)取值。當(dāng)機(jī)器人質(zhì)量M大約為5kg，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J大 約1kg-m2， R/L大約0. 05時(shí)，a的取值范圍為-0. O卜0. 1， (3的取值范圍為0.卜O. 5 (秒) 都可以正常工作。當(dāng)取值絕對(duì)值較大時(shí)，收斂容易，但容易振蕩，抗干擾性不好。當(dāng)取 值絕對(duì)值較小時(shí)，收斂慢，但抗干擾性好。
對(duì)于擺動(dòng)足角度的控制律，還可以采用如下的方法
*通過(guò)姿態(tài)測(cè)量裝置測(cè)量機(jī)器人身體的姿態(tài)，通過(guò)計(jì)算表示為落地時(shí)身體的最大
傾角o,和最大傾角相對(duì)于x軸的方位角9 1D
*擺動(dòng)足關(guān)節(jié)只能在一個(gè)方向上擺動(dòng)，并受到控制，控制的擺動(dòng)角度為 ，同時(shí) 關(guān)節(jié)可以受控繞身體旋轉(zhuǎn)，控制的旋轉(zhuǎn)角度為V。
在機(jī)器人落地前，擺動(dòng)足轉(zhuǎn)動(dòng)，使擺動(dòng)足關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)到最大傾角方向。同時(shí)，控制擺 動(dòng)足的擺動(dòng)角度，使落地后的支反力修正身體的傾斜。這時(shí)擺動(dòng)角的控制律可以改 寫(xiě)為
*對(duì)于擺動(dòng)足關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)控制使之轉(zhuǎn)動(dòng)到方位角e ,方向，即V=91Q
*對(duì)于擺動(dòng)足關(guān)節(jié)的擺動(dòng)控制擺動(dòng)角度0滿足 = 00, 系數(shù)O和"的含
義如前所述，取值范圍也如前所述。
本發(fā)明所使用的姿態(tài)測(cè)量裝置可以使用美國(guó)卡耐基梅隆大學(xué)學(xué)生所設(shè)計(jì)的四個(gè)紅 外傳感器構(gòu)成身體姿態(tài)測(cè)量裝置，通過(guò)測(cè)量四個(gè)傳感器到地面的距離來(lái)解算身體的姿態(tài)， 通過(guò)在第二個(gè)時(shí)間的測(cè)量，通過(guò)兩次測(cè)量的角度差來(lái)解算出角速度值。
權(quán)利要求
1.一種單腿跳躍機(jī)器人的平衡控制方法，使用身體姿態(tài)測(cè)量裝置測(cè)量機(jī)器人身體的姿態(tài)，根據(jù)測(cè)得的身體姿態(tài)數(shù)據(jù)解算擺動(dòng)足的擺動(dòng)角度值，使之在觸地時(shí)，擺動(dòng)足的支反力使身體恢復(fù)平衡，本發(fā)明的特別之處在于身體姿態(tài)測(cè)量裝置不僅輸出機(jī)器人身體的二個(gè)方向的傾斜角，同時(shí)也輸出二個(gè)方向的角速度，身體姿態(tài)測(cè)量裝置的姿態(tài)測(cè)量只在每次跳起后的一個(gè)固定時(shí)刻測(cè)量，解算裝置根據(jù)跳躍周期解算出觸地時(shí)刻的身體姿態(tài)，同時(shí)解算出所需要的擺動(dòng)足的擺動(dòng)角度值，擺動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在整個(gè)跳躍周期內(nèi)的進(jìn)行調(diào)整。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的單腿跳躍機(jī)器人的平衡控制方法，其特別之處在于擺動(dòng)足角度 使用與身體姿態(tài)的傾角和角速度相關(guān)的線性函數(shù)來(lái)控制。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的單腿跳躍機(jī)器人的平衡控制方法，其特別之處在于通過(guò)姿態(tài)測(cè) 量裝置測(cè)量機(jī)器人身體的姿態(tài)，通過(guò)計(jì)算表示為落地時(shí)身體的最大傾角①,和最大傾角相對(duì) 于X軸的方位角9i，擺動(dòng)足關(guān)節(jié)只能在一個(gè)方向上擺動(dòng)，并受到控制，控制的擺動(dòng)角度為 Q，同時(shí)關(guān)節(jié)可以受控繞身體旋轉(zhuǎn)，控制的旋轉(zhuǎn)角度為V。在機(jī)器人落地前，擺動(dòng)足轉(zhuǎn)動(dòng)， 使擺動(dòng)足關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)到最大傾角方向，同時(shí)控制擺動(dòng)足的擺動(dòng)角度。
全文摘要
一種單腿跳躍機(jī)器人的平衡控制方法，使用身體姿態(tài)測(cè)量裝置測(cè)量機(jī)器人身體的姿態(tài)，身體姿態(tài)測(cè)量裝置不僅輸出機(jī)器人身體的二個(gè)方向的傾斜角，同時(shí)也輸出二個(gè)方向的角速度，身體姿態(tài)測(cè)量裝置的姿態(tài)測(cè)量只在每次跳起后的一個(gè)固定時(shí)刻測(cè)量，解算裝置根據(jù)跳躍周期解算出觸地時(shí)刻的身體姿態(tài)，同時(shí)解算出所需要的擺動(dòng)足的擺動(dòng)角度值，擺動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在整個(gè)跳躍周期內(nèi)的進(jìn)行調(diào)整，使之在觸地時(shí)，擺動(dòng)足的支反力使身體恢復(fù)平衡。其控制調(diào)整過(guò)程不是連續(xù)的，每一個(gè)跳躍周期只要進(jìn)行一次，因此有充裕的調(diào)整時(shí)間，可以消除調(diào)整的延誤問(wèn)題。同時(shí)能考慮身體角速度對(duì)平衡的影響，使控制更加準(zhǔn)確。
文檔編號(hào)B62D57/02GK101164820SQ200610149660
公開(kāi)日2008年4月23日 申請(qǐng)日期2006年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月16日
發(fā)明者喆 楊 申請(qǐng)人:喆 楊