專利名稱：基于雙平衡控制機制的仿人足球機器人全向踢球方法
基于雙平衡控制機制的仿人足球機器人全向踢球方法技術領域
本發(fā)明屬于仿人機器人踢球技術領域，具體涉及一種基于雙平衡機制的仿人足球機器人全向踢球方法。
背景技術：
仿人足球機器人是仿人機器人技術研究的分支，與一般的仿人機器人相比，仿人足球機器人具有體積小、質量輕、運動靈活等特點。另外由于仿人足球機器人的競技娛樂性，使得其更容易走進人類的生活。因此仿人足球機器人已經成為煩人機器人技術研究的熱點之一。
1996年，RoboCup國際聯(lián)合會成立，并在日本舉行了表演賽。2002年的RoboCup比賽中啟動了類人組的比賽，比賽要求仿人足球機器人反應迅速，能進行較為激烈的對抗，因此參賽隊伍要綜合考慮其仿人機器人的運動能力、平衡等多方面的技術。
在仿人機器人踢球方面，也有其它一些方法，如Rui Ferreira的仿人機器人全向踢球的方法，采用貝塞爾曲線規(guī)劃足部運動軌跡，并結合基于質心的穩(wěn)定性控制模塊，該方法當修改支撐腿的關節(jié)位置以更好的維穩(wěn)時，會同時改變游腳的位置即踢球的腳的運動軌跡會出現(xiàn)偏差；Patrick MacAlpine的踢球引擎執(zhí)行機制,建立踢球技能文件以動態(tài)規(guī)劃不同踢球方式下的足部運動軌跡，根據(jù)足球的位置確定固定的踢球方向。該方法使用CMA-ES優(yōu)化足部運動的軌跡點，以控制踢球的距離和速度等重要的參數(shù)。
由于上述方法都是研究基于特定模塊的踢球運動，而在動態(tài)對抗和時間因素等方面有一定地缺陷，即無法快速、準確而又穩(wěn)定的完成踢球動作。上述問題是在仿人足球機器人的踢球過程中應當予以考慮并解決的問題。發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種基于雙平衡機制的仿人足球機器人全向踢球方法解決現(xiàn)有技術中存在的基于特定模塊踢球運動，而在動態(tài)對抗和有限的時間內應用效率并不高，即抗外界干擾性不高，無法快速、準確而又穩(wěn)定的完成踢球動作的問題。
本發(fā)明的技術解決方案是: 一種基于雙平衡控制機制的仿人足球機器人全向踢球方法，包括踢球點選擇機制、足部空間軌跡規(guī)劃、關節(jié)角度計算和雙平衡控制機制， 步驟一，踢球點選擇機制: 以球為圓心、目標偏移TOffsetP為半徑確定圓，該圓周上面的點均為可行的踢球點K1、K2……Κη，對其中若干個踢球點的踢球代價值KickCost進行分析；選取踢球代價值KickCost為最小值時的踢球點得到最小代價踢球點，并控制機器人A行走至該最小代價踢球點； 步驟二，足部空間軌跡規(guī)劃:由機器人A身體重心的轉移，同時利用三次樣條插值法進行足部三維空間軌跡的規(guī)劃，以獲得機器人A每個時刻足部運動的參考位姿； 步驟三，關節(jié)角度計算:由步驟二得出機器人A每個時刻足部運動的參考位姿利用逆運動學知識計算出機器人A的膝蓋處的關節(jié)角、踝關節(jié)的滾動角和俯仰角，以及股關節(jié)的偏擺角、滾動角和俯仰角；
步驟四，雙平衡控制機制:包括機器人A身體的傾斜角度的控制和機器人A髖關節(jié)的滾動和俯仰角速度變化的控制，采用基于質心平衡的方法，維持機器人A身體在的X-Y平面上的穩(wěn)定同時控制機器人A身體的傾斜角度；采用陀螺儀反饋平衡機制對機器人A髖關節(jié)的滾動和俯仰角速度變化的控制。
進一步改進在于:所述步驟一的踢球點選擇機制中最小代價踢球點的選取包括步驟Ia和步驟Ib:
步驟la，踢球點選擇機制:以球為圓心、目標偏移TOffsetP為半徑確定圓，該圓周上面的點均為可行的踢球點Kl、K2……Kn，對其中若干個踢球點的踢球代價值KickCost進行分析；機器人A的當前位置AgentP為機器人A相對于球而言的二維坐標值，目標偏移位置TOffsetP為機器人A的踢球點Kl相對于球而言的偏移量，當前位置AgentP與目標偏移位置TOffsetP之差的絕對值除以標準值m得到距離代價值DistCost:
DistCost = [AgenlP—TOffsetP|/m(I)
步驟Ib,計算機器人A的轉身代價值TurnCost,機器人A的當前朝向與球形成的夾角￡￡踢球點Kl的朝向與球形成的夾角於，夾角a與夾角聲之差的絕對值除以360即是轉身代價值TurnCost:
TnmCost =丨 AgentOientrfi an — T afgetOientdia(i| /360 = jff —爲',360(2)
步驟Ic,距離代價值DistCost和轉身代價值TurnCost之和為機器人A在踢球點的踢球代價值KickCost:
EdtCtist — DistGbst + TumCiist(3 )
選取式(3)中踢球代價值KickCost為最小值時的踢球點得到最小代價踢球點。
進一步改進在于:所述步驟二的足部空間軌跡規(guī)劃包括步驟2a和步驟2b:
步驟2a，根據(jù)機器人A游腳的運動情況能夠將機器人A的一個完整地踢球動作劃分為后抬腿、擺動和復位三個階段，即得到抬腿、擺動和復位三條運動曲線；
步驟2b，由步驟2a中的抬腿、擺動和復位三條運動曲線分別利用三次樣條插值法保證插值得出低階分段且光滑的曲線函數(shù)，得出機器人A的踝關節(jié)每個時刻的參考位姿，以實現(xiàn)對足部踢球運動的控制。所述步驟2b中機器人A的踝關節(jié)每個時刻的參考位姿的算法為:
的n個時刻有n個插值點=Pj , I=IJ1-1i，三次樣條插值函數(shù)在每個區(qū)間是一個三次多項式，而且三次樣條插值函數(shù)的一階導數(shù)sr(t)和二階導數(shù)在區(qū)間(Iv t )是連續(xù)的;
權利要求
1.一種基于雙平衡控制機制的仿人足球機器人全向踢球方法，其特征在于:包括踢球點選擇機制、足部空間軌跡規(guī)劃、關節(jié)角度計算和雙平衡控制機制， 步驟一，踢球點選擇機制:以球為圓心、目標偏移TOffsetP為半徑確定圓，該圓周上面的點均為可行的踢球點K1、K2……Kn，對其中若干個踢球點的踢球代價值KickCost進行分析；選取踢球代價值KickCost為最小值時的踢球點得到最小代價踢球點，并控制機器人A行走至該最小代價踢球點； 步驟二，足部空間軌跡規(guī)劃:由機器人A身體重心的轉移，同時利用三次樣條插值法進行足部三維空間軌跡的規(guī)劃，以獲得機器人A每個時刻足部運動的參考位姿； 步驟三，關節(jié)角度計算:由步驟二得出機器人A每個時刻足部運動的參考位姿利用逆運動學知識計算出機器人A的膝蓋處的關節(jié)角、踝關節(jié)的滾動角和俯仰角，以及股關節(jié)的偏擺角、滾動角和俯仰角； 步驟四，雙平衡控制機制:包括機器人A身體的傾斜角度的控制和機器人A髖關節(jié)的滾動和俯仰角速度變化的控制，采用基于質心平衡的方法，維持機器人A身體在的X-Y平面上的穩(wěn)定同時控制機器人A身體的傾斜角度；采用陀螺儀反饋平衡機制對機器人A髖關節(jié)的滾動和俯仰角速度變化的控制。
2.如權利要求1所述的基于雙平衡機制的仿人足球機器人全向踢球方法，其特征在于，所述步驟一的踢球點選擇機制中最小代價踢球點的選取包括以下步驟: 步驟la，踢球點選擇機制:以球為圓心、目標偏移TOffsetP為半徑確定圓，該圓周上面的點均為可行的踢球點Kl、K2……Kn，對其中若干個踢球點的踢球代價值KickCost進行分析；機器人A的當前位置AgentP為機器人A相對于球而言的二維坐標值，目標偏移位置TOffsetP為機器人A的踢球點Kl相對于球而言的偏移量，當前位置AgentP與目標偏移位置TOffsetP之差的絕對值除以標準值m得到距離代價值DistCost: DistCbst = |Ag ntP-TQHsetP|/m(I) 步驟lb,計算機器人A的轉身代價值TurnCost,機器人A的當前朝向與球形成有夾角a，踢球點Kl的朝向與球形成的夾角於，夾角a與夾角於之差的絕對值除以3__即是轉身代價值TurnCost:TnmCost; — [AgentOrienlatiaft—T acgdtOtiaitaliaal /360 = \a—0\ /360(2) 步驟Ic,距離代價值DistCost和轉身代價值TurnCost之和為機器人A在踢球點的踢球代價值KickCost: KiddCost: =+ TmtOxst;(3 ) 選取式(3)中踢球代價值KickCost為最小值時的踢球點得到最小代價踢球點。
3.如權利要求1所述的基于雙平衡機制的仿人足球機器人全向踢球方法，其特征在于，所述步驟二的足部空間軌跡規(guī)劃包括以下步驟: 步驟2a，根據(jù)機器人A游腳的運動情況能夠將機器人A的一個完整地踢球動作劃分為后抬腿、擺動和復位三個階段，即得到抬腿、擺動和復位三條運動曲線； 步驟2b，由步驟2a中的抬腿、擺動和復位三條運動曲線分別利用三次樣條插值法保證插值得出低階分段且光滑的曲線函數(shù)， 得出機器人A的踝關節(jié)每個時刻的參考位姿，以實現(xiàn)對足部踢球運動的控制。
4.如權利要求3所述的基于雙平衡機制的仿人足球機器人全向踢球方法，其特征在于，所述步驟2b中機器人A的踝關節(jié)每個時刻的參考位姿的算法為: 在I1Ct2O--Ktn的η個時刻有η個插值點
5.如權利要求1所述的基于雙平衡機制的仿人足球機器人全向踢球方法，其特征在于，所述步驟四的雙平衡控制機制包括以下步驟: 步驟4a，機器人A身體的傾斜角度的控制:利用機器人A質心COM的投影必須在支撐多邊形內部準則來維持自身穩(wěn)定性；如果機器人A質心COM的投影不在支撐多邊形內，將打開與支撐腿同側的手臂直到機器人A質心COM的投影在支撐多邊形內為止；利用PID控制機器人A身體在X、Y平面上的平衡性，對于機器人A整個身體在三維空間中穩(wěn)定性，采用畢達哥拉斯定理控制踝關節(jié)的旋轉角度； 步驟4b，機器人A髖關節(jié)的滾動和俯仰角速度變化的控制:利用陀螺儀反饋控制，使用指數(shù)平滑迭代法彌補陀螺儀傳感器信息的延遲，實現(xiàn)對機器人A髖關節(jié)的滾動和俯仰角速度變化的精確控制。
6.如權利要求5所述的基于雙平衡機制的仿人足球機器人全向踢球方法，其特征在于，所述步驟4a的機器人A身體的傾斜角度的控制的具體算法為:控制器輸入的誤差值是測量的質心位置值COMra與理想的質心位置值COMfc之間的差值，即Sir = CDMra-CXM1ta ,其中理想的質心位置值COM_是通過未來n個時刻支撐腳的位置值的調和平均數(shù)計算得出的，測量的質心位置值COMm為:
7.如權利要求5所述的基于雙平衡機制的仿人足球機器人全向踢球方法，其特征在于，所述步驟4b的機器人A髖關節(jié)的滾動和俯仰角速度變化的控制的具體算法為: 利用髖關節(jié)的滾動角每_*和俯仰角得出角度變化的目標速度，即目標角速度Desli ,Des5l的計算如下所示:
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于雙平衡控制機制的仿人足球機器人全向踢球方法，根據(jù)距離代價值和角度代價值確定具有最小代價的踢球點，并控制機器人行走至該踢球點；機器人身體重心的轉移，同時利用三次樣條插值法進行足部空間軌跡的規(guī)劃，即可獲得機器人每個時刻足部運動的參考位姿；由上述得出的參考位姿利用逆運動學知識計算出機器人各個關節(jié)的角度；采用基于質心和陀螺儀反饋的雙平衡機制維持機器人在踢球過程中穩(wěn)定性。本發(fā)明一種基于雙平衡控制機制的仿人足球機器人全向踢球方法，在仿人機器人踢球過程中，利用質心和陀螺儀反饋雙平衡機制實現(xiàn)機器人的全向踢球。相比現(xiàn)有技術，本發(fā)明的機器人踢球方法具有穩(wěn)定性好、執(zhí)行效率高的優(yōu)點。
文檔編號G05B13/04GK103217903SQ20131011687
公開日2013年7月24日 申請日期2013年4月7日 優(yōu)先權日2013年4月7日
發(fā)明者梁志偉, 劉娟, 郝越, 朱松豪 申請人:南京郵電大學