欠驅動兩足步行機器人水平行走時的側向控制方法
2023-10-05 22:36:49
專利名稱：欠驅動兩足步行機器人水平行走時的側向控制方法
技術領域：
本發明涉及機器人控制技術領域，具體講是一種欠驅動兩足步行機器人水平行走時的側向控制方法。
背景技術：
目前，欠驅動兩足步行機器人的研究主要集中在平面型機器人，機器人需要藉助外力維持側向平衡。欠驅動兩足步行機器人要自由行走，就必須同時解決前項和側向的穩定問題，實現3D行走控制。目前3D行走是採用髖關節來控制側向平衡，由於髖關節控制側向運動調節能力小，在大中幹擾的情況下，容易側向摔倒，魯棒性差。
發明內容
本發明要解決的技術問題是，克服以上現有技術的缺點，提供一種側向運動調節能力大，在大中幹擾的情況下，不容易側向摔倒，魯棒性好的欠驅動兩足步行機器人水平行走時的側向控制方法。本發明的技術方案是，提供一種欠驅動兩足步行機器人水平行走時的側向控制方法，當機器人直立狀態時，過機器人的質心的垂線與機器人此時行走的水平面相交於一交點，當機器人側向擺動，即質心側向擺動時，每個擺動瞬時機器人的質心和交點均確定一直線，那麼定義側傾角為直線與垂線的夾角；不同側向幹擾作用下，定義模糊控制器的側傾角模糊變量位於垂線右側的側傾有三種情況，分別為右小幹擾、右中幹擾、右大幹擾，位於垂線左側的側傾有三種情況，分別為左小幹擾、左中幹擾、左大幹擾；側向控制步驟為(1)設定側傾角給定值；(2)由傳感器按採樣周期實時採樣側傾角；(3)在每個採樣周期將側傾角與側傾角給定值進行比較，得到誤差，誤差由側傾角給定值減去側傾角確定，接著，模糊控制器根據誤差進行模糊控制，模糊控制過程是，若誤差的絕對值小於給定閥值，那麼維持手臂現有位置不變，否則模糊控制器控制手臂關節處的電機運轉，電機驅動手臂上下擺動。採用上述方法後，本發明與現有技術相比，具有以下顯著優點及有益效果因為本發明通過控制手臂上下擺動來控制側向平衡，而手臂較長，手臂質心離機器人質心較遠，因此手臂的上下擺動能夠獲得較大的繞機器人的質心向左或向右扭轉態勢，換句話說，在側向平面內，繞機器人的質心具有較大的逆時針或順時針扭轉態勢，所以本發明欠驅動兩足步行機器人水平行走時的側向控制方法具有側向運動調節能力大，在大中幹擾的情況下， 不容易側向摔倒，魯棒性好的優點。作為改進，所述給定閥值為5，這樣，更有利於機器人側向快速鎮定。作為進一步改進，所述傳感器安裝在質心所在位置，這樣的安裝方式簡單，不會改變機器人的質心位置，使得測量側傾角度更加準確。
作為進一步改進，所述右小幹擾、右中幹擾、右大幹擾的範圍分別定義為
、(10,30], (25，45]，所述左小幹擾、左中幹擾、左大幹擾的範圍分別定義為
、 (-10，-30]、(-25，-45]，這樣，更有利於機器人側向快速鎮定。
圖1是本發明欠驅動兩足步行機器人水平行走時的側向控制方法的原理方框圖。圖2是本發明欠驅動兩足步行機器人水平行走時的側向控制方法的模糊控制器的輸入輸出原理圖。圖3是本發明欠驅動兩足步行機器人水平行走時的側向控制方法的誤差的隸屬度函數的曲線圖。圖4是本發明欠驅動兩足步行機器人水平行走時的側向控制方法的誤差導數的隸屬度函數的曲線圖。圖5是本發明欠驅動兩足步行機器人水平行走時的側向控制方法的模糊控制器輸出的控制量的隸屬度函數的曲線圖。圖6是本發明欠驅動兩足步行機器人水平行走時的側向控制方法的右傾瞬時欠驅動兩足機器人左臂下降右臂上升的結構示意圖。圖7是本發明欠驅動兩足步行機器人水平行走時的側向控制方法的左傾瞬時欠驅動兩足機器人左臂下降右臂上升的結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步說明。本例中，本發明欠驅動兩足步行機器人水平行走時的側向控制方法，控制對象為欠驅動兩足步行機器人，重量40kg，身高120cm，左、右手臂長度各長30cm，手臂關節安裝有四個電機，左手二個，右手二個，分別安裝在肘關節、肩關節。具體結構如附圖6或7。當機器人直立狀態時，過機器人的質心的垂線I1與機器人此時行走的水平面(比如水平地面、水平桌面等等)相交於一交點K，當機器人側向擺動，即質心側向擺動時，每個擺動瞬時機器人的質心和K均確定一直線I2，那麼定義側傾角α為12與1工的夾角，見圖6 或7 ；不同側向幹擾作用下，定義模糊控制器的側傾角模糊變量位於I1右側的側傾有三種情況，分別為右小幹擾PS、右中幹擾ΡΜ、右大幹擾PL，位於I1左側的側傾有三種情況，分別為左小幹擾NS、左中幹擾匪、左大幹擾NL ；側向控制步驟為(1)在取值範圍[-5，5]中任取一值作為側傾角給定值α d ；(2)由傳感器按採樣周期實時採樣側傾角α，採樣周期按需設定即可，沒有特別要求；(3)在每個採樣周期將α與α d進行比較，得到誤差e，e由α d減去α確定，接著，模糊控制器根據誤差e進行模糊控制，模糊控制過程是，若e的絕對值小於給定閥值，那麼維持手臂現有位置不變，否則模糊控制器控制手臂關節處的電機運轉，電機驅動手臂上下擺動，例如，右傾時，左臂下降，右臂上升，提供一個與傾斜方向相反的扭轉態勢，見圖6， 同理，左傾時，左臂上升，右臂下降，提供一個與傾斜方向相反的扭轉態勢，見圖7。
在取值範圍W，5]中任取一值作為給定閥值。上述步驟的原理方框圖如圖1所示。本例採用的模糊控制如下模糊控制器對誤差e及誤差導數 進行模糊化、模糊控制規則運算、反模糊化，從而得到模糊控制輸出。右傾時，左臂電機控制量由模糊控制規則1、2產生；右臂電機控制量由模糊控制規則3、4產生。模糊控制規則數量根據手臂電機數量來確定。模糊控制器的輸入輸出原理圖見圖2。其中，e為誤差， 為誤差導數，ul為左臂電機1的控制量，u2為左臂電機2的控制量，u3為右臂電機3的控制量，u4為右臂電機4的控制量。誤差e、誤差導數 的模糊量分別為E、EC,定義如下E= {負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}= {NL,匪，NS，Z0, PS, PM, PL}EC= {負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}= {NL,匪，NS，Z0, PS, PM, PL}誤差e、誤差導數 的模糊化採用三角型隸屬度函數，見圖3和圖4。圖3中μ (e) 表示誤差的隸屬度值，圖4中//⑷表示誤差導數的隸屬度值。模糊控制規則參見表1、表2、 表3、表4，ZO為模糊控制的零位，並定義ZO e [-5，5]，反模糊化採用重心或最大隸屬度法， 控制量ul、u2、u3、u4的隸屬度函數見圖5，圖中μ (u)表示隸屬度值。表1模糊控制規則權利要求
1.一種欠驅動兩足步行機器人水平行走時的側向控制方法，其特徵在於，當機器人直立狀態時，過機器人的質心的垂線I1與機器人此時行走的水平面相交於一交點K，當機器人側向擺動，即質心側向擺動時，每個擺動瞬時機器人的質心和K均確定一直線I2，那麼定義側傾角α為I2與I1的夾角；不同側向幹擾作用下，定義模糊控制器的側傾角模糊變量位於I1右側的側傾有三種情況，分別為右小幹擾PS、右中幹擾ΡΜ、右大幹擾PL，位於I1左側的側傾有三種情況，分別為左小幹擾NS、左中幹擾匪、左大幹擾NL ；側向控制步驟為(1)設定側傾角給定值αd ；(2)由傳感器按採樣周期實時採樣側傾角α；(3)在每個採樣周期將α與Cid進行比較，得到誤差e，e由αd減去α確定，接著，模糊控制器根據誤差e進行模糊控制，模糊控制過程是，若e的絕對值小於給定閥值，那麼維持手臂現有位置不變，否則模糊控制器控制手臂關節處的電機運轉，電機驅動手臂上下擺動。
2.根據權利要求1所述的欠驅動兩足步行機器人水平行走時的側向控制方法，其特徵在於，在取值範圍[_5，5]中任取一值作為側傾角給定值ad。
3.根據權利要求2所述的欠驅動兩足步行機器人水平行走時的側向控制方法，其特徵在於，所述側傾角給定值a d為0。
4.根據權利要求1所述的欠驅動兩足步行機器人水平行走時的側向控制方法，其特徵在於，在取值範圍W5]中任取一值作為給定閥值。
5.根據權利要求4所述的欠驅動兩足步行機器人水平行走時的側向控制方法，其特徵在於，所述給定閥值為5。
6.根據權利要求1所述的欠驅動兩足步行機器人水平行走時的側向控制方法，其特徵在於，所述傳感器安裝在質心所在位置。
7.根據權利要求1所述的欠驅動兩足步行機器人水平行走時的側向控制方法，其特徵在於，所述右小幹擾PS、右中幹擾PM、右大幹擾PL的範圍分別定義為w，20]、(15，40]、(35， 60]，所述左小幹擾NS、左中幹擾匪、左大幹擾NL的範圍分別定義為
、(-15，-40]、 (-35, -60]。
8.根據權利要求1所述的欠驅動兩足步行機器人水平行走時的側向控制方法，其特徵在於，所述右小幹擾PS、右中幹擾PM、右大幹擾PL的範圍分別定義為
、(5，20]、(15， 30]，所述左小幹擾NS、左中幹擾匪、左大幹擾NL的範圍分別定義為
、(-5，-20]、 (-15，-30]。
9.根據權利要求1所述的欠驅動兩足步行機器人水平行走時的側向控制方法，其特徵在於，所述右小幹擾PS、右中幹擾PM、右大幹擾PL的範圍分別定義為
、(10，30]、(25, 45]，所述左小幹擾NS、左中幹擾NM、左大幹擾NL分別為
、(-10，-30]、(-25，-45]。
全文摘要
本發明公開了一種側向運動調節能力大，在大中幹擾的情況下，不容易側向摔倒，魯棒性好的欠驅動兩足步行機器人水平行走時的側向控制方法，當機器人直立狀態時，過機器人的質心的垂線與機器人此時行走的水平面相交於一交點，當機器人側向擺動，每個擺動瞬時機器人的質心和交點均確定一直線，定義側傾角為直線與垂線的夾角；側向控制步驟為(1)設定側傾角給定值；(2)實時採樣側傾角；(3)側傾角與側傾角給定值比較得到誤差，接著，模糊控制器根據誤差e進行模糊控制，模糊控制過程是，若e的絕對值小於給定閥值，那麼維持手臂現有位置不變，否則模糊控制器控制手臂關節處的電機運轉，電機驅動手臂上下擺動。
文檔編號G05D1/02GK102183956SQ20111004968
公開日2011年9月14日 申請日期2011年2月24日 優先權日2011年2月24日
發明者張智煥 申請人:浙江大學寧波理工學院