[发明专利]一种仿人机器人手臂作业动态稳定控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及机器人作业稳定控制领域，特别地，涉及一种力/力矩约束最优分解动量的仿人机器人手臂作业动态稳定控制方法。

背景技术

开发出能完成指定作业任务的高智能机器人一直以来是人类的一大梦想。经过多年来坚持不懈的努力，人类所创造出的仿人机器人已经初步实现了步行、奔跑、爬楼梯等腿部运动功能。随着理论研究的深入和工程实践的推进，机器人技术超着实现更加复杂运动的方向发展，其中就包括机器人手臂作业运动。然而不管是腿部行走，还是手臂作业，机器人的稳定控制方法一直是仿人机器人技术中的核心问题之一。

最开始，机器人的稳定控制方法都是基于重心投影的静态稳定控制方法。然而，1972年南斯拉夫学者Vukobratovic博士提出的ZMP（Zero-Moment Point）控制方法为机器人的动态稳定控制提供了基本的技术基础。之后，ZMP控制方法在机器人动态步行方面的应用取得了巨大的成功，被应用于现今大部分机器人的步行稳定控制，其中包括著名的仿人机器人Asimo和HRP。Asimo采用的是综合多种控制技术的模型ZMP步行稳定控制技术，而HRP则是采用带有步行稳定器的线性倒立摆ZMP步行稳定控制技术。

进入21世纪后，机器人手臂作业技术得到了快速的发展，涌现出一系列针对手臂作业的运动规划和稳定控制技术。在稳定控制方面依次出现了动力学过滤器、自动平衡器以及躯干轨迹补偿等技术，其中动力学过滤器只见于仿真领域，未见实际应用报道；自动平衡器在仿人机器人H6上成功实现了手臂在桌底搜寻物体时躯体的重心投影稳定和惯性力矩约束，但是是一种静态稳定，无法应用于要求高速动态稳定的场合；躯干轨迹补偿技术需要精确计算，并不可避免的涉及到大量循环计算，仿人机器人WABIAN一直致力于该技术的实现。

为了实现更优越的稳定控制，在大量前期研究成果和技术积累的基础上，日本产业技术综合研究所shuuji Kajita教授于2003年公开提出了分解动量控制技术用于仿人机器人HRP-2远程操作下的全身运动自治平衡稳定控制，之后几年成功的实现了拾取地面物体的自治平衡，但是未见报道机器人手臂在更高作业速度下的自治平衡稳定控制。目前这一技术正在发展之中。

机器人手臂动作的复杂性与机器人的稳定性一直是仿人机器人运动控制的一对矛盾，两者很难同时兼顾。分解动量控制技术的出现使得机器人手臂慢速复杂的作业动作得以稳定的实现。但是当机器人手臂做高速复杂作业运动时，  机器人的稳定性依旧难以保证，这主要体现在：

1、全维（六维）分解动量控制几乎不能实现。要达到机器人作业时的全面稳定，最好的方法是采用全维分解动量，但是在实际应用中发现全维分解动量控制得到的辅助臂关节角速度几乎都出现超速问题，进而导致辅助臂关节角度超限，关节力矩不足，关节电机发热等问题。

2、若仅做部分维数分解动量，则首先要确定最少需要几维？是那几维？那么对于每种动作都要做先验评估，而且执行不同动作都要切换到对应的维数。

3、将动量分解到零是不必要的，也不是最佳的。首先，只要满足ZMP条件，当动量不为零时也可以是稳定的，比如匀速飞驰的汽车动量明显不为零，但是依旧是一种稳定的运动。其次，虽然将动量分解为零时稳定性是最强的，但是同时实现代价是最大的，甚至大到无法实现。

发明内容

本发明的目的在于针对现有分解动量控制技术在实际使用中的不足，提供一种既能实现高速复杂动作，又能保证全面稳定性的机器人手臂作业动态稳定控制方法。

本发明的目的是通过以下方案来实现的：一种仿人机器人手臂作业动态稳定控制方法，包括以下步骤：

1.根据实际情况选定合适的采样周期T；

当今仿人机器人都是采用电子计算机离散化数字式采样控制的，从理论上讲采样周期T越短对机器人的控制偏差越小，但是同时对电子计算机的性能要求越高。我们采用嵌入式高速计算机处理器，采样周期T达到1毫秒，足够实现对机器人的高速精密控制。

2.将机器人姿态调零，通过传感器确认机器人质心在地面上的投影大致位于地面支撑域的中心。

3.根据动量公式计算机器人总动量：

；

其中，、分别是三维线动量和三维角动量的简写；

是计算得到的机器人六维总动量，三维线动量和三维角动量；

分别是作业臂和辅助臂的动量；

分别是机器人作业臂和辅助臂七个关节角速度组成的七维向量；

分别是线运动惯性矩阵和角运动惯性矩阵，用于组成惯性矩阵；

分别是作业臂和辅助臂七个关节对应的惯性矩阵。