[发明专利]一种仿人机器人摔倒检测和稳定控制方法

说明书

本发明提供了一种仿人机器人摔倒检测和稳定控制方法，包括：步骤1，计算仿人机器人运动过程中的ZMP期望轨迹，测量ZMP实际轨迹，并计算二者之间的误差；步骤2，计算仿人机器人运动过程中期望的身体姿态，测量仿人机器人运动过程中实际的身体姿态，并计算两者的误差；步骤3，设定仿人机器人ZMP轨迹误差阈值D1，仿人机器人身体姿态向前倾倒时的阈值D2，以及仿人机器人身体姿态向后倾倒时的阈值D3；通过设定的阈值范对机器人当前的稳定状态进行判定。本发明将机器人的稳定状态快速分为稳定、抗扰动、摔倒等状态，使机器人能够根据不同的稳定状态选择相应的运动控制策略，增强仿人机器人的环境适应能力。

技术领域

本发明涉及一种仿人机器人的控制方法，特别是用于仿人机器人摔倒检测和稳定控制方法。

背景技术

仿人机器人是一种具有人类外形特的智能机器人，具有头部、躯干和四肢。能够使用双脚行走，使用双手完成操作任务，是智能机器人的一种理想形态。然而，仿人机器人具有较多的自由度，而且其足底支撑面积较小，使得仿人机器人在行走或者作业过程中容易发生摔倒。如果仿人机器人不能及时检测摔倒的发生，反而继续执行给定任务，将会给机器人造成严重的损害，将严重制约仿人机器人的发展。

中国专利文献“具有摔倒管理能力的仿人机器人和管理摔倒的方法”(专利号CN201180046440.5)根据仿人机器人运动时重心在支撑平面的投影位置和机器人身体的姿态角度来判别机器人是否摔倒与摔倒方向，然而对于运动的仿人机器人，重心在支撑面内的投影只是一个静态的参数，难以对快速运动的仿人机器人进行摔倒状态的判断。

中国专利文献“一种基于多传感器信息仿人机器人跌倒状态检测方法”(专利号CN2014102428085.3)测量仿人机器人行走过程中的ZMP轨迹和姿态变化，利用模糊决策系统来分析获取的机器人运动信息，从而预测机器人是否摔倒，然而该专利只考虑的机器人的实际运动状态，并没有考虑机器人的期望运动状态，可能对机器人的稳定状态产生误判。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于机器人运动状态的仿人机器人摔倒检测方法，将机器人的稳定状态分为稳定，抗扰动和摔倒保护三个状态，使机器人可以针对不受到的不同扰动，采取不同的控制策略，增强仿人机器人环境适应能力。

本发明的技术方案如下。

本发明一方面提供了一种仿人机器人摔倒检测和稳定控制方法，包括：

步骤1，计算仿人机器人运动过程中的ZMP期望轨迹，测量ZMP实际轨迹，并计算二者之间的误差；

步骤2，计算仿人机器人运动过程中期望的身体姿态，测量仿人机器人运动过程中实际的身体姿态，并计算两者的误差；

步骤3，设定仿人机器人ZMP轨迹误差阈值D₁，仿人机器人身体姿态向前倾倒时的阈值D₂，以及仿人机器人身体姿态向后倾倒时的阈值D₃；通过设定的阈值范对机器人当前的稳定状态进行判定。

优选地，所述步骤1中的仿人机器人运动过程中的期望ZMP轨迹[p_xr p_yr]由所期望的关节运动轨迹，以及全身所有组成元件的动力学参数计算，公式如下：

其中[x_i y_i z_i]为仿人机器人第i个连杆的质心位置，p_z为地面的高度，当仿人机器人在地面上时，p_z＝0。

优选地，所述步骤1中仿人机器人运行过程中的实际ZMP位置[p_x p_y]通过固定在双足的六维力/力矩传感器获得，计算公式如下：