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双足机器人RCG姿态控制算法的研究

更新时间：2019-12-24 18:40:49 大小：1M 上传用户：守着阳光1985查看TA发布的资源 标签：机器人rcg姿态控制算法 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

稳定步行是仿人双足机器人开展实际作业的基础,也是研究的难点和热点.为了提高对仿人机器人步行失稳的响应速率和控制准确性,克服利用陀螺仪进行姿态测量及控制无法完整表述机器人运动状态,从而造成控制滞后的缺点.本文提出了RCG姿态控制算法,在以角速度和角度作为控制参量的模型基础上,引入机器人运动过程中的加速度作为姿态判断和调整的影响因子,实现对机器人行走过程的反馈控制,提高了双足机器人对失稳状态的响应速率和响应的准确性.通过对自主搭建的机器人样机进行测试,结果表明:当双足机器人步行失稳时,RCG姿态控制算法比以角速度和角度作为参量的控制算法能够更快速、准确的修正姿态偏差,保持姿态稳定.


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8
Vol． 46 No． 8  
Aug． 2018  
第
期
电
子
学
报
2018  
8
ACTA ELECTRONICA SINICA  
年
月
RCG  
双足机器人  
姿态控制算法的研究  
， ，  
刘 迪 孔令文 杜巧玲  
(
，
吉林大学电子科学与工程学院 吉林长春  
130012)  
:
， ．  
稳定步行是仿人双足机器人开展实际作业的基础 也是研究的难点和热点 为了提高对仿人机器人步  
摘
要
， ，  
行失稳的响应速率和控制准确性 克服利用陀螺仪进行姿态测量及控制无法完整表述机器人运动状态 从而造成控制  
．
RCG  
， ，  
姿态控制算法 在以角速度和角度作为控制参量的模型基础上 引入机器人运动过程中  
滞后的缺点 本文提出了  
的加速度作为姿态判断和调整的影响因子 实现对机器人行走过程的反馈控制 提高了双足机器人对失稳状态的响应  
，RCG  
，
，
．
，
:
速率和响应的准确性 通过对自主搭建的机器人样机进行测试 结果表明 当双足机器人步行失稳时  
姿态控制  
、 ，  
算法比以角速度和角度作为参量的控制算法能够更快速 准确的修正姿态偏差 保持姿态稳定  
．
:
;
;
;
关键词  
中图分类号  
URL: http: / /www． ejournal． org． cn  
仿人机器人 步态稳定 控制算法 姿态测量  
:
TP242  
:
A
: 0372-2112 ( 2018) 08-1842-07  
DOI: 10． 3969 /j． issn． 0372-2112． 2018． 08． 007  
文献标识码  
文章编号  
电子学报  
Research on RCG Attitude Control Algorithm of Biped Robot  
LIU Di，KONG Ling-wen，DU Qiao-ling  
( College of Electronic Science and Engineering，Jilin University，Changchun，Jilin 130012，China )  
Abstract: Stable walking is the foundation of humanoid robot in practical work，and is the key and hot topic of re-  
search． In order to improve the response rate and control accuracy of the humanoid robot＇s walking instability，the attitude  
measurement and control of the gyroscope can not be used to describe the movement state of the robot completely，which  
leads to the shortcomings of the control lag． In this paper，the RCG attitude control algorithm is proposed． Based on the mod-  
el of angular velocity and angle as the control parameters，the acceleration of robot movement in the process is taken as the  
factor of attitude judgment and adjustment，and the feedback control of the robot walking process is realized． The response  
rate and response accuracy of the robot to the unstable state are improved． The test of RCG attitude control algorithm were  
carried using self-built robot prototype． The results show that RCG attitude control algorithm can correct attitude deviation  
more timely and accurately compared with the attitude of the control method only using angular velocity and angle，and  
maintain a stable attitude，when the biped robot is unstable．  
Key words: humanoid robot; gait stability; control algorithm; attitude measurement  
［4］  
Point，ZMP)  
，
对不稳定状态进行控制以  
实现动态步行  
1
引言  
． ，  
及实现摔倒时的自我保护 但医学研究表明 人类行走  
，
双足机器人是多自由度的复杂机械结构 具有非  
过程中躯干对姿态的感知和反馈对整体姿态控制起到  
［5］  
、 ， ，  
线性 强耦合等特点 因此 控制双足机器人自主稳定步  
，
主要作用 而足端反馈回的压力起到的作用较小  
．
因
．
行是其研究领域的难点之一 为了实现对机器人姿态  
此本文研究如何通过安装于重心位置的惯性测量单元  
，
的控制 通常的做法是在机器人的躯干部位安装多种  
．
实现对双足机器人行走状态的控制  
( Inertial Measurement Unit，IMU) ，  
并且在  
惯性测量单元  
，
在双足机器人行走过程当中 行走姿态会受到不  
，
足底安装多个压力传感器 通过采集各种传感器的实  
．
平整地面或外力的影响导致躯干处于非平衡状态 获  
［1 ～ 3］  
，
时数据得到机器人的整体姿态信息  
然后利用控制  
取机器人姿态信息普遍采用的方法是通过对机器人角  
［6］  
;
重心位置实现静态行走 利用零力矩点  
( Zero Moment  
， ，  
根据数据波动的大小 采取一  
度和角速度进行测量  
: 2017-05-26;  
: 2018-01-01;  
:
责任编辑 蓝红杰  
收稿日期  
修回日期  
: " "  
基金项目 吉林省教育厅 十三五 科学技术项目  
( No． JJKH20170800KJ)  
1843  
8
: RCG  
迪 双足机器人 姿态控制算法的研究  
第
期
刘
． ［7］ ，Jianxi Li  
定的调整措施 在文献 中  
等人采用三轴加  
、
速度计 三个单轴陀螺仪和压力传感器作为数据采集  
，
单元 通过  
FIR  
，
低通滤波消除测量过程中产生的噪声  
，
判断足部是否稳定落地 与陀螺仪配合实现步态稳定  
． ［8］ ， Seung-Joon Yi  
控制 在文献 中 韩国 团队提出了一  
种层次式的反射动作来保持机器人受到外部冲击时的  
． ［9］  
步态稳定 文献 介绍了  
Hongzhe Jin  
ARM  
等人以 处  
，
理器作为系统核心 利用陀螺仪实现对角速度以及倾  
， ，  
角的实时测量 对环境干扰做出及时响应 维持系统平  
． ［10］Shiuh-Jer Huang  
衡 文献  
使用三轴加速度计和三轴  
，
陀螺仪对机器人姿态进行控制 预先估计出了机器人  
，
运动过程中的加速度变化 并将其作为基准对机器人  
'［11］  
．
过卡尔曼滤波器对 Ф 进行修正得到 Ф  
加速度计采  
．
状态进行修正  
ɑ
集到的加速度数据 则通过去除重力分量和方向余弦  
，
在以上研究中 采用陀螺仪与加速度计作为姿态  
，
矩阵两次数据处理 转化为世界坐标系下机器人自身  
， ，  
校正检测单元 其中陀螺仪测量角速度 进而积分得到  
'
ɑ ．  
， 、 、  
最后 角速度 角度 加速度共同作为姿态  
的加速度  
控制的影响因子输入机器人姿态控制单元  
为了让机器人在受到冲击时能够及时对姿态做出  
．
角度 在这种算法中加速度计的数据只起到对陀螺仪  
．
，
数据的修正用作 并未充分使用加速度数据对双足机  
， ，  
器人姿态进行控制 数据利用程度不高 进而导致控制  
［7，9］  
， ． ，  
修正 需要得到机器人自身运动过程的加速度 然而 加  
．
精度较低  
本文提出一种新的双足机器人姿态控制算法  
RCG( Remove the components of gravity，RCG)  
速度计在每一个坐标轴上测得的加速度值是重力加速  
———  
姿态控制  
'
'
G
ɑ
与机器人自身加速度 的和 即  
， ɑ = G + ɑ ，n =  
n
度
n
n
X，Y，Z．  
为了能够准确得到机器人躯干在各个方向上的  
．
算法 所谓  
RCG，  
是指去除重力加速度在各个方向上对  
， ．  
加速度 就需要去除重力分量 假设初始状态加速度计  
．
机器人实际姿态加速度的干扰 由于在机器人行走过  
，
坐标系与世界坐标系重合 两坐标系各轴之间夹角为  
，
程自身的姿态变化 重力加速度在传感器三维坐标各  
0°．  
，
在机器人运动过程中 加速度计会随躯干发生倾斜  
，
， ，  
个方向上的分量也随之变化 因此 通过去除重力分量  
，
此时加速度计坐标系与世界坐标系不再重合 相对于  
得到准确的机器人姿态加速度可以提高机器人的控制  
'
，
世界坐标系 加速度坐标系会有一定的旋转角度 Ф  
，n  
n
．
精度 该算法将陀螺仪的短时高精度与加速度计的长  
'
= X，Y，Z．  
，
倾角 Ф 由陀螺仪测得 进而可以计算出重力  
n
，
程角度测量稳定性高的优点结合起来 既能利用加速  
G ．  
加速度 在传感器各轴上的分量 因此对于每一个坐  
，
度计修正陀螺仪测量数据 又能利用加速度计的数据  
'
， ɑ = ɑ － G ，n = X，Y，Z．  
标轴 有  
n
．
n
n
控制机器人的姿态  
由于加速度计测量数据的坐标系与世界坐标系并  
2
RCG  
姿态解算算法  
，
不是同一的 并且在机器人行走过程中加速度计会发  
，
生偏转 使得加速度计坐标系与世界坐标系之间存在  
2. 1 RCG  
姿态解算算法  
．
夹角 机器人姿态出现的偏差是相对与世界坐标系而  
在机器人完成整个行走周期过程中速度并不是恒  
，
言的 因此要将在传感器坐标系下得到的数据转化成  
． ，  
定的 三轴加速度计输出三个方向的加速度值 该值是  
．
为机器人整体所在的世界坐标系下的 加速度数 据  
DCM  
利用两坐标系各坐标轴之间的角度来实现两个坐  
．
重力加速度分量与机器人运动加速度分量的叠加和  
， ，  
在姿态解算过程中 只需要机器人运动加速度分量 因  
， X  
标系之间的转化 若以 轴正方向为世界坐标系下机  
，
此重力加速度分量需要去除 并将加速度数据从传感  
，Z ， X  
器人的前进方向 轴指向上方 则两坐标系 轴的夹  
．
器坐标系变换到世界坐标系 为了得到机器人相对于  
，Y ，Z  
角称为翻滚角 Ф 轴的夹角称为俯仰角 θ 轴的夹角  
，
世界参考系的加速度 本文采用方向余弦矩阵对机器  
．
称为航向角 Ψ 由加速度计坐标系转化到世界坐标系的  
，
人运动加速度分量进行坐标转换 处理结果作为控制  
:
．
机器人稳定行走的判据之一 总体算法流程图如图  
1
过程可以表示为  
'
X =X·cos( ) +Y·sin( ) ·sin( ) －Z·sin( ) ·cos( )  
Ф Ф θ Ф θ  
．
所示  
'
RCG  
Y =Y·cos( ) +Z·sin( )  
Ф θ  
姿态解算算法是对传统姿态解算算法的改  
{
'
． ，  
进 陀螺仪采集角速度数据 ω 通过积分得到角度数据  
Z =X·sin( ) －Y·sin( ) ·cos( ) +Z·cos( ) ·cos( )  
Ф θ Ф θ Ф  
， ，  
Ф 为了消除误差积累产生的漂移 结合加速度数据通  
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