本發(fā)明涉及人形機(jī)器人，具體涉及一種六維力控感知仿生足系統(tǒng)及控制方法。

背景技術(shù)：

1、隨著人形機(jī)器人在復(fù)雜地形行走、環(huán)境適應(yīng)性控制等方面的發(fā)展，對足部感知能力的要求日益提高。作為與地面接觸的執(zhí)行末端，足部結(jié)構(gòu)的性能在穩(wěn)定性、感知能力、適應(yīng)性等方面對整機(jī)的步態(tài)控制起著決定性作用。現(xiàn)有人形機(jī)器人踝關(guān)節(jié)控制大多依賴單自由度伺服驅(qū)動(dòng)或傳統(tǒng)串聯(lián)結(jié)構(gòu)，串聯(lián)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，即使用兩個(gè)電機(jī)分別控制踝關(guān)節(jié)的俯仰和滾動(dòng)自由度，串聯(lián)機(jī)構(gòu)電機(jī)通常堆疊布置，導(dǎo)致踝關(guān)節(jié)高度大，重心偏移，導(dǎo)致質(zhì)量分布不合理、體積冗長，不利于機(jī)器人的姿態(tài)控制。

2、現(xiàn)有技術(shù)中，較為常見的人形機(jī)器人足部結(jié)構(gòu)通常采用剛性平底結(jié)構(gòu)，通過一體式剛性足底與地面接觸。這類結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是制造簡單、結(jié)構(gòu)剛性高、力傳遞效率高，但缺乏柔順性和適應(yīng)性，傳統(tǒng)的足底力傳感系統(tǒng)多采用單點(diǎn)或二維/三維力傳感器，難以同時(shí)精確估算地面反力、接觸姿態(tài)和摩擦力，無法感知足部多個(gè)區(qū)域的力分布和落地狀態(tài)，導(dǎo)致對地面反作用感知精度有限、控制反饋滯后、穩(wěn)定性不足，感知能力有限。受限于結(jié)構(gòu)和傳感布局，足部姿態(tài)調(diào)整通常依賴上層控制或視覺信息，無法實(shí)現(xiàn)快速、實(shí)時(shí)的落地反饋與調(diào)整，導(dǎo)致在動(dòng)態(tài)步態(tài)或沖擊情況下穩(wěn)定性差。

3、針對上述問題，已有部分研究嘗試通過足底多點(diǎn)傳感器布置和柔性材料設(shè)計(jì)提高足部感知能力，但大多僅局限于二維壓力分布傳感器，尚未形成結(jié)構(gòu)與控制一體化的閉環(huán)力控系統(tǒng)。同時(shí)也有研究提出并聯(lián)機(jī)構(gòu)用踝關(guān)節(jié)有驅(qū)動(dòng)，但缺乏與傳感融合的高效控制方法?，F(xiàn)有的機(jī)器人足部和傳感器的結(jié)合中，往往存在如下問題：1）結(jié)構(gòu)適應(yīng)性差：現(xiàn)有剛性平底結(jié)構(gòu)難以適應(yīng)不平地面，貼地面積小；2）接觸感知能力不足：傳統(tǒng)足部感知主要依賴單點(diǎn)三維或六維力傳感器，難以實(shí)時(shí)獲取多區(qū)域受力與接觸姿態(tài)，無法準(zhǔn)確判斷落地狀態(tài)和摩擦邊界；3）踝關(guān)節(jié)響應(yīng)慢、控制不閉環(huán)：串聯(lián)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)體積大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)滯后，且缺乏足部真實(shí)受力狀態(tài)的姿態(tài)反饋調(diào)節(jié)機(jī)制，導(dǎo)致落地沖擊緩沖性能差，步態(tài)穩(wěn)定性差，并聯(lián)驅(qū)動(dòng)缺乏與多點(diǎn)傳感融合的高效控制方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對上述三個(gè)問題，本發(fā)明的目的是提出一種六維力控感知仿生足系統(tǒng)及控制方法，通過采用具有足弓形態(tài)的三角拱形支撐構(gòu)型與柔性仿生足底材料相結(jié)合，相比傳統(tǒng)剛性平底足部結(jié)構(gòu)，能夠在不平整地面上實(shí)現(xiàn)更大面積的接觸貼合；還布置三個(gè)六維力傳感器，分別采集前掌、后掌、踝關(guān)節(jié)平臺的空間受力信息，并通過三點(diǎn)力矩模型融合計(jì)算出零力矩點(diǎn)位置、地面法向傾角等數(shù)據(jù)，為姿態(tài)控制提供更充分的反饋信息；還采用對稱連桿驅(qū)動(dòng)踝關(guān)節(jié)，取代傳統(tǒng)串聯(lián)電機(jī)結(jié)構(gòu)，不僅結(jié)構(gòu)更緊湊，而且響應(yīng)速度更快、驅(qū)動(dòng)耦合小，踝關(guān)節(jié)動(dòng)態(tài)響應(yīng)與姿態(tài)調(diào)整能力增強(qiáng)；此外，步態(tài)穩(wěn)定性與地形適應(yīng)能力提高：通過控制方法中引入的三層架構(gòu)，結(jié)合實(shí)時(shí)感知的受力信息與步態(tài)識別，可根據(jù)支撐相或擺動(dòng)相自動(dòng)調(diào)整控制策略，實(shí)現(xiàn)從沖擊緩沖、穩(wěn)定支撐到起步離地的全過程閉環(huán)動(dòng)態(tài)調(diào)整。

2、通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

3、一種六維力控感知仿生足系統(tǒng)，包括仿生足主體、并聯(lián)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、踝關(guān)節(jié)平臺、多點(diǎn)六維力傳感裝置和踝關(guān)節(jié)控制器，多點(diǎn)六維力傳感裝置用于獲取仿生足主體和踝關(guān)節(jié)平臺的信息，踝關(guān)節(jié)控制器用于對并聯(lián)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)，并聯(lián)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)經(jīng)由踝關(guān)節(jié)平臺控制仿生足主體；其中，仿生足主體包括足部三角拱形結(jié)構(gòu)和足底，足底用于接觸地面和用于支撐足部三角拱形結(jié)構(gòu)；踝關(guān)節(jié)平臺包括相連的踝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)組件，踝關(guān)節(jié)組件連接足部三角拱形結(jié)構(gòu)；多點(diǎn)六維力傳感裝置包括踝關(guān)節(jié)組件六維力傳感器和設(shè)置在足底的兩個(gè)六維力傳感器；踝關(guān)節(jié)控制器采用多層控制架構(gòu)，包括融合層、底層、中層和高層，踝關(guān)節(jié)控制器將每個(gè)六維力傳感器傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行融合，再基于融合的結(jié)果控制并聯(lián)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)對踝關(guān)節(jié)平臺和仿生足主體進(jìn)行調(diào)節(jié)。

4、優(yōu)選地，足底包括前掌、后掌和筋膜連接件，筋膜連接件用于將前掌和后掌進(jìn)行連接；足部三角拱形結(jié)構(gòu)采用剛性足弓組件，用于將仿生足主體和踝關(guān)節(jié)平臺進(jìn)行固定；剛性足弓組件包括前弓段和后弓段，前弓段用于連接前掌和踝關(guān)節(jié)組件，后弓段用于連接后掌和踝關(guān)節(jié)組件。

5、優(yōu)選地，三個(gè)六維力傳感器分別設(shè)置在前掌、后掌和踝關(guān)節(jié)組件，用于將實(shí)時(shí)獲取的任意力與力矩信息均傳輸?shù)锦钻P(guān)節(jié)控制器。

6、優(yōu)選地，并聯(lián)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括對稱連桿、兩個(gè)電機(jī)、球鉸、小腿桿、推桿、球關(guān)節(jié)；踝關(guān)節(jié)組件通過球鉸連接對稱連桿；對稱連桿基于兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)推桿，推桿和對稱連桿通過球關(guān)節(jié)連接；兩個(gè)電機(jī)安裝在小腿桿內(nèi)部，小腿桿通過踝關(guān)節(jié)連接踝關(guān)節(jié)組件。

7、優(yōu)選地，球關(guān)節(jié)下部和對稱連桿均設(shè)置有螺紋，球關(guān)節(jié)和對稱連桿基于螺紋進(jìn)行連接。

8、優(yōu)選地，融合層將每個(gè)六維力傳感器傳輸?shù)拿總€(gè)力與力矩信息均進(jìn)行融合，用于估算出仿生足主體進(jìn)行運(yùn)動(dòng)時(shí)對應(yīng)的多個(gè)參數(shù)；底層用于對并聯(lián)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的每個(gè)電機(jī)進(jìn)行控制；中層采用姿態(tài)修正控制器；高層用于計(jì)算仿生足的控制策略并將控制策略傳輸?shù)街袑踊虻讓印?/p>

9、優(yōu)選地，融合層估算出的多個(gè)參數(shù)包括總支撐力、總力矩、接觸姿態(tài)和零力矩點(diǎn)分布。

10、優(yōu)選地，底層和高層均采用pid控制器；底層對每個(gè)電機(jī)進(jìn)行控制，用于調(diào)節(jié)踝關(guān)節(jié)平臺的角度。

11、此外，還提出一種六維力控感知仿生足控制方法，該方法包括如下步驟：

12、s1、設(shè)定足部目標(biāo)姿態(tài)軌跡，包括預(yù)期俯仰角、預(yù)期滾動(dòng)角、預(yù)期姿態(tài)、預(yù)期合力、預(yù)期合力矩等多種期望參數(shù)；實(shí)時(shí)采集三個(gè)六維力傳感器的每個(gè)力與力矩信息，再通過總線傳輸至踝關(guān)節(jié)控制器；將每個(gè)力分別記為，每個(gè)力矩分別對應(yīng)記為， i= a、q、z并且分別對應(yīng)踝關(guān)節(jié)平臺、前掌、后掌；

13、s2、以踝關(guān)節(jié)為原點(diǎn)、垂直地面向上為z軸構(gòu)建坐標(biāo)系，其中，坐標(biāo)系的y軸由原點(diǎn)垂直指向前掌六維力傳感器和后掌六維力傳感器的中心連線，x軸垂直于y軸；在踝關(guān)節(jié)控制器的融合層中，分別對每個(gè)力和對應(yīng)的每個(gè)力矩進(jìn)行融合，得到和，其中，為求和符號， o1表示三個(gè)六維力傳感器統(tǒng)一選定的參考點(diǎn)，表示三個(gè)六維力傳感器合成的總力， linear表示線性力，表示三個(gè)六維力傳感器以 o1為參考點(diǎn)進(jìn)行合成的總力矩， r表示每個(gè)六維力傳感器對應(yīng)的位置向量；

14、基于和，計(jì)算零力矩點(diǎn)的估算位置和足底姿態(tài)的估算方向，構(gòu)建姿態(tài)估算模型；姿態(tài)估算模型實(shí)時(shí)輸出零力矩點(diǎn)在足底的投影位置和足底姿態(tài)的實(shí)時(shí)方向，用于確定姿態(tài)偏差和步態(tài)階段；

15、s3、在踝關(guān)節(jié)控制器的中層，依據(jù)姿態(tài)偏差構(gòu)造反饋控制率，生成用于調(diào)整足底姿態(tài)的目標(biāo)控制力矩；在底層基于目標(biāo)控制力矩，求解出兩個(gè)電機(jī)的目標(biāo)角度θ1和θ2，再控制兩個(gè)電機(jī)分別按照對應(yīng)的目標(biāo)角度進(jìn)行踝關(guān)節(jié)平臺的姿態(tài)調(diào)整；

16、s4、在踝關(guān)節(jié)控制器的高層，基于步態(tài)階段，判別出仿生足主體處于支撐相或處于擺動(dòng)相，再依據(jù)零力矩點(diǎn)在足底的投影位置繼續(xù)進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整。

17、優(yōu)選地，在高層完成姿態(tài)調(diào)整后，將步驟s4中調(diào)整后的姿態(tài)作為目標(biāo)姿態(tài)，將目標(biāo)姿態(tài)和增益?zhèn)鬏數(shù)街袑?，重新?jì)算姿態(tài)偏差并重新構(gòu)造反饋控制率，用于構(gòu)成反饋調(diào)節(jié)；其中，增益包括選定的參數(shù)在調(diào)整前后的比例增益和微分增益；傳輸增益時(shí)，先構(gòu)建多維力區(qū)域誤差，是調(diào)整過姿態(tài)后的總力，定義力矩誤差為，是調(diào)整過姿態(tài)后的總力矩，構(gòu)造多維力區(qū)域誤差和力矩誤差的聯(lián)合反饋為，用于修正增益；，，其中，和均為靜態(tài)下的基礎(chǔ)增益，和均用作調(diào)整系數(shù)，為三個(gè)六維力傳感器設(shè)置的權(quán)重矩陣，用于不同方向的調(diào)節(jié)和表征每個(gè)六維力傳感器對控制器靈敏度的貢獻(xiàn)。

18、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的有益效果是：

19、本發(fā)明的技術(shù)方案，采用具有足弓形態(tài)的三角拱形支撐構(gòu)型與柔性仿生足底材料相結(jié)合，相比傳統(tǒng)剛性平底足部結(jié)構(gòu)，能夠在不平整地面上實(shí)現(xiàn)更大面積的接觸貼合；還布置三個(gè)六維力傳感器，分別采集前掌、后掌、踝關(guān)節(jié)平臺的空間受力信息，并通過融合計(jì)算出零力矩點(diǎn)位置、地面法向傾角等數(shù)據(jù)，為姿態(tài)控制提供更充分的反饋信息；還采用對稱連桿驅(qū)動(dòng)踝關(guān)節(jié)，取代傳統(tǒng)串聯(lián)電機(jī)結(jié)構(gòu)，不僅結(jié)構(gòu)更緊湊，而且響應(yīng)速度更快、驅(qū)動(dòng)耦合小，踝關(guān)節(jié)動(dòng)態(tài)響應(yīng)與姿態(tài)調(diào)整能力增強(qiáng)；此外，步態(tài)穩(wěn)定性與地形適應(yīng)能力提高：通過控制方法中引入的三層架構(gòu)，結(jié)合實(shí)時(shí)感知的受力信息與步態(tài)識別，可根據(jù)支撐相或擺動(dòng)相自動(dòng)調(diào)整控制策略，實(shí)現(xiàn)從沖擊緩沖、穩(wěn)定支撐到起步離地的全過程閉環(huán)動(dòng)態(tài)調(diào)整。