雙足行走機(jī)器人穩(wěn)定性控制方法

1 引言

人作為雙足行走生物，是在長(zhǎng)期的生物進(jìn)化過程中形成的。人能夠不自覺地保持身體的直立性和平衡性，不論是在靜止不動(dòng)還是在行走過程中。一旦失去平衡，人就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作，使身體保持平衡。例如，在靜止時(shí)，當(dāng)人的重心偏向一側(cè)時(shí)，就會(huì)不自覺地向該側(cè)跨出一腳，以使重心位置落于支撐面內(nèi)。這里，支撐面定義為兩腳之間的面積以及兩腳的面積。當(dāng)重心落于支撐面內(nèi)時(shí)，就不會(huì)傾倒。再如，在行走過程中，人的重心不斷向前移動(dòng)，超出了兩腳尖的位置，迫使人向前邁出腳，這樣才使人的行走成為可能，使人的行走自然流暢。因此，控制機(jī)器人重心的位置及重心位置的速度，是機(jī)器人保持穩(wěn)定及產(chǎn)生有效步態(tài)的關(guān)鍵。本文就是控制機(jī)器人的重心位置，使其落于支撐面內(nèi)，從而達(dá)到了機(jī)器人穩(wěn)定性控制的目的。機(jī)器人的重心可以由安裝在機(jī)器人腳底的力傳感器測(cè)知。當(dāng)重心偏向一側(cè)，這一側(cè)的傳感器輸出偏大，相反的一側(cè)的力傳感器等于零，或趨近于零。本文用感知器來感知機(jī)器人重心位置的變化，當(dāng)重心超出支撐面時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)出動(dòng)作指令，使機(jī)器人保持穩(wěn)定。

本文采用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)感知器(perception)是最簡(jiǎn)單的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它是frosenblatt于1958年提出的具有自學(xué)習(xí)能力的感知器。在這種人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，記憶的信息存儲(chǔ)在連接權(quán)上，外部刺激通過連接通道自動(dòng)激活相應(yīng)的神經(jīng)元，以達(dá)到自動(dòng)識(shí)別的目的。感知器模型如圖1所示，通常由感知層s(sensory)、連接層a(association)和反應(yīng)層構(gòu)成r(response)。

2 人工神經(jīng)元感知器的學(xué)習(xí)算法
可以用下面的方法訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)：
(1)初始化s層至連接層(a層)的連接權(quán)矩陣

中的各個(gè)元素及ａ層各單元的閥值賦予［－１，＋１］之間的隨機(jī)值，一般情況下vij＝１θj＝０i＝１，２，λ，pj＝１，２，λ，n且在整個(gè)學(xué)習(xí)過程中保持固定不變。

ａ層至輸出層(r層)的連接權(quán)矩陣

中的各個(gè)元素及ｓ層各單元的閥值θ＝［θ１θ２λθq］賦予［-1，+1］之間的隨機(jī)值。

(2)訓(xùn)練隨機(jī)選取一輸入、輸出模式對(duì)(sk,yk)，這里k=1，2，λ，m時(shí)，網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行以下步驟的訓(xùn)練。

第一步，計(jì)算連接層各單元的輸出

第二步，以連接層的輸出作為輸入層的各單元的輸入計(jì)算輸出層的實(shí)際輸出

在學(xué)習(xí)過程中，當(dāng)所有的m個(gè)樣本模式對(duì)都提供給網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)一遍后，還需從頭再繼續(xù)提供給網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)。直到達(dá)到最大學(xué)習(xí)次數(shù)，以防止發(fā)散或無限震蕩，或者滿足誤差限制。

3 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

機(jī)器人重心位置是由腳底的力傳感器測(cè)定的。當(dāng)某一側(cè)的傳感器輸出值趨于零或小于預(yù)定的值時(shí)，說明重心已經(jīng)偏向相反的另一側(cè)，機(jī)器人處于危險(xiǎn)狀態(tài)。這時(shí)機(jī)器人就應(yīng)該產(chǎn)生一定的動(dòng)作，向另一側(cè)跨出一腳，以使機(jī)器人的重心位于支撐面內(nèi)。

整個(gè)控制系統(tǒng)如圖2所示。

其中，y(t)是傳感器輸出向量，為模擬量，經(jīng)采樣、ａ／ｄ轉(zhuǎn)換后為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)感知器的輸入向量y(kt)。

本文取感知器的輸入層單元與輸出層單元的個(gè)數(shù)相同。感知器經(jīng)過訓(xùn)練好以后，系統(tǒng)將時(shí)實(shí)監(jiān)控機(jī)器人的重心位置，當(dāng)重心偏向某側(cè)，相反側(cè)的力傳感器的輸入小于設(shè)定的安全值時(shí)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相應(yīng)于該側(cè)的輸出為1，其余均為0，系統(tǒng)將根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出，做出相應(yīng)的動(dòng)作指令；當(dāng)傳感器的輸入均大于設(shè)定安全值時(shí)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出均為0，系統(tǒng)不產(chǎn)生任何動(dòng)作指令。

4 仿真

本文假設(shè)在機(jī)器人的腳底安裝有力傳感器，左腳的后部、左部和前部各一個(gè)，右腳的前部、右部和后部各一個(gè)。依次編號(hào)為pi,i=1,2,λ 6，構(gòu)成輸入向量
p＝［p１，p2，p3，p4，p5，p6］ｔ
假設(shè)機(jī)器人的重是100kgf，當(dāng)機(jī)器人的腳底的傳感器輸出為2kgf，即認(rèn)為機(jī)器人處于危險(xiǎn)狀態(tài)。設(shè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)感知器的輸入為

對(duì)應(yīng)的理想輸出為

即認(rèn)為力傳感器的輸出為2kgf時(shí)機(jī)器人處于危險(xiǎn)狀態(tài)，傳感器的輸出為3kgf時(shí)，認(rèn)為機(jī)器人處于安全狀態(tài)。連接權(quán)值和閥值的初始值分別是

經(jīng)過n=1335次迭貸，輸出達(dá)到期望值。連接權(quán)值和閥值分別為

5 結(jié)論

本文就雙足行走機(jī)器人的穩(wěn)定性控制提出了一種新的控制方法，它是建立在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)感知器上。試驗(yàn)表明，該方法簡(jiǎn)單易行。