一种双足机器人的步态控制方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种双足机器人的步态控制方法和装置，该方法包括：选取起步阶段、中步阶段和止步阶段的步态控制参数，并获取双足机器人的零力矩点位于稳定区域内时质心在中步阶段的运动轨迹；得到质心在中步阶段起始时各步态控制参数的第一数值和质心在中步阶段结束时的第二数值；利用第一数值设置在起步阶段结束时的第一约束条件，利用第二数值设置在止步阶段开始时的第二约束条件；基于第一和第二约束条件分别计算质心在起步阶段和止步阶段的运动轨迹；控制双足机器人的行走，使行走时质心的运动轨迹满足质心在起步阶段、中步阶段和止步阶段的各运动轨迹。本发明专利技术实施例的技术方案保证了起步、中步和止步步态间的稳定衔接和步行的稳定性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及机器人
，具体涉及一种双足机器人的步态控制方法和装置。
技术介绍
双足机器人是模仿人腿的结构和运动形式的机器人系统，它具有人腿的运动特性,在行走过程中与地面有着复杂的交互，双足机器人步行时对稳定控制有着更高的要求。因此，合理的步态控制是实现双足机器人仿人稳定动态步行的先决条件。双足机器人一个完整的步态包括起步、中步和止步三个阶段。起步阶段和止步阶段是步态控制中非常关键的部分，关系到机器人能否成功地进入步行状态和结束步行状态。但是，目前双足机器人的研究主要集中于对中步阶段的步态控制，而起步和止步阶段的步态控制研究较少。另外现有技术方案中，起步阶段和止步阶段步行稳定差，不能稳定地进入步行状态及稳定地结束步行状态。
技术实现思路
本专利技术提供了一种双足机器人的步态控制方法和装置，以解决现有双足机器人步态控制方案中存在的起步阶段和止步阶段步行稳定差、不能稳定地进入步行状态及稳定地结束步行状态的问题。根据本专利技术的一个方面，提供了一种双足机器人的步态控制方法，包括：选取双足机器人在起步阶段、中步阶段和止步阶段的步态控制参数，并获取双足机器人的零力矩点位于稳定区域内时，双足机器人的质心在中步阶段的运动轨迹；根据中步阶段质心的运动轨迹得到质心在中步阶段起始时各步态控制参数的第一数值和质心在中步阶段结束时各步态控制参数的第二数值；利用第一数值设置在起步阶段结束时质心需要满足的第一约束条件，利用第二数值设置在止步阶段开始时质心需要满足的第二约束条件；基于第一约束条件和第二约束条件分别计算质心在起步阶段和止步阶段的运动轨迹；控制双足机器人的行走，使双足机器人行走时质心的运动轨迹满足质心在起步阶段、中步阶段和止步阶段的各运动轨迹，实现双足机器人的稳定步行。根据本专利技术的另一个方面，提供了一种双足机器人的步态控制装置，该装置包括：质心中步阶段轨迹获取单元，用于选取双足机器人在起步阶段、中步阶段和止步阶段的步态控制参数，并获取双足机器人的零力矩点位于稳定区域内时，双足机器人的质心在中步阶段的运动轨迹；参数值获取单元，用于根据中步阶段质心的运动轨迹得到质心在中步阶段起始时各步态控制参数的第一数值和质心在中步阶段结束时各步态控制参数的第二数值；约束条件设置单元，用于利用第一数值设置在起步阶段结束时质心需要满足的第一约束条件，利用第二数值设置在止步阶段开始时质心需要满足的第二约束条件；质心起步止步阶段轨迹计算单元，用于基于第一约束条件和第二约束条件分别计算质心在起步阶段和止步阶段的运动轨迹；质心轨迹控制单元，用于控制双足机器人的行走，使双足机器人行走时质心的运动轨迹满足质心在起步阶段、中步阶段和止步阶段的各运动轨迹，实现双足机器人的稳定步行。本专利技术的有益效果是：本专利技术实施例的双足机器人步态控制方案，先选取双足机器人的步态控制参数，并获取双足机器人的零力矩点ZMP位于稳定区域内时，质心在中步阶段的运动轨迹和各步态控制参数对应的第一数值和第二数值，根据第一数值确定质心在起步阶段的运动轨迹，并利用第二数值计算质心在止步阶段的运动轨迹，从而通过步态控制参数实现起步阶段、止步阶段分别与中步阶段保持连续衔接，且由于中步阶段通过ZMP的条件限定，保证了机器人的稳定步行，则通过步态控制参数对起步、中步及止步阶段合理衔接，使各个阶段都满足稳定步行条件，保证了双足机器人在整体运动阶段的稳定步行。此外，本方案在保证机器人质心满足稳定步行的基础上，基于质心的运动轨迹提供了一种对腿部各关节行走步态的新的控制方案，这种控制方案能够进一步增加步行过程的稳定性，提高整个步行过程的效率，实现步行过程的稳定开始和结束。附图说明图1是本专利技术一个实施例的一种双足机器人步态控制方法的流程示意图；图2是本专利技术一个实施例的一种双足机器人九连杆模型前向视图；图3是本专利技术一个实施例的一种双足机器人九连杆模型侧向视图；图4是本专利技术一个实施例的一种双足机器人行走位置投影示意图；图5是线性倒立摆模型原理示意图；图6是本专利技术一个实施例的一种双足机器人支撑腿前向示意图；图7是本专利技术一个实施例的一种双足机器人摆动腿前向示意图；图8是本专利技术一个实施例的一种双足机器人双腿侧向示意图；图9是本专利技术一个实施例的一种双足机器人肩关节摆动角度示意图；图10是本专利技术一个实施例的一种双足机器人关节角度控制结构示意图。具体实施方式本专利技术实施例的技术方案提出了一种双足机器人稳定步行的完整步态控制方案，能够更有效地实现稳定地起步和止步。并且，通过在满足零力矩点始终落在稳定区域内的前提下得到中步阶段的运动轨迹，将起步、止步与中步阶段的运动轨迹在位置、速度和/或加速度上都进行合理地衔接，保证在起步和起步阶段都能满足稳定性条件。另外，本方案利用机器人运动时势能和动能之间的转化，能够在一步之内快速地开始和结束正常的步行过程，避免了现有的方案中需要几个阶段才能达到和结束正常步行状态的问题，实现双足机器人既稳定又快速的行走。图1是本专利技术一个实施例的一种双足机器人步态控制方法的流程示意图，参见图1，本实施例中，双足机器人步态控制方法包括如下步骤：步骤S11，选取双足机器人在起步阶段、中步阶段和止步阶段的步态控制参数，并获取双足机器人的零力矩点(ZeroMomentPoint，简称ZMP)位于稳定区域内时，双足机器人的质心在中步阶段的运动轨迹；步骤S12，根据中步阶段质心的运动轨迹得到质心在中步阶段起始时各步态控制参数的第一数值和质心在中步阶段结束时各步态控制参数的第二数值；步骤S13，利用第一数值设置在起步阶段结束时质心需要满足的第一约束条件，利用第二数值设置在止步阶段开始时质心需要满足的第二约束条件；步骤S14，基于第一约束条件和第二约束条件分别计算质心在起步阶段和止步阶段的运动轨迹；步骤S15，控制双足机器人的行走，使双足机器人行走时质心的运动轨迹满足质心在起步阶段、中步阶段和止步阶段的各运动轨迹，实现双足机器人的稳定步行。在图1所示实施例的基础上，步骤S11中步态控制参数包括位置、速度和加速度，或者步态控制参数包括位置和速度。并且步态控制参数的每个参数都包括在双足机器人行走时前向、侧向和垂直方向的三个方向分量。由图1所示的方法可知，本实施例的双足机器人步态控制方法对双足机器人的起步和止步阶段质心的运行轨迹都进行控制，通过控制双足机器人的行走，使双足机器人行走时质心的运动轨迹满足质心在起步阶段、中步阶段和止步阶段的各运动轨迹，实现双足机器...

【技术保护点】
一种双足机器人的步态控制方法，其特征在于，所述方法包括：选取双足机器人在起步阶段、中步阶段和止步阶段的步态控制参数，并获取双足机器人的零力矩点位于稳定区域内时，所述双足机器人的质心在中步阶段的运动轨迹；根据所述中步阶段质心的运动轨迹得到质心在中步阶段起始时各步态控制参数的第一数值和质心在中步阶段结束时各步态控制参数的第二数值；利用所述第一数值设置在起步阶段结束时质心需要满足的第一约束条件，利用所述第二数值设置在止步阶段开始时质心需要满足的第二约束条件；基于所述第一约束条件和所述第二约束条件分别计算质心在起步阶段和止步阶段的运动轨迹；控制双足机器人的行走，使双足机器人行走时质心的运动轨迹满足所述质心在起步阶段、中步阶段和止步阶段的各运动轨迹，实现所述双足机器人的稳定步行。

【技术特征摘要】
1.一种双足机器人的步态控制方法，其特征在于，所述方法包括：
选取双足机器人在起步阶段、中步阶段和止步阶段的步态控制参数，并获取双足机器
人的零力矩点位于稳定区域内时，所述双足机器人的质心在中步阶段的运动轨迹；
根据所述中步阶段质心的运动轨迹得到质心在中步阶段起始时各步态控制参数的第
一数值和质心在中步阶段结束时各步态控制参数的第二数值；
利用所述第一数值设置在起步阶段结束时质心需要满足的第一约束条件，利用所述第
二数值设置在止步阶段开始时质心需要满足的第二约束条件；
基于所述第一约束条件和所述第二约束条件分别计算质心在起步阶段和止步阶段的
运动轨迹；
控制双足机器人的行走，使双足机器人行走时质心的运动轨迹满足所述质心在起步阶
段、中步阶段和止步阶段的各运动轨迹，实现所述双足机器人的稳定步行。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制双足机器人的行走，使双足
机器人行走时质心的运动轨迹满足所述质心在起步阶段、中步阶段和止步阶段的各运动轨
迹包括：
根据质心在各阶段的运动轨迹计算双足机器人髋关节在起步阶段、中步阶段和止步阶
段的运动轨迹；
根据双足机器人踝关节的期望运动高度，计算双腿踝关节在起步阶段、中步阶段和止
步阶段的运动轨迹；
利用髋关节及踝关节在各阶段的运动轨迹、双足机器人腿部的结构位置关系以及腿部
长度数值，计算得到髋关节、踝关节、膝关节在各阶段对应的期望角度轨迹；
选取髋关节、踝关节和膝关节中的一个或多个作为控制点；
当双足机器人行走时，实时检测所述控制点的转角，利用所述控制点在上述各阶段的
期望角度轨迹对检测到控制点的转角进行自适应跟踪控制，使双足机器人行走时质心的运
动轨迹满足所述质心在起步阶段、中步阶段和止步阶段的各运动轨迹。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步态控制参数的每个参数都包括
在双足机器人行走时前向、侧向和垂直方向的三个方向分量；
其中，该步态控制参数包括位置和速度，或者该步态控制参数包括位置、速度和加速

\t度。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据期望达到的中步阶段起始时质心的初始速度，以及动能和势能的转化关系，计算
双足机器人的质心在起步阶段结束时垂直方向的高度Hz；
获取到的所述双足机器人的质心在中步阶段的运动轨迹满足下列条件：
所述质心在中步阶段起始时以及中步态阶段结束时垂直方向的高度均为Hz。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据期望达到的中步阶段起始时
质心的初始速度，以及动能和势能的转化关系，计算双足机器人的质心在起步阶段结束时
垂直方向的高度Hz包括：
通过如下公式计算起步阶段结束时质心下降的距离Δz：
mgΔz=12m(v12-v02);]]>其中，v1是期望达到的中步阶段起始时质心的初始速度，v0为起步阶段初始时刻的速
度，m为所述双足机器人的质量，g为重力加速度；
由质心在垂直方向的初始高度与Δz之间的差值得到质心在起步阶段结束时垂直方向
的高度Hz。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，该方法包括：
当所述步态控制参数为位置和速度时，位置参数和速度参数都包括在双足机器人行走
时前向、侧向和垂直方向的三个方向分量；
起步阶段结束时质心满足的所述第一约束条件包括：第一前向约束条件、第一侧向约
束条件和第一垂直方向约束条件；
所述第一前向约束条件包括：起步阶段开始时，位置参数值和速度参数的值都等于0；
起步阶段结束时，位置参数值等于位置参数前向第一数值，速度参数值等于速度参数前向
第一数值；
所述第一侧向约束条件包括：起步阶段开始时，位置参数值等于双足机器人双足之间
距离的一半，速度参数值等于0；起步阶段结束时，位置参数值等于位置参数侧向第一数
值，速度参数值等于速度参数侧向第一数值；
所述第一垂直方向约束条件包括：起步阶段开始时，位置参数值等于双足机器人质心
的初始高度，速度参数值等于0；起步阶段结束时，位置参数值等于所述质心在起步阶段
结束时垂直方向的高度Hz，速度参数值等于0；
所述第二约束条件包括：第二前向约束条件、第二侧向约束条件和第二垂直方向约束
条件；
所述第二前向约束条件包括：止步阶段开始时，位置参数值等于位置参数前向第二数
值，速度参数值等于速度参数前向第二数值；止步阶段结束时，位置参数值和速度参数值
都等于0；
所述第二侧向约束条件包括：止步阶段开始时，位置参数值等于位置参数侧向第二数
值，速度参数值等于速度参数侧向第二数值；止步阶段结束时，位置参数值等于所述双足
机器人双足之间距离的一半，速度参数值等于0；
所述第二垂直方向约束条件包括：止步阶段开始时，位置参数值等于起步阶段结束时
垂直方向的高度Hz，速度参数值等于0；止步阶段结束时，位置参数值等于所述双足机
器人质心的初始高度，速度参数值等于0；
当所述步态控制参数包括位置、速度和加速度时，位置参数、速度参数和加速度参数
都包括在双足机器人行走时前向、侧向和垂直方向的三个方向分量；
所述第一前向约束条件包括：起步阶段开始时，位置参数值、速度参数值和加速度参
数值都等于0；起步阶段结束时，位置参数值等于位置参数前向第一数值，速度参数值等
于速度参数前向第一数值，加速度参数值等于加速度参数前向第一数值；
所述第一侧向约束条件包括：起步阶段开始时，位置参数值为双...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏鹏程，
申请(专利权)人：歌尔声学股份有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37