仿人双足机器人步态切换控制系统及控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及机器人领域，具体涉及一种仿人双足机器人步态切换控制系统及控制 方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着机器人技术的发展，机器人应用领域日趋广泛，而仿人机器人是机器 人研究中的重要分支，其涉及到机器人制造中的各个领域。仿人机器人要应用在各个领域， 首先要解决的就是机器人步态切换的问题，当机器人在不同路况，不同外力扰动（比如被 踢了一脚）下，不同速度下如何进行步态切换，切换成何种步态都是难点中的难点。现有的 机器人都只能在已知的环境中完成规定的步态，而机器人在实际运动过程中，有时会由于 外界的未知扰动，或者路面的突然变化，导致机器人偏离了原来的状态轨迹；有时会因为路 面障碍，不得不改变前进方向；而有时为了跟踪一个实时变化的目标，机器人需要实时调整 自己的运动状态，这些问题都涉及到双足行走的步态切换问题。而步态切换最关键的问题 是如何解决切换瞬间因关节位移、速度和加速度突变导致的机器人失稳，甚至摔倒的问题。
[0003] 机器人两杆件间通常由关节连接，当机器人关节速度发生变化时，组成关节的两 杆件之间将产生很大的冲击力，很容易损坏机器人硬件结构，尤其当机器人关节速度变化 很大时，如从走路到跑步或者跳跃等步态切换的瞬间，这一现象更为显著。
[0004] 专利号为CN101618547A的中国专利公开了一种基于磁流变技术的踝关节缓冲装 置。该专利中将电机与安装在壳体内的片簧固接，脚底板相对于电机的转轴，当地面冲击力 很大时，励磁线圈电流增大，磁流变阻尼器阻尼增大，片簧发生形变，对转轴产生阻尼作用。 该踝关节缓冲装置主要通过产生与电机相反的扭矩来缓冲地面冲击力，而地面冲击力通常 垂直地面向上，此种缓冲装置的效率较低，能耗高，并且片簧在缓冲过程中发生形变，当励 磁线圈电流为零时，磁流变液成流体状，发生形变的片簧将恢复原状，释放的能量会影响关 节角度，使机器人控制出现偏差，影响其稳定性。
[0005] 专利号为CN104552312A的中国专利公开了一种机器人关节的磁流变柔顺控制 器，采用两组齿轮，一组齿轮布置在充满磁流变液的密封腔内，另一组齿轮布置在密封腔 外，分别与关节两杆件相连和驱动组件相连，实现机器人关节两杆件的相对运动。该装置采 用了多个齿轮及齿轮轴，结构复杂，且只能用于齿轮驱动；同时，该发明只能用于机械臂或 机器人上肢关节等无需考虑机器人稳定性的场合，应用范围有限。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术存在的上述不足，本发明提供了一种仿人双足机器人步态切换控制 系统，包括至少一个柔顺控制器，所述柔顺控制器连接机器人大腿、小腿、躯干或其它关节 杆件的上部与下部，用于帮助机器人完成步态切换。
[0007] 具体的，所述柔顺控制器包括长度调节单元和反馈回路；
[0008] 所述长度调节单元包括固定于所述机器人关节杆件上部底端的法兰盘，固定于所 述机器人关节杆件下部顶端的隔磁铜罩及设于所述隔磁铜罩内的磁流变单元、吸盘及电磁 阀；
[0009] 所述磁流变单元包括缸体、配置于缸体内的活塞、连接于活塞顶部的活塞杆、设于 缸体内的磁流变液以及绕制于缸体上的励磁线圈；所述缸体的底端固定于所述隔磁铜罩底 部，所述电磁阀固定于所述隔磁铜罩的顶部，所述电磁阀和隔磁铜罩顶部的中心处均设有 开孔，所述活塞杆经所述开孔穿出后连接所述法兰盘；所述吸盘固定于所述活塞杆上，且位 于所述缸体顶端和电磁阀之间；
[0010] 所述反馈回路包括位移传感器、加速度传感器，控制器和检测控制电路；所述位移 传感器和加速度传感器设于所述法兰盘的中心处，通过信号线与所述控制器相连，所述控 制器通过控制线与励磁线圈相连；所述控制检测电路用于处理所述位移传感器和加速度传 感器检测到的信号，并转化为标准的电流或者电压信号，所述控制器根据所述电流或者电 压信号发出控制指令改变所述励磁线圈中的励磁电流和所述电磁阀的控制电流，从而改变 所述磁流变液的阻尼和电磁阀的磁场。
[0011] 本发明的仿人双足机器人步态切换控制系统，其工作原理为：在机器人进行步态 切换的过程中，当关节杆件上部相对于关节杆件下部向下运动时，活塞向下运动，电磁阀断 电，同时通过调节励磁线圈中的励磁电流控制活塞的运动速度，改变杆件质心的位置和运 动速度，同时吸收关节之间冲击力；
[0012] 当关节杆件上部相对于关节杆件下部向上运动时，给电磁阀充电，电磁阀给固定 于活塞杆上的吸盘施加一个向上的磁力，实现活塞杆的向上运动，通过调节电磁阀电流控 制磁力大小，从而调节杆件质心的位置和运动速度。
[0013] 本发明还提供了一种仿人双足机器人步态切换方法，应用于安装有上述步态切换 控制系统的仿人双足机器人，所述机器人的关节运动由电机驱动，且于大腿、小腿及躯干关 节杆件处各装有至少一个柔顺控制器，用于实现机器人走路/跑步两种步态的自由切换。
[0014] 具体的，其步态切换过程包括如下步骤：
[0015] 步骤一，根据步态切换指令，在步态切换的瞬间将两种步态下关节杆件的运动参 数进行插值，同时进行滚动在线优化，得到所述运动参数连续平滑的轨迹曲线；所述运动参 数包括关节杆件质心位置Si、速度t及加速度a i，其中，i表示第i个关节杆件；
[0016] 步骤二，根据所述轨迹曲线对应的运动参数，调节电机输出，同时调节柔顺控制器 参数进行协调动作，使关节杆件跟踪所述轨迹曲线运动；具体包括，调节励磁线圈中的励磁 电流L和电磁阀控制电流I 12，改变所述关节杆件的长度Q，从而改变机器人关节杆件质心 位置Si、速度Vi及其加速度a 1<3
[0017] 具体的，磁流变液随励磁线圈电流^的大小可实现从液态到固态的转变；当I u =〇时，磁流变液为流体状态，阻尼较小，励磁电流In越大，磁流变液的黏度越大，其阻尼也 越大。
[0018] 电磁阀电流112的大小决定电磁阀磁性的大小；当电I 12= 0时，电磁阀对吸盘没 有磁力，电流越大，施加在吸盘上的磁力越大。
[0019] 步骤三，完成一次调节后，计算机器人稳定性，判断机器人是否稳定；若不稳定，重 复步骤二，直到机器人完成步态切换。
[0020] 优选的，所述步骤三中，判断机器人走路步态的稳定性采用ZMP稳定性判据；具体 的，走路步态包括单脚支撑期和双脚支撑期，当机器人的单脚或双脚与地面接触时，ZMP落 点坐标在支撑区域内即为稳定。
[0021] 优选的，所述步骤三中，判断机器人跑步步态的稳定性时，采用如下方法：
[0022] 1)当跑步步态为单脚支撑期时，采用ZMP稳定性判据；具体的，当机器人的单脚与 地面接触时，ZMP落点坐标在支撑区域内即为稳定；
[0023] 2)当跑步步态为脚与地面不接触的飞行期时，采用质心角动量判据；具体的，机 器人关节杆件满足如下表达式时即为稳定：
[0025] 其中为第i个关节杆件质心的角动量，ε为不小于零的数，k表示第k个循 环周期，T为跑步周期，^为飞行期时间。
[0026] 进一步的，所述ZMP稳定性判据中，ZMP落点坐标通过下述公式计算：
[0029] 其中，1?表示第i个关节杆件质心的质量，X pypZi分别表示第i个关节杆件质心 坐标，
i分别表示第i个关节杆件质心加速度，Ilx，I ly分别表示第i个关节杆 件质心的转动惯量
|分别表示第i个关节杆件质心绕X轴，Y轴转动的角加速 度，g表示重力加速度。
[0030] 进一步的，机器人从走路步态切换到跑步步态时，关节杆件速度瞬间增大，机器人 运动状态从双脚支撑期切换至飞行期。
[0031] 进一步的，机器人从跑步步态切换到走路步态时，关节杆件速度瞬间减小，机器人 运动状态从飞行期切换至双脚支撑期。
[0032] 本发明的仿人