一种双足机器人的步态控制方法和装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种双足机器人的步态控制方法和装置。
【背景技术】
[0002] 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。
【发明内容】
[0003] 本发明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。
[0004] 根据本发明的一个方面，提供了一种双足机器人的步态控制方法，包括：
[0005] 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；
[0006] 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；
[0007] 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；
[0008] 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；
[0009]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。
[0010] 根据本发明的另一个方面，提供了一种双足机器人的步态控制装置，该装置包括：
[0011] 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；
[0012] 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；
[0013] 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；
[0014] 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；
[0015] 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。
[0016] 本发明的有益效果是:本发明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】
[0017] 图1是本发明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；
[0018] 图2是本发明一个实施例的一种双足机器人九连杆模型前向视图；
[0019] 图3是本发明一个实施例的一种双足机器人九连杆模型侧向视图；
[0020] 图4是本发明一个实施例的一种双足机器人行走位置投影示意图；
[0021] 图5是线性倒立摆模型原理示意图；
[0022] 图6是本发明一个实施例的一种双足机器人支撑腿前向示意图；
[0023] 图7是本发明一个实施例的一种双足机器人摆动腿前向示意图；
[0024]图8是本发明一个实施例的一种双足机器人双腿侧向不意图；
[0025] 图9是本发明一个实施例的一种双足机器人肩关节摆动角度示意图；
[0026] 图10是本发明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】
[0027] 本发明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。
[0028] 图1是本发明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：
[0029] 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（Zero Moment Point，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；
[0030] 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；
[0031] 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；
[0032] 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；
[0033] 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。
[0034] 在图1所示实施例的基础上，步骤SI 1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。
[0035] 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 机器人的稳定步行。由于获取的中步阶段质心运动轨迹，满足稳定步行条件，因而利用中步 阶段质心运动轨迹确定出的步态控制参数的数值来控制起步阶段和止步阶段的运动轨迹， 也能保证稳定性。也就是说，与现有技术相比，本实施例的方法能够保证起步阶段和止步阶 段的稳定性，同时使得起步阶段与中步阶段、中步阶段和止步阶段更好地衔接。实现了双足 机器人在一个完整的步行过程中都能稳定步行。
[0036] 以下结合具体的双足机器人模型对本发明实施例的这种双足机器人步态控制方 法进行说明。
[0037] 图2是本发明一个实施例的一种双足机器人九连杆模型前向视图，图3是本发明一 个实施例的一种双足机器人九连杆模型侧向视图，图4是本发明一个实施例的一种双足机 器人行走位置投影示意图；结合图2至图4,图2中P1~P9分别代表双足机器人的不同部位， 例如，P8、P9表不双足机器人的左、右手臂。ml~m7分别表不连杆的质量。在本实施例中，以 双足机器人行走的前进方向为X轴（即前向），以双足机器人行走的侧向为y轴(如行走的右 侧向），以与地面垂直向上的方向为z轴构建笛卡尔坐标系，如图2和图3所示，采用九根匀质 连杆及关节构成的双足机器人简化模型的前向视图（即χοζ平面)和侧向视图（即y〇z平面）， 其中，双足机器人的单肩关节有一个前后的摆动自由度，单腿踝关节有前后和左右两个摆 动自由度，单腿膝关节有一个前后自由度，髋关节有左右、前后和旋转三个自由度。
[0038] 此外，在双足机器人每个行走步态中，以双足机器人的支撑腿的踝关节在地面的 投影为坐标原点，以水平前进方向为X轴，以行走的侧向方向为Y轴，构建双足机器人自身的 平面直角坐标系(Χ0Υ)。在双足机器人连续行走的中步阶段内，每个单腿支撑期的终止时 亥IJ，摆动腿上的脚摆动到合理的位置时，双足机器人的质心就有了新的支撑点。再以该新的 支撑点为坐标原点以水平前进方向为X轴，以行走的侧向方向为Y轴，构建双足机器人自身 的平面直角坐标系(Χ0Υ)，前一个支撑点的终止状态为初始状态，从而机器人又开始了一个 新的单步，将这些单步连接起来就形成了机器人连续的行走模式。如图4所示，开始以右支 撑腿的踝关节在地面的投影为坐标原点（即0点表示双足机器人的右腿在平面直角坐标系 中的投影，与0点在Υ轴方向相距预定距离的点表示双足机器人的左腿的投影。）相应的，X轴 上的点表示双足机器人行走时右支撑腿的运动轨迹，X轴左边并与X轴相距预定距离的点表 示左支撑腿的运动轨迹。
[0039] 在本发明的一个实施例中，以步态控制参数为位置、速度和加速度进行示例性说 明。
[0040] 双足机器人步态控制方案必须考虑其稳定性，本实施例采用零力矩点（Zero Moment Point，简称ZMP)作为双足机器人动态步行稳定性的一个重要依据。ZMP是机器人所 受合力作用在支撑腿足底上的作用点，而且在这一点上合力的力矩在水平方向为零。要保 证双足机器人的步行稳定，必须保证任意时刻的ZMP在行走过程中始终落在稳定区域内。稳 定区域即支撑脚所组成的凸形区域在水平面上的投影。
[0041]以下分三个阶段描述双足机器人一次完整的步行过程中，应用本发明的步态控制 方法具体实现过程。
[0042](一）中步阶段质心运动轨迹控制
[0043] 中步阶段是双足机器人平稳的周