专利名称：仿人机器人控制单脚支撑期支撑脚板的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种仿人机器人控制单脚支撑期支撑脚板旋转增加步幅的方法和装置，属于机器人技术领域。
背景技术：
行走速度的提高一直是仿人机器人领域研究的热点和难点。行走速度的提高可以通过增加步幅和提闻行走频率来实现。行走频率的提闻对仿人机器人机械结构的刚性、驱动元件的驱动能力要求较高，对于相关学科的综合要求和依赖性较强。目前，行走步幅的增加主要通过增加下肢长度来实现。仿人机器人的行走步态设计方法通常将零力矩点设定在支撑脚与地面的接触区域(支撑区域)内以保证仿人机器人在行走过程中支撑脚与地面完全接触，不发生旋转。零力矩点的定义是假定仿人机器人支撑腿的足底压力可以被作用在足底某一点的合适的支撑反作用力表示，那么在地面接触面内的该点上，机器人受到的所有作用力及力矩的合力矩在水平面内的分量为零。即零力矩点是两足步行过程中足部和地面接触所受作用力的合力的中心点。如果机器人的零力矩点落在支撑脚与地面接触形成的凸多边形支撑区域内，仿人机器人旋转合力矩在水平面内的分量为零，理论上仿人机器人在两足步行过程中不会发生旋转，否则就会使机器人产生绕水平面的旋转，如
图1所示。但是，人类在快速行走的单脚支撑期具有支撑脚旋转的过程。根据人体行走的相关规律，行走速度越高，单脚支撑期所占比例越高。单脚支撑期在人类行走过程中所占时间比例高、前进距离大，因此单脚支撑期对人类行走速度影响较大。支撑脚旋转可以增大步幅和单脚支撑期的前进距离，从而提高行走速度。现有技术中教导了一种具有支撑脚旋转相位的双足机器人行走方法。在该方法中，仿人机器人在单脚支撑期具有旋转相位。但是，该方法是通过将足部旋转指示点(FootRotation Indicator, FRI)严格控制在支撑脚前面实现的，该方法并没有说明旋转程度与足部旋转指示点(FRI)位置和步幅变化的关系，并且实现方法较为复杂。现有技术中教导了一种支撑脚旋转的轨迹优化方法。在该方法中，仿人机器人在单脚支撑期具有旋转相位，仿人机器人的零力矩点被控制在脚尖处。该方法仅研究了如何通过支撑脚旋转实现节省能量等目标，没有涉及如何通过将零力矩点设定在支撑区域外使支撑脚旋转以获得期望的步长增加量。在对现有技术进行调研和探索后，发明人提出了一种仿人机器人控制单脚支撑期支撑脚板旋转增加行走步幅的方法和装置。与现有方法中将零力矩点设定在支撑区域内以防止机器人产生旋转不同的是，本发明将零力矩点设定在支撑区域外，使机器人产生期望的旋转来增加步幅，这种超出支撑区域的零力矩点可以称为虚拟零力矩点。零力矩点与虚拟零力矩点的计算方法相同，只是被设定在支撑区域外。本发明通过将虚拟零力矩点设定在支撑区域外，使仿人机器人单脚支撑期实现可调整的旋转，能够增加仿人机器人行走步幅和速度，且方法简单，可行。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种仿人机器人控制单脚支撑期支撑脚板旋转增加步幅的方法和装置，能够简单、有效地提高仿人机器人行走速度。本发明采用的技术方案如下一种仿人机器人控制单脚支撑期支撑脚板旋转增加步幅的方法，包括计算虚拟零力矩点并检测支撑脚板旋转角度的步骤；确定支撑脚板旋转角度的步骤；确定虚拟零力矩点位置的步骤；限制虚拟零力矩点位置的步骤；根据上述步骤，通过计算虚拟零力矩点的公式，设定虚拟零力矩点相对于支撑区域边界的距离d，使仿人机器人在单脚支撑期旋转一定的角度0，从而增大行走的步幅AD与速度，有利于快速行走的实现。优选地，计算虚拟零力矩点并检测支撑脚板旋转角度的步骤中，所述虚拟零力矩点与所述零力矩点计算方法相同，包括在每个控制周期内计算虚拟零力矩点位置
权利要求
1.一种仿人机器人控制单脚支撑期支撑脚板旋转增加步幅的方法，包括计算虚拟零力矩点并检测支撑脚板旋转角度的步骤；确定支撑脚板旋转角度的步骤确定虚拟零力矩点位置的步骤限制虚拟零力矩点位置的步骤根据上述步骤，通过计算虚拟零力矩点的公式，设定虚拟零力矩点相对于支撑区域边界的距离d，使仿人机器人在单脚支撑期旋转一定的角度Θ，从而增大行走的步幅AD与速度，有利于快速行走的实现。
2.根据权利要求1所述的方法，其中计算虚拟零力矩点并检测支撑脚板旋转角度的步骤中，所述虚拟零力矩点与所述零力矩点计算方法相同，包括在每个控制周期内计算虚拟零力矩点位置
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述确定支撑脚板旋转角度的步骤中步长增加量与旋转角度的关系由以下公式确定
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述确定虚拟零力矩点位置的步骤中支撑脚旋转角度Θ与虚拟零力矩点距离支撑区域边界的距离d的关系由以下公式计算
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述限制虚拟零力矩点位置的步骤中虚拟零力矩点至支撑边界最大距离η由以下公式计算n = L-1 6
6.一种仿人机器人单脚支撑期支撑脚板旋转增加步幅的控制系统，所述控制系统通过计算虚拟零力矩点的公式，设定虚拟零力矩点相对于支撑区域边界的距离d，使仿人机器人在单脚支撑期旋转一定的角度Θ，从而增大行走的步幅AD与速度，有利于快速行走的实现，其特征在于，所述控制系统包括用于计算虚拟零力矩点并检测支撑脚板旋转角度的装置，其计算虚拟零力矩点位置和检测支撑脚脚板旋转角度；用于控制支撑脚板旋转角度的装置，其根据期望的步幅增加量确定单脚支撑期支撑脚脚板旋转角度；用于控制虚拟零力矩点位置的装置，其根据期望的支撑脚板旋转角度确定虚拟零力矩点位置；用于限制虚拟零力矩点位置的装置，其限制虚拟零力矩点超出支撑区域边界的最大距离。
7.根据权利要求6所述的控制系统，其中所述用于计算虚拟零力矩点并检测支撑脚板旋转角度的装置包括用于在每个控制周期内计算虚拟零力矩点位置的装置，计算公式如下
8.根据权利要求7所述的控制系统，其中所述用于控制支撑脚板旋转角度的装置中步长增加量与旋转角度的关系由以下公式确定
9.根据权利要求8所述的控制系统，其中用于控制虚拟零力矩点位置的装置中支撑脚旋转角度Θ与虚拟零力矩点距离支撑区域边界的距离d的关系由以下公式计算
10.根据权利要求9所述的控制系统，其中用于限制虚拟零力矩点位置的装置中虚拟零力矩点至支撑边界最大距离η由以下公式计算n = L-全文摘要
本发明公开了一种仿人机器人控制单脚支撑期支撑脚板旋转增加步幅的方法和装置，属于机器人领域。本发明将期望的虚拟零力矩点设定在脚面支撑区域外，获得机器人旋转产生的步幅增加量。所述方法包括计算虚拟零力矩点并检测支撑脚板旋转角度；支撑脚板旋转角度确定；虚拟零力矩点位置确定；虚拟零力矩点位置限制。所述装置包括计算和检测模块、旋转角度控制模块、虚拟零力矩点位置控制模块，以及虚拟零力矩点位置限制模块。本发明提供的方法和装置能使仿人机器人在单脚支撑期支撑脚板产生旋转，增加行走步幅，并且控制简单、可靠。
文档编号B25J9/16GK103042526SQ20131002309
公开日2013年4月17日 申请日期2013年1月22日 优先权日2013年1月22日
发明者黄强, 李敬, 马淦, 余张国, 陈学超, 张思, 王化平 申请人:北京理工大学