專利名稱：一種用于雙足步行機(jī)器人的動(dòng)態(tài)步行控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機(jī)器人控制方法，尤其涉及一種用于雙足步行機(jī)器人的動(dòng)態(tài)步行
控制方法。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，雙足機(jī)器人已經(jīng)引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛興趣，并取得了很大的成果，特 別在模擬人的各種動(dòng)作、與人協(xié)作、語(yǔ)言交流等方面取得了重大突破?，F(xiàn)有技術(shù)中，要使雙 足機(jī)器人能真實(shí)地模擬人的步行動(dòng)作，需要一種精確縝密的雙足步行機(jī)器人步行控制方 法，因此，開發(fā)一種有效的雙足步行機(jī)器人步行控制方法是現(xiàn)今雙足機(jī)器人設(shè)計(jì)及制造中 急需解決的問題之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的，就是為了解決上述問題而提供一種用于雙足步行機(jī)器人的動(dòng)態(tài)步
行控制方法，該控制方法可實(shí)現(xiàn)雙足機(jī)器人在未知、非平整地面上的穩(wěn)定行走。 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的 本發(fā)明公開了一種用于雙足步行機(jī)器人的動(dòng)態(tài)步行控制方法，所述雙足步行機(jī)器 人具有12個(gè)機(jī)械自由度，還包括姿態(tài)傳感器，力傳感器和關(guān)節(jié)控制器，所述控制方法包括 運(yùn)動(dòng)規(guī)劃系統(tǒng)、步行模式生成器和步行穩(wěn)定器，該方法包括以下步驟
輸入步驟在運(yùn)動(dòng)規(guī)劃系統(tǒng)中設(shè)定步行參數(shù)，選擇步行模式； 計(jì)算步驟步行模式生成器根據(jù)輸入步驟中設(shè)定的步行參數(shù)和模式，進(jìn)行姿態(tài)、步
態(tài)規(guī)劃和計(jì)算，生成相應(yīng)的關(guān)節(jié)動(dòng)作序列并將其發(fā)送給相應(yīng)的關(guān)節(jié)控制器； 控制步驟關(guān)節(jié)控制器根據(jù)計(jì)算步驟中得到的關(guān)節(jié)動(dòng)作序列對(duì)關(guān)節(jié)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)伺服
控制； 修正步驟步行穩(wěn)定器實(shí)時(shí)地將姿態(tài)傳感器、力傳感器及關(guān)節(jié)狀態(tài)信息采集的信 息反饋至步行模式生成器，調(diào)整雙足機(jī)器人的姿態(tài)和步態(tài)。 所述計(jì)算步驟中步行模式生成器進(jìn)行的計(jì)算為逆運(yùn)動(dòng)學(xué)和逆動(dòng)力學(xué)計(jì)算。
本發(fā)明采用姿態(tài)傳感器及力傳感器，電氣系統(tǒng)采用無(wú)纜化設(shè)計(jì)，通過多傳感器信
息融合技術(shù)，開發(fā)用于雙足步行機(jī)器人的動(dòng)態(tài)步行控制方法，設(shè)計(jì)地面反作用力控制、實(shí)際
ZMP控制及腳落地位置控制算法，對(duì)雙足步行機(jī)器人的步態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，實(shí)現(xiàn)在未知、非
平整地面上的穩(wěn)定行走。


圖1是本發(fā)明控制方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式
參見圖l，首先運(yùn)動(dòng)規(guī)劃系統(tǒng)1進(jìn)行步行參數(shù)的設(shè)定，選擇合適的步行模式，然后
3步行模式生成器2根據(jù)相應(yīng)的步行模式進(jìn)行上肢和下肢的姿態(tài)、步態(tài)規(guī)劃，并進(jìn)行逆運(yùn)動(dòng)
學(xué)、逆動(dòng)力學(xué)計(jì)算，生成一系列關(guān)節(jié)動(dòng)作序列，然后將動(dòng)作序列發(fā)送給相應(yīng)的關(guān)節(jié)控制器，
關(guān)節(jié)控制器根據(jù)發(fā)送來(lái)的動(dòng)作序列實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)伺服控制，并通過步行穩(wěn)定器3將姿
態(tài)傳感器、力傳感器及關(guān)節(jié)狀態(tài)信息適時(shí)反饋，以進(jìn)行實(shí)時(shí)的步態(tài)修正。 雖然所規(guī)劃的步行模式能夠滿足動(dòng)態(tài)步行的約束，但是當(dāng)機(jī)器人行走于未知的不
規(guī)則的粗糙地面上或者是被外力影響時(shí)，還是可能傾倒。當(dāng)機(jī)器人開始傾倒時(shí)，身體也將會(huì)
傾斜。如果身體的姿態(tài)不及時(shí)恢復(fù)，身體傾斜增加，傾倒的力矩會(huì)變得很大。此外，為了連
續(xù)地步行，擺動(dòng)腿應(yīng)該準(zhǔn)時(shí)落在地面上，太快或太慢都會(huì)引起機(jī)器人的傾倒。由此本發(fā)明還
包括了修正步驟，主要有步行穩(wěn)定器來(lái)進(jìn)行修正，該設(shè)備修正的方式包括地面反作用力控
制的修正、上身姿態(tài)控制的修正和腳落地位置控制的修正。 1.地面反作用力控制的修正作用為了恢復(fù)機(jī)器人的姿態(tài)，地面反作用力控制通 過調(diào)整每個(gè)腳的位姿把實(shí)際地面反作用力的合力的中心(C-ATGRF)移到想要達(dá)到的位置。
在單腿支撐階段，機(jī)器人通過控制支撐腳的姿態(tài)在所要達(dá)到的ZMP周圍的旋轉(zhuǎn)， 對(duì)C-ATGRF進(jìn)行控制。當(dāng)機(jī)器人身體向前傾倒時(shí)，機(jī)器人降低支撐的腳的前端(腳尖)使 C-ATGRF前移，當(dāng)機(jī)器人身體向后傾倒時(shí)，機(jī)器人降低支撐腳的后端(腳跟)使C-ATGRF后 移。雙腳支撐階段同理。此時(shí)，機(jī)器人可以看做是一個(gè)倒立擺。 當(dāng)機(jī)器人處于傾斜地面時(shí)，機(jī)器人腳部的六軸力傳感器可探測(cè)地面反作用力的變
化，地面反作用力控制利用這些變化控制C-ATGRF到適當(dāng)?shù)奈恢靡援a(chǎn)生適當(dāng)?shù)幕謴?fù)力矩。 2.上身姿態(tài)控制的修正作用上身的姿態(tài)控制通過上身姿態(tài)傳感器的反饋信息，
調(diào)整支撐腿前向和側(cè)向所對(duì)應(yīng)的各個(gè)關(guān)節(jié)，把上身的姿態(tài)調(diào)整到所期望的姿態(tài)。 3.腳落地位置控制的修正作用腳落地位置控制糾正上身和腳的相對(duì)位置。腳落
地位置控制主要是通過增加或減小步幅大小糾正上身和腳的相對(duì)位置，使其恢復(fù)到理想的
步行模式的位置。 以上實(shí)施例僅供說明本發(fā)明之用，而非對(duì)本發(fā)明的限制，有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人 員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以作出各種變換或變型，因此所有等同的 技術(shù)方案也應(yīng)該屬于本發(fā)明的范疇，應(yīng)由各權(quán)利要求所限定。
權(quán)利要求
一種用于雙足步行機(jī)器人的動(dòng)態(tài)步行控制方法，所述雙足步行機(jī)器人具有12個(gè)機(jī)械自由度，還包括姿態(tài)傳感器，力傳感器和關(guān)節(jié)控制器，所述控制方法包括運(yùn)動(dòng)規(guī)劃系統(tǒng)、步行模式生成器和步行穩(wěn)定器，該方法包括以下步驟輸入步驟在運(yùn)動(dòng)規(guī)劃系統(tǒng)中設(shè)定步行參數(shù)，選擇步行模式；計(jì)算步驟步行模式生成器根據(jù)輸入步驟中設(shè)定的步行參數(shù)和模式進(jìn)行計(jì)算，生成相應(yīng)的關(guān)節(jié)動(dòng)作序列并將其發(fā)送給相應(yīng)的關(guān)節(jié)控制器；控制步驟關(guān)節(jié)控制器根據(jù)計(jì)算步驟中得到的關(guān)節(jié)動(dòng)作序列對(duì)關(guān)節(jié)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)伺服控制；修正步驟步行穩(wěn)定器實(shí)時(shí)地將姿態(tài)傳感器、力傳感器及關(guān)節(jié)狀態(tài)信息采集的信息反饋至步行模式生成器，調(diào)整雙足機(jī)器人的姿態(tài)和步態(tài)。
2. 如權(quán)利要求1所述的用于雙足步行機(jī)器人的動(dòng)態(tài)步行控制方法，其特征在于，所述 計(jì)算步驟中步行模式生成器進(jìn)行的計(jì)算為逆運(yùn)動(dòng)學(xué)和逆動(dòng)力學(xué)計(jì)算。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于雙足步行機(jī)器人的動(dòng)態(tài)步行控制方法，包括輸入步驟、計(jì)算步驟、控制步驟和修正步驟。本發(fā)明采用姿態(tài)傳感器及力傳感器，電氣系統(tǒng)采用無(wú)纜化設(shè)計(jì)，通過多傳感器信息融合技術(shù)，開發(fā)用于雙足步行機(jī)器人的動(dòng)態(tài)步行控制方法，設(shè)計(jì)地面反作用力控制、實(shí)際ZMP控制及腳落地位置控制算法，對(duì)雙足步行機(jī)器人的步態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，實(shí)現(xiàn)在未知、非平整地面上的穩(wěn)定行走。
文檔編號(hào)G05D1/02GK101751037SQ200810203899
公開日2010年6月23日 申請(qǐng)日期2008年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月3日
發(fā)明者葉一枝, 李建, 李慕君, 楊軍, 王景川, 陳衛(wèi)東 申請(qǐng)人:上海電氣集團(tuán)股份有限公司;上海交通大學(xué)