专利名称：一种用于双足步行机器人的动态步行控制方法
技术领域：
本发明涉及一种机器人控制方法，尤其涉及一种用于双足步行机器人的动态步行
控制方法。
背景技术：
近年来，双足机器人已经引起了国内外学者的广泛兴趣，并取得了很大的成果，特 别在模拟人的各种动作、与人协作、语言交流等方面取得了重大突破。现有技术中，要使双 足机器人能真实地模拟人的步行动作，需要一种精确缜密的双足步行机器人步行控制方 法，因此，开发一种有效的双足步行机器人步行控制方法是现今双足机器人设计及制造中 急需解决的问题之一。
发明内容
本发明的目的，就是为了解决上述问题而提供一种用于双足步行机器人的动态步
行控制方法，该控制方法可实现双足机器人在未知、非平整地面上的稳定行走。 本发明的目的是这样实现的 本发明公开了一种用于双足步行机器人的动态步行控制方法，所述双足步行机器 人具有12个机械自由度，还包括姿态传感器，力传感器和关节控制器，所述控制方法包括 运动规划系统、步行模式生成器和步行稳定器，该方法包括以下步骤
输入步骤在运动规划系统中设定步行参数，选择步行模式； 计算步骤步行模式生成器根据输入步骤中设定的步行参数和模式，进行姿态、步
态规划和计算，生成相应的关节动作序列并将其发送给相应的关节控制器； 控制步骤关节控制器根据计算步骤中得到的关节动作序列对关节进行运动伺服
控制； 修正步骤步行稳定器实时地将姿态传感器、力传感器及关节状态信息采集的信 息反馈至步行模式生成器，调整双足机器人的姿态和步态。 所述计算步骤中步行模式生成器进行的计算为逆运动学和逆动力学计算。
本发明采用姿态传感器及力传感器，电气系统采用无缆化设计，通过多传感器信
息融合技术，开发用于双足步行机器人的动态步行控制方法，设计地面反作用力控制、实际
ZMP控制及脚落地位置控制算法，对双足步行机器人的步态进行实时修正，实现在未知、非
平整地面上的稳定行走。
图1是本发明控制方法的流程图。
具体实施例方式
参见图l，首先运动规划系统1进行步行参数的设定，选择合适的步行模式，然后
3步行模式生成器2根据相应的步行模式进行上肢和下肢的姿态、步态规划，并进行逆运动
学、逆动力学计算，生成一系列关节动作序列，然后将动作序列发送给相应的关节控制器，
关节控制器根据发送来的动作序列实现对关节的运动伺服控制，并通过步行稳定器3将姿
态传感器、力传感器及关节状态信息适时反馈，以进行实时的步态修正。 虽然所规划的步行模式能够满足动态步行的约束，但是当机器人行走于未知的不
规则的粗糙地面上或者是被外力影响时，还是可能倾倒。当机器人开始倾倒时，身体也将会
倾斜。如果身体的姿态不及时恢复，身体倾斜增加，倾倒的力矩会变得很大。此外，为了连
续地步行，摆动腿应该准时落在地面上，太快或太慢都会引起机器人的倾倒。由此本发明还
包括了修正步骤，主要有步行稳定器来进行修正，该设备修正的方式包括地面反作用力控
制的修正、上身姿态控制的修正和脚落地位置控制的修正。 1.地面反作用力控制的修正作用为了恢复机器人的姿态，地面反作用力控制通 过调整每个脚的位姿把实际地面反作用力的合力的中心(C-ATGRF)移到想要达到的位置。
在单腿支撑阶段，机器人通过控制支撑脚的姿态在所要达到的ZMP周围的旋转， 对C-ATGRF进行控制。当机器人身体向前倾倒时，机器人降低支撑的脚的前端(脚尖)使 C-ATGRF前移，当机器人身体向后倾倒时，机器人降低支撑脚的后端(脚跟)使C-ATGRF后 移。双脚支撑阶段同理。此时，机器人可以看做是一个倒立摆。 当机器人处于倾斜地面时，机器人脚部的六轴力传感器可探测地面反作用力的变
化，地面反作用力控制利用这些变化控制C-ATGRF到适当的位置以产生适当的恢复力矩。 2.上身姿态控制的修正作用上身的姿态控制通过上身姿态传感器的反馈信息，
调整支撑腿前向和侧向所对应的各个关节，把上身的姿态调整到所期望的姿态。 3.脚落地位置控制的修正作用脚落地位置控制纠正上身和脚的相对位置。脚落
地位置控制主要是通过增加或减小步幅大小纠正上身和脚的相对位置，使其恢复到理想的
步行模式的位置。 以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人 员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的 技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。
权利要求
一种用于双足步行机器人的动态步行控制方法，所述双足步行机器人具有12个机械自由度，还包括姿态传感器，力传感器和关节控制器，所述控制方法包括运动规划系统、步行模式生成器和步行稳定器，该方法包括以下步骤输入步骤在运动规划系统中设定步行参数，选择步行模式；计算步骤步行模式生成器根据输入步骤中设定的步行参数和模式进行计算，生成相应的关节动作序列并将其发送给相应的关节控制器；控制步骤关节控制器根据计算步骤中得到的关节动作序列对关节进行运动伺服控制；修正步骤步行稳定器实时地将姿态传感器、力传感器及关节状态信息采集的信息反馈至步行模式生成器，调整双足机器人的姿态和步态。
2. 如权利要求1所述的用于双足步行机器人的动态步行控制方法，其特征在于，所述 计算步骤中步行模式生成器进行的计算为逆运动学和逆动力学计算。
全文摘要
本发明公开了一种用于双足步行机器人的动态步行控制方法，包括输入步骤、计算步骤、控制步骤和修正步骤。本发明采用姿态传感器及力传感器，电气系统采用无缆化设计，通过多传感器信息融合技术，开发用于双足步行机器人的动态步行控制方法，设计地面反作用力控制、实际ZMP控制及脚落地位置控制算法，对双足步行机器人的步态进行实时修正，实现在未知、非平整地面上的稳定行走。
文档编号G05D1/02GK101751037SQ200810203899
公开日2010年6月23日 申请日期2008年12月3日 优先权日2008年12月3日
发明者叶一枝, 李建, 李慕君, 杨军, 王景川, 陈卫东 申请人:上海电气集团股份有限公司;上海交通大学