[發明專利]仿人機器人及其步行控制方法

有效

• 申請號: 201110021731.0
• 申請日: 2011-01-14
• 公開（公告）號: CN102139714A
• 公開（公告）日: 2011-08-03
• 發明（設計）人: 權雄;樸重炅;李柱錫;盧昌賢;李珉炯;樸在浩;金柱亨;郭鎬成
• 申請（專利權）人: 三星電子株式會社
• 主分類號: B62D57/032
• 分類號: B62D57/032;G05B19/418
• 代理公司: 北京銘碩知識產權代理有限公司 11286
• 代理人: 韓明星;李娜娜

本申請要求于2010年1月18日提交到韓國知識產權局的第2010-0004285號韓國專利申請的權益，該申請公開的內容通過引用被包含于此。

技術領域

本發明的實施例涉及一種仿人機器人及其步行控制方法，該仿人機器人對安裝到每個關節的電機的扭矩進行伺服控制，以實現穩定的步行。

背景技術

對具有與人類的關節系統類似的關節系統的雙足步行機器人進行了研究，從而該機器人可被容易地應用于人類的工作，生存空間得到積極的引導。

這樣的雙足機器人的步行控制方法的示例包括基于位置的零力矩點(ZMP)步行控制方法、基于扭矩的動態步行控制方法以及有限狀態機(FSM)步行控制方法。

在基于ZMP的步行控制方法中，預先設置步行方向、步寬、步行速率等，利用ZMP約束條件來創建與預設項目對應的身體和腳的步行模式，并通過步行模式的逆向運動學計算來計算每條腿的關節位置軌跡。另外，基于ZMP的步行控制方法通過位置伺服控制來實現，以使每條腿的關節能夠跟蹤計算出來的關節位置軌跡。在步行過程中，控制每條腿的關節，以準確地跟蹤從步行模式所獲得的關節位置軌跡。

在基于ZMP的步行控制方法中，機器人在步行的同時不斷地彎曲其膝蓋，從而在通過逆向運動學計算每個關節的角度時避免了運動奇異性。因此，機器人可能不會像人類那樣自然地行走。

在基于ZMP的步行控制方法中，可準確地控制每個關節的位置，從而控制ZMP，因此，位置伺服控制增益高。所以，電機的電流高，因此能效低。另外，每個關節的剛度增加，因此，在與障礙物發生碰撞時，每個關節可能會將極大的沖擊力施加到障礙物。

在基于FSM的步行控制方法中，預先設置步行機器人的操作狀態(指示FSM的狀態)，并通過參照步行過程中的操作狀態來計算每個關節的扭矩，從而使機器人行走得當。

在基于FSM的步行控制方法中，機器人可通過改變步行過程中的操作狀態來采取各種姿勢。然而，由于在受約束的操作狀態下采取每個姿勢，因此執行用于保持機器人平衡的單獨操作，而不管用于執行任務的步行操作如何。平衡操作的典型示例為機器人跺腳的步進動作。由于這樣的操作而造成時間延遲和能量浪費。

仿人機器人被視為與周圍的環境相互影響，從而將基于FSM的步行施加到在保持平衡方面比四足機器人困難的仿人機器人，例如，雙足機器人。即，根據周圍的環境對機器人的操作狀態進行反饋，從而控制機器人的步行操作。

發明內容

本發明的一方面在于提供一種仿人機器人及其步行控制方法，該仿人機器人在基于有限狀態機(FSM)的步行控制過程中對安裝到每個關節的電機的扭矩進行伺服控制，以實現穩定的步行。

本發明的其他方面將在下面的描述中進行部分闡述，部分將通過描述而明白，或可通過本發明的實踐而了解。

根據本發明的一方面，一種仿人機器人包括：機器人關節單元，包括在機器人步行過程中可活動的關節，電機安裝到機器人關節單元的每個關節；傳感器單元，測量機器人的落地信息和姿勢信息；關節位置軌跡創建單元，利用機器人的落地信息和姿勢信息來創建每個關節的關節位置軌跡；關節位置軌跡補償值計算單元，計算關節位置軌跡補償值，以對每個關節的關節位置軌跡進行補償；關節扭矩計算單元，利用關節位置軌跡補償值對每個關節的關節位置軌跡進行補償，并根據每個關節的補償后的關節位置軌跡來計算每個關節的關節扭矩；關節扭矩補償值計算單元，計算關節扭矩補償值，以對每個關節的關節扭矩進行補償；關節扭矩伺服控制單元，利用關節扭矩補償值對每個關節的關節扭矩進行補償、計算電機電流以跟蹤每個關節的補償后的關節扭矩并根據計算出來的電機電流對電機的扭矩進行伺服控制。

所述傳感器單元可包括：多軸力和力矩(F/T)傳感器，用于測量機器人的落地狀態；姿勢傳感器，用于測量機器人的姿勢。

所述關節位置軌跡創建單元可包括：多個狀態機，在仿人機器人的左腳或右腳落地時交替地進行操作；關節位置軌跡計算器，根據所述多個狀態機之間的切換情況來確定左腳或右腳的落地狀態，從而計算每個關節的關節位置軌跡。

關節扭矩計算單元可包括第一位置運算器、第二位置運算器、第三位置運算器、比例增益控制器以及微分增益控制器，所述關節扭矩計算單元可計算由等式1所表示的每個關節的關節扭矩τ_d，

等式1