[發明專利]仿人機器人控制單腳支撐期支撐腳板的方法和裝置

無效

• 申請號: 201310023096.9
• 申請日: 2013-01-22
• 公開（公告）號: CN103042526A
• 公開（公告）日: 2013-04-17
• 發明（設計）人: 黃強;李敬;馬淦;余張國;陳學超;張思;王化平
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域：

本發明涉及一種仿人機器人控制單腳支撐期支撐腳板旋轉增加步幅的方法和裝置，屬于機器人技術領域。

背景技術：

行走速度的提高一直是仿人機器人領域研究的熱點和難點。行走速度的提高可以通過增加步幅和提高行走頻率來實現。行走頻率的提高對仿人機器人機械結構的剛性、驅動元件的驅動能力要求較高，對于相關學科的綜合要求和依賴性較強。目前，行走步幅的增加主要通過增加下肢長度來實現。

仿人機器人的行走步態設計方法通常將零力矩點設定在支撐腳與地面的接觸區域(支撐區域)內以保證仿人機器人在行走過程中支撐腳與地面完全接觸，不發生旋轉。

零力矩點的定義是假定仿人機器人支撐腿的足底壓力可以被作用在足底某一點的合適的支撐反作用力表示，那么在地面接觸面內的該點上，機器人受到的所有作用力及力矩的合力矩在水平面內的分量為零。即零力矩點是兩足步行過程中足部和地面接觸所受作用力的合力的中心點。如果機器人的零力矩點落在支撐腳與地面接觸形成的凸多邊形支撐區域內，仿人機器人旋轉合力矩在水平面內的分量為零,理論上仿人機器人在兩足步行過程中不會發生旋轉，否則就會使機器人產生繞水平面的旋轉，如圖1所示。

但是，人類在快速行走的單腳支撐期具有支撐腳旋轉的過程。根據人體行走的相關規律，行走速度越高，單腳支撐期所占比例越高。單腳支撐期在人類行走過程中所占時間比例高、前進距離大，因此單腳支撐期對人類行走速度影響較大。支撐腳旋轉可以增大步幅和單腳支撐期的前進距離，從而提高行走速度。

現有技術中教導了一種具有支撐腳旋轉相位的雙足機器人行走方法。在該方法中,仿人機器人在單腳支撐期具有旋轉相位。但是，該方法是通過將足部旋轉指示點(Foot?Rotation?Indicator,FRI)嚴格控制在支撐腳前面實現的,該方法并沒有說明旋轉程度與足部旋轉指示點(FRI)位置和步幅變化的關系,并且實現方法較為復雜。

現有技術中教導了一種支撐腳旋轉的軌跡優化方法。在該方法中，仿人機器人在單腳支撐期具有旋轉相位，仿人機器人的零力矩點被控制在腳尖處。該方法僅研究了如何通過支撐腳旋轉實現節省能量等目標，沒有涉及如何通過將零力矩點設定在支撐區域外使支撐腳旋轉以獲得期望的步長增加量。

在對現有技術進行調研和探索后，發明人提出了一種仿人機器人控制單腳支撐期支撐腳板旋轉增加行走步幅的方法和裝置。與現有方法中將零力矩點設定在支撐區域內以防止機器人產生旋轉不同的是，本發明將零力矩點設定在支撐區域外，使機器人產生期望的旋轉來增加步幅，這種超出支撐區域的零力矩點可以稱為虛擬零力矩點。零力矩點與虛擬零力矩點的計算方法相同，只是被設定在支撐區域外。本發明通過將虛擬零力矩點設定在支撐區域外，使仿人機器人單腳支撐期實現可調整的旋轉，能夠增加仿人機器人行走步幅和速度，且方法簡單，可行。

發明內容：

針對現有技術中存在的問題，本發明的目的在于提供一種仿人機器人控制單腳支撐期支撐腳板旋轉增加步幅的方法和裝置，能夠簡單、有效地提高仿人機器人行走速度。

本發明采用的技術方案如下：

一種仿人機器人控制單腳支撐期支撐腳板旋轉增加步幅的方法，包括：

計算虛擬零力矩點并檢測支撐腳板旋轉角度的步驟；

確定支撐腳板旋轉角度的步驟；

確定虛擬零力矩點位置的步驟；

限制虛擬零力矩點位置的步驟；

根據上述步驟，通過計算虛擬零力矩點的公式，設定虛擬零力矩點相對于支撐區域邊界的距離d，使仿人機器人在單腳支撐期旋轉一定的角度θ，從而增大行走的步幅ΔD與速度，有利于快速行走的實現。

優選地，計算虛擬零力矩點并檢測支撐腳板旋轉角度的步驟中，所述虛擬零力矩點與所述零力矩點計算方法相同，包括：

在每個控制周期內計算虛擬零力矩點位置：