[发明专利]仿人机器人及其步行控制方法

说明书

本申请要求于2010年1月18日提交到韩国知识产权局的第2010-0004285号韩国专利申请的权益，该申请公开的内容通过引用被包含于此。

技术领域

本发明的实施例涉及一种仿人机器人及其步行控制方法，该仿人机器人对安装到每个关节的电机的扭矩进行伺服控制，以实现稳定的步行。

背景技术

对具有与人类的关节系统类似的关节系统的双足步行机器人进行了研究，从而该机器人可被容易地应用于人类的工作，生存空间得到积极的引导。

这样的双足机器人的步行控制方法的示例包括基于位置的零力矩点(ZMP)步行控制方法、基于扭矩的动态步行控制方法以及有限状态机(FSM)步行控制方法。

在基于ZMP的步行控制方法中，预先设置步行方向、步宽、步行速率等，利用ZMP约束条件来创建与预设项目对应的身体和脚的步行模式，并通过步行模式的逆向运动学计算来计算每条腿的关节位置轨迹。另外，基于ZMP的步行控制方法通过位置伺服控制来实现，以使每条腿的关节能够跟踪计算出来的关节位置轨迹。在步行过程中，控制每条腿的关节，以准确地跟踪从步行模式所获得的关节位置轨迹。

在基于ZMP的步行控制方法中，机器人在步行的同时不断地弯曲其膝盖，从而在通过逆向运动学计算每个关节的角度时避免了运动奇异性。因此，机器人可能不会像人类那样自然地行走。

在基于ZMP的步行控制方法中，可准确地控制每个关节的位置，从而控制ZMP，因此，位置伺服控制增益高。所以，电机的电流高，因此能效低。另外，每个关节的刚度增加，因此，在与障碍物发生碰撞时，每个关节可能会将极大的冲击力施加到障碍物。

在基于FSM的步行控制方法中，预先设置步行机器人的操作状态(指示FSM的状态)，并通过参照步行过程中的操作状态来计算每个关节的扭矩，从而使机器人行走得当。

在基于FSM的步行控制方法中，机器人可通过改变步行过程中的操作状态来采取各种姿势。然而，由于在受约束的操作状态下采取每个姿势，因此执行用于保持机器人平衡的单独操作，而不管用于执行任务的步行操作如何。平衡操作的典型示例为机器人跺脚的步进动作。由于这样的操作而造成时间延迟和能量浪费。

仿人机器人被视为与周围的环境相互影响，从而将基于FSM的步行施加到在保持平衡方面比四足机器人困难的仿人机器人，例如，双足机器人。即，根据周围的环境对机器人的操作状态进行反馈，从而控制机器人的步行操作。

发明内容

本发明的一方面在于提供一种仿人机器人及其步行控制方法，该仿人机器人在基于有限状态机(FSM)的步行控制过程中对安装到每个关节的电机的扭矩进行伺服控制，以实现稳定的步行。

本发明的其他方面将在下面的描述中进行部分阐述，部分将通过描述而明白，或可通过本发明的实践而了解。

根据本发明的一方面，一种仿人机器人包括：机器人关节单元，包括在机器人步行过程中可活动的关节，电机安装到机器人关节单元的每个关节；传感器单元，测量机器人的落地信息和姿势信息；关节位置轨迹创建单元，利用机器人的落地信息和姿势信息来创建每个关节的关节位置轨迹；关节位置轨迹补偿值计算单元，计算关节位置轨迹补偿值，以对每个关节的关节位置轨迹进行补偿；关节扭矩计算单元，利用关节位置轨迹补偿值对每个关节的关节位置轨迹进行补偿，并根据每个关节的补偿后的关节位置轨迹来计算每个关节的关节扭矩；关节扭矩补偿值计算单元，计算关节扭矩补偿值，以对每个关节的关节扭矩进行补偿；关节扭矩伺服控制单元，利用关节扭矩补偿值对每个关节的关节扭矩进行补偿、计算电机电流以跟踪每个关节的补偿后的关节扭矩并根据计算出来的电机电流对电机的扭矩进行伺服控制。

所述传感器单元可包括：多轴力和力矩(F/T)传感器，用于测量机器人的落地状态；姿势传感器，用于测量机器人的姿势。

所述关节位置轨迹创建单元可包括：多个状态机，在仿人机器人的左脚或右脚落地时交替地进行操作；关节位置轨迹计算器，根据所述多个状态机之间的切换情况来确定左脚或右脚的落地状态，从而计算每个关节的关节位置轨迹。

关节扭矩计算单元可包括第一位置运算器、第二位置运算器、第三位置运算器、比例增益控制器以及微分增益控制器，所述关节扭矩计算单元可计算由等式1所表示的每个关节的关节扭矩τ_d，

等式1