[发明专利]步行机器人及其控制方法

说明书

技术领域

本公开的实施例涉及一种能够基于有限状态机(FSM)控制稳定步行的步行机器人以及该步行机器人的控制方法。

背景技术

近年来，已经积极地对步行机器人进行了大量的研究，这种步行机器人具有与人的关节系统相似的关节系统并被设计为在人的工作和生活空间中与人共存。这种步行机器人包括具有多条腿的多腿步行机器人，例如双足机器人或三足机器人，并且为了实现机器人的稳定步行，需要驱动位于机器人的各个关节处的诸如电动机和液压马达的致动器。致动器的驱动通常分为基于位置的零力矩点(ZMP)控制方法和基于扭矩的有限状态机(FSM)控制方法，其中，在零力矩点(ZMP)控制方法中，给出各个关节的命令角(即，命令位置)并控制各个关节以追踪命令角，在有限状态机(FSM)控制方法中，给出各个关节的命令扭矩并控制各个关节以追踪命令扭矩。

在ZMP控制方法中，预先设置机器人的步行方向、步行步幅和步行速度以满足ZMP约束(即，在支撑腿形成的支撑多边形内的安全区域中存在ZMP的条件，如果机器人由一条腿支撑，则安全区域表示腿的区域，如果机器人由两条腿支撑，考虑到安全，则安全区域表示被设置成具有在包括两条腿的区域的凸多边形内的小面积的区域)，创建与设置的因素对应的各条腿的步行图案，并基于步行图案计算各条腿的步行轨迹。此外，通过计算的步行轨迹的逆运动学计算来计算各条腿的关节的角，并基于各个关节的当前角和目标角计算各个关节的目标控制值。

ZMP控制方法是基于位置的控制方法并因而实现了精确的位置控制，但是为了控制ZMP对各个关节执行精确的角控制，因而需要高伺服增益。因此，ZMP控制方法需要高电流，并因此具有低的能效并且高的关节僵硬度(stiffness)。另外，为了从重力中心(COG)和脚的步行图案通过逆运动学计算各个关节的角，ZMP控制方法需要避免运动奇异，从而导致机器人具有不自然的步法，其膝盖的弯曲与人的膝盖弯曲不同。

通过伺服控制来实现基于扭矩的动态步行控制方法，从而在每个控制时间各条腿追踪计算的步行轨迹。即，在步行过程中，检测各条腿的位置是否根据步行图案精确地追踪了步行轨迹，如果一些腿偏离了步行轨迹，则调整电动机的扭矩使各条腿精确地追踪步行轨迹。

为了根据基于扭矩的动态步行控制方法实现稳定步行，需要解动态方程，但是设置有具有能够在空间的随机方向上实现六个自由度的腿的机器人的动态方程相当复杂。因此，基于扭矩的动态步行控制方法仅应用于设置有具有四个或更少的自由度的腿的机器人。

另一方面，在有限状态机(FSM)控制方法中，不是在每个控制时间追踪位置，而是预先限定机器人的操作状态，在步行过程中通过参照各个操作状态来计算各个关节的目标扭矩，并控制各个关节以追踪目标扭矩。这种FSM控制方法控制了各个关节在步行过程中的扭矩，因此能够实现低伺服增益，从而高能效和低僵硬度是可能的，因此相对于周围环境确保了安全性。此外，FSM控制方法不需要避免运动奇异，从而使得机器人具有更自然的步法，其伸直的膝盖与人的伸直的膝盖相似。

然而，根据预先限定的操作状态控制机器人的步行的FSM控制方法并不能适当地控制步行，因此机器人可能失去平衡。因此，需要一种可保持机器人的平衡而与步行运动无关的平衡动作。

发明内容

因此，本公开的一方面提供了一种根据基于FSM的步行控制方法能够实现使得在不平坦地形上步行稳定的平衡动作的步行机器人以及一种步行机器人的控制方法。

本公开的另外方面将在下面的描述中部分地阐明，并且通过描述部分将是显而易见楚的，或者通过本公开的实施可以被理解。

根据本公开的一个方面，一种设置有两条腿和设置在所述两条腿上的两只脚的步行机器人包括关节单元、地面角计算单元、补偿值计算单元、目标轨迹产生单元、目标扭矩计算单元和伺服控制单元。关节单元可设置在所述两条腿中的每条腿上。地面角计算单元可被配置成计算由地面和两只脚形成的地面角。补偿值计算单元可被配置成通过利用计算的地面角来计算关节单元的补偿值。目标轨迹产生单元可被配置成通过利用计算的补偿值来产生关节单元的目标轨迹。目标扭矩计算单元可被配置成计算关节单元的目标扭矩以追踪产生的目标轨迹。伺服控制单元可被配置成通过将计算的目标扭矩传输到关节单元来控制机器人的步行。

关节单元可包括设置在所述两条腿中的每条腿上的髋关节、膝关节和踝关节。