CN101298260B - 低功耗双足步行移动系统及其步行控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器人技术领域，特别涉及一种低功耗双足步行移动系统及其步行控制方法。本发明提出了用于所述双足步行移动系统的步行控制器(20)，其中，逻辑状态判断单元(22)通过行走状态检测单元(21)检测安装在足底和膝关节髌骨处的开关信号值，从而控制安装在膝关节的制动装置(14L和14R)松开或者锁闭，同时在髋关节(11)处施加一个间断的、参数化的开环振荡力矩，从而使得摆动大腿带动摆动小腿自然地向前迈步。通过改变振荡力矩参数单元(25)的参数，该系统可以对步幅和步速进行在线调节，实现行走模式转换。本发明充分利用了双足行走的被动特性和自稳定特性，行走步态自然节能，控制方法简单，制造成本低廉。

Description

低功耗双足步行移动系统及其步行控制方法

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种低功耗的双足步行移动系统及其步行控制方法。

背景技术

传统的机器人大多采用跟踪预设关节轨迹的主动控制方法，所有关节都采用高增益的位置伺服控制，虽然可实现类人行走和跑步，但能量消耗很高。例如，本田公司的ASIMO仿人机器人的行走能耗就是人类行走能耗的十倍以上。另一方面，被动行走系统是仅依靠重力来被动地转动机器人各个关节，因此能量消耗大为减少，并且具有自然稳定性；但完全被动行走系统只能在斜坡上行走，路况适应性差，在实际应用中并不实用。

一种有效的解决途径是融合主动行走和被动行走的优点，在少数几个关节上加上驱动，构建所谓的半被动行走机器人。但遗憾的是，目前的半被动行走机器人只能实现固定模式的单一行走步态，且非常容易摔倒。例如，美国康奈尔大学研制的半被动行走机器人Cornell Biped完成稳定行走的实验概率只有30％。而且，目前的半被动行走控制器或者需要实时检测机器人各关节的角度值，或者需要较复杂的在线计算。

实际上，行走在更多意义上是一种开环行为。人类一旦开始行走，就不再需要对行走进行有意识的控制，我们几乎注意不到推动我们身体向前移动的两条腿的交替性走路动作，也没有刻意检测我们身体每个关节的转角，更没有经过复杂的运动学和动力学计算。我们只需要在摆动腿落地后，原支撑腿以适当的力度抬腿迈步，就可以实现持续稳定的前行；通过调节抬腿迈步的力度，我们就可以自由地改变步幅和步速。人类之所以能够如此高效自由地行走是由于我们同时利用了双足行走的被动特性和开环自稳定特性。

发明内容

本发明提供了一种低功耗的双足步行移动系统，包括：

一对腿部，用髋关节进行连接，每个腿部由大腿和小腿组成，并由膝关节进行连接，每个小腿下端具有足部；驱动装置，其位于所述髋关节处；制动装置，其位于所述两个腿部的膝关节处，可将所述大腿和小腿锁在一起；检测装置，其用于检测所述足部与地面的接触信息和所述膝部是否伸直的信息；以及步行控制器，其基于检测装置所获得的信息控制所述驱动装置；

其特征在于：所述双足步行移动系统在行走的初始时刻必须具有一定的绕着支撑点的初始角动量，以保证双足步行移动系统能够成功迈步；所述步行控制器基于所述检测装置所获得的所述足部与地面的接触信息和所述膝部是否伸直的信息，松开或者锁闭膝关节处的制动装置，并在所述驱动装置处施加一个间断的、可由振幅、频率、相位和偏置四个参数确定的开环正弦振荡力矩，从而使得摆动大腿带动摆动小腿自然地向前迈步。

所述驱动装置采用伺服电机驱动，并工作在电流控制模式下，从而实现髋关节的直接力控制。

所述足部与小腿固结，且足底形状在行进平面和侧向平面内具有固定的曲率半径。

所述制动装置可通过电信号控制膝关节的松开或锁闭。

所述检测装置用于检测所述足部与地面的接触信息和所述膝部是否伸直的信息，不需要检测双足步行移动系统各关节的转角。

本发明还提供了一种用于所述低功耗双足步行移动系统的步行控制方法，其特征在于，所述步行控制器的振荡输出力矩是间断性输出：仅在摆动腿摆动过程的前一段时间内有效；在摆动腿摆动过程的后一段时间，所述步行控制器的输出力矩为零。

所述步行控制器的正弦振荡输出力矩的振幅、频率、相位和偏置参数可以调节，以改变步行移动系统的步幅和移动速度。

本发明的有益效果为：本发明只在髋关节处设有一个电机，其他关节充分利用双足行走的被动特性，行走步态自然节能，控制算法简单，制造成本低廉；充分利用了行走的自稳定特性，采用准开环的正弦振荡力矩控制方法，无需检测各个关节的角度和角速度，控制方法简单易用；行走过程的能耗低，行走效率与人类相近；通过调节振荡力矩的振幅、相位、频率和偏置四个参数，可对步幅和步速进行在线调节。本发明在腿式移动机器人领域和玩具机器人领域将有广泛的应用前景和开发潜力。

附图说明

图1为本发明所述的低功耗双足步行移动系统的机械构成示意图；

图2为图1中的双足步行移动系统的步行控制器示意图；

图3为所述低功耗的双足步行移动系统一个行走周期内的两种相态；

图4为所述步行控制器的控制逻辑图；

图5为用于计算能够成功行走所需要的最小初始角动量的变杆长、变转动惯量的倒摆模型；

图6为所述低功耗的双足步行移动系统支撑腿的极限环图；

图7为所述低功耗的双足步行移动系统各关节角度随时间变化曲线；

图8为图6和图7所对应的双足步行移动系统的行走棍图；

图9为所述双足步行移动系统的行走能量消耗随时间变化曲线；

图10为所述双足步行移动系统的行走模式转换过程的关节角度随时间变化情况；

图11为图10所对应的双足步行移动系统的行走棍图。

图中标号：

10-双足步行移动系统；11-髋关节；12L-左大腿；12R-右大腿；

13L-左膝关节；13R-右膝关节；14L-左腿制动装置；14R-右腿制动装置；

15L-左小腿；15R-右小腿；16L左足；16R-右足；17L-左腿

17R-右腿；20-步行控制器；21-行走状态检测单元；

22-逻辑状态判断单元；23-制动控制单元；24-电机控制单元；

25-振荡力矩参数单元。

具体实施方式

本发明提供了一种低功耗的双足步行移动系统其步行控制方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明：

图1为本发明所述的低功耗双足步行移动系统的机械构成示意图，双足步行移动系统10包含左腿17L和右腿17R，由髋关节11进行连接；左腿17L由左大腿12L和左小腿15L组成，由左膝关节13L进行连接，左小腿15L下端具有与其固结的左足16L；右腿17R由右大腿12R和右小腿15R组成，由右膝关节13R进行连接，右小腿15R下端具有与其固结的右足16R；所述左足16L和右足16R在行进平面和侧向平面具有固定的曲率半径；驱动装置位于髋关节11处；所述驱动装置采用伺服电机控制，并工作在电流控制模式下，从而实现髋关节的直接力控制；左制动装置14L位于左膝关节13L处，可将左大腿17L和左小腿15L锁在一起，右制动装置14R位于右膝关节13R处，可将右大腿17R和右小腿15R锁在一起；在所述双足步行移动系统左足16L、右足16R、左膝关节13L、右膝关节13R处设有接触开关形式的检测装置，用于检测所述足部与地面的接触信息(接触或未接触)和所述膝部是否伸直的信息(伸直或未伸直)。

图2为图1中的双足步行移动系统的步行控制器示意图，在图2中，步行控制器20设有用于获取双足步行移动系统行走状态的行走状态检测单元21、用于生成双足步行移动系统步行控制器当前逻辑状态的逻辑状态判断单元22、用于基于逻辑状态判断单元22的输出信息控制双足步行移动系统制动装置的制动控制单元23、用于控制髋关节电机电流的电机控制单元24以及用于设定电机控制单元23的振荡力矩参数单元25。双足步行移动系统10的坐标系采用xyz坐标系，所述xyz坐标系沿着行进方向为x轴正方向，沿着水平方向(内侧)为y轴正方向，沿着垂直向上方向为z轴的正方向。

行走状态检测单元21用于获取安装在双足步行移动系统足底和膝关节的接触开关传感器的信号值，从而确定双足步行移动系统的每条腿是否与地面接触和膝关节是否伸直。逻辑状态判断单元22根据行走状态检测单元21所获得的足部与地面的接触信息和膝部是否伸直的信息，判断并生成移动系统步行控制器的当前逻辑状态。制动控制单元23根据逻辑状态判断单元22的输出信息，控制处于支撑腿膝关节制动装置锁紧，控制处于摆动腿膝关节制动装置打开。电机控制单元24根据逻辑状态判断单元22的信息和振荡力矩参数单元25的信息生成一个间断的、可由振幅、频率、相位和偏置四个参数确定的开环正弦振荡力矩，从而使得摆动大腿带动摆动小腿自然地向前迈步。

图3给出了双足步行移动系统10在一个步行周期内的两个相态。相态1起始于摆动足与地面碰撞之后，此时支撑腿膝关节的制动装置锁死，摆动腿膝关节的制动装置松开，在髋关节处的振荡力矩带动下，摆动大腿带动摆动小腿向前迈步。当摆动大腿和摆动小腿处于同一条直线并发生碰撞后，相态2开始，此时支撑腿膝关节的制动装置继续锁死，摆动腿膝关节的制动装置也开始锁死。当摆动腿再次与地面接触发生碰撞后，步行系统又重新进入了相态1，如此反复循环。

图4为所述步行控制器的控制逻辑图，下面结合图4，进一步阐述本发明所述步行控制器20的控制算法。

如图4所示，矩形框内部的四个信号为行走检测单元21所获得的传感器信号值，从上至下分别为安装在左膝的接触开关信号值、安装在右膝的接触开关信号值、安装在左足底部的接触开关信号值和安装在右足底部的接触开关信号值。其中，0代表接触开关未被触碰，即：膝关节未伸直或足底未与地面接触；1代表接触开关被触碰，即：膝关节伸直或足底与地面接触。矩形框下面的三个信号为制动控制单元23和电机控制单元24的输出。

逻辑判断单元22根据图4矩形框内部的四个传感器信号的上升沿来触发制动控制单元23和电机控制单元24的输出。具体来讲，当左膝接触开关信号处于上升沿时，左膝制动装置14L锁闭，髋关节11的电机输出力矩为0；当右膝接触开关信号处于上升沿时，右膝制动装置14R锁闭，髋关节11的电机输出力矩为0；当左足接触开关信号值出现上升沿时，右膝制动装置14R打开，髋关节振荡力矩重新开始输出；当右足接触开关信号值出现上升沿时，左膝制动装置14L打开，髋关节振荡力矩重新开始输出。

髋关节振荡力矩可由振荡力矩参数单元25进行参数化调节，髋关节振荡力矩u_hip可以设计成如下形式：

式中A为振荡器振幅，f为振荡频率，T₀为摆动腿落地时刻，

为振荡器初始相位，B为振荡器偏置。其中A、f、

和B可由振荡力矩参数单元25确定。通过调节所述振荡力矩参数，双足步行移动系统可实现不同的行走步态。

由图4可知，髋关节振荡力矩是间断性输出的，仅在摆动腿摆动过程的前一段时间内有效，在摆动腿摆动过程的后一段时间，所述步行控制器的输出力矩为零。这样设计的目的是为了充分利用双足行走的被动特性，以达到节省能量的目的。需要说明的是，本发明所提出的双足步行系统的能量输入全部来自于髋关节的振荡力矩，而膝关节的制动装置并不做功。

由于足部无驱动器，因而双足步行移动系统在行走相态1的初始时刻必须具有一定的绕着支撑点的初始角动量，以保证双足步行移动系统能够成功迈步。下面描述行走相态1所应具有的最小初始角动量。

图5为用于计算能够成功行走所需要的最小初始角动量的变杆长、变转动惯量的倒摆模型，如图5所示，双足步行移动系统在行走任务空间可表示成一个具有变杆长、变转动惯量的倒立摆模型。根据动量矩定义和动量矩定理，有：

$\mathrm{\σ}=I\left(\mathrm{\θ}\right)\·\stackrel{.}{\mathrm{\θ}}---\left(2\right)$

$\stackrel{.}{\mathrm{\σ}}=\mathrm{mg}\·L\left(\mathrm{\θ}\right)\·\cos \mathrm{\θ}---\left(3\right)$

式中σ为双足步行系统绕着支撑点的角动量，θ为角度，I(θ)为转动惯量，L(θ)为杆长，mg为双足步行系统的总质量。

设θ₀和σ₀为初始角度和初始角动量，由式(2)和式(3)可知，任意时刻的角动量可以写成：

$\mathrm{\σ}=\sqrt{{\left({\mathrm{\σ}}_0\right)}^2+2{\∫}_{{\mathrm{\θ}}_0}^{\mathrm{\θ}}\mathrm{mg}\·L\left(\mathrm{\θ}\right)\·\cos \left(\mathrm{\θ}\right)\·I\left(\mathrm{\θ}\right)\mathrm{d\θ}}.---\left(4\right)$

又由于最小角动量发生在θ＝π/2处，因此，步行系统的初始角动量σ₀最小应为：

${\mathrm{\σ}}_0\≥\sqrt{-2{\∫}_{{\mathrm{\θ}}_0}^{\mathrm{\π}/2}\mathrm{mg}\·L\left(\mathrm{\θ}\right)\·\cos \left(\mathrm{\θ}\right)\·I\left(\mathrm{\θ}\right)\mathrm{d\θ}}---\left(5\right)$

在Matlab\Simulink下，对本发明所述的双足步行移动系统10及其步行控制器20进行的仿真试验。仿真试验采用符号推导自动获得双足步行移动系统的动力学模型，采用有限状态机实现相态1和相态2的转换控制。

图6为所述低功耗的双足步行移动系统支撑腿的极限环图，图7为所述低功耗的双足步行移动系统各关节角度随时间变化曲线。从图中可以看出，双足步行移动系统在行走若干步后，达到了一个稳定的极限环。

图8为图6和图7所对应的双足步行移动系统的行走棍图。

图9为所述双足步行移动系统的行走能量消耗随时间变化曲线。由图9可知，双足步行移动系统每步的能量消耗大约为0.19焦耳。为衡量本发明的行走效率，我们计算单位重量双足步行移动系统行走单位距离后所需要的能量：

人类行走单位距离后所需能量为c_mt≈0.05，传统的基于位置轨迹跟踪的双足步行移动系统的c_t≥0.5，其行走能耗是人类的10倍；而本发明所提出的双足步行系统的行走效率与人类相近。

图10为所述双足步行移动系统的行走模式转换过程的关节角度随时间变化情况，图11示出了图10所对应的双足步行移动系统行走棍图。通过改变振荡力矩参数(振荡偏置)，进而可以改变双足步行移动系统的行走模式。双足步行移动系统在第10s时，振荡力矩偏置由0.15Nm变成0.35Nm；其行走步长由0.1m变成0.2m。

Claims (7)

1.一种低功耗双足步行移动系统，包括：

一对腿部，用髋关节进行连接，每个腿部由大腿和小腿组成，并由膝关节进行连接，每个小腿下端具有足部；驱动装置，其位于所述髋关节处；制动装置，其位于所述两个腿部的膝关节处，可将所述大腿和小腿锁在一起；检测装置，其用于检测所述足部与地面的接触信息和所述膝部是否伸直的信息；以及步行控制器，其基于检测装置所获得的信息控制所述驱动装置；

其特征在于：所述双足步行移动系统在行走的初始时刻必须具有一定的绕着支撑点的初始角动量，以保证双足步行移动系统能够成功迈步；所述步行控制器基于所述检测装置所获得的所述足部与地面的接触信息和所述膝部是否伸直的信息，松开或者锁闭膝关节处的制动装置，并在所述驱动装置处施加一个间断的、可由振幅、频率、相位和偏置四个参数确定的开环正弦振荡力矩，从而使得摆动大腿带动摆动小腿自然地向前迈步。

2.根据权利要求1所述的低功耗双足步行移动系统，其特征在于，所述驱动装置采用伺服电机驱动，并工作在电流控制模式下，从而实现髋关节的直接力控制。

3.根据权利要求1所述的低功耗双足步行移动系统，其特征在于，所述足部与小腿固结，且足底形状在行进平面和侧向平面内具有固定的曲率半径。

4.根据权利要求1所述的低功耗双足步行移动系统，其特征在于，所述制动装置可通过电信号控制膝关节的松开或锁闭。

5.根据权利要求1所述的低功耗双足步行移动系统，其特征在于，所述检测装置用于检测所述足部与地面的接触信息和所述膝部是否伸直的信息，不需要检测双足步行移动系统各关节的转角。

6.一种用于如权利要求1所述的低功耗双足步行移动系统的步行控制方法，其特征在于，所述步行控制器的振荡输出力矩是间断性输出：仅在摆动腿摆动过程的前一段时间内有效；在摆动腿摆动过程的后一段时间，所述步行控制器的输出力矩为零。

7.根据权利要求6所述的低功耗双足步行移动系统的步行控制方法，其特征在于，所述步行控制器的正弦振荡输出力矩的振幅、频率、相位和偏置参数可以调节，以改变步行移动系统的步幅和移动速度。

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