CN101531006B - 双足机器人动力式行走方法 - Google Patents

Abstract

双足机器人的动力式行走方法属于机器人行走方法技术领域，其特征在于，是一种在开环控制条件下能万向行走的双足机器人动力式行走方法，在上位机控制下，按照前进、侧摆和侧移、以及旋转行走三种不同的动力行走方式，分别控制安装在所述双足机器人髋关节、膝关节、踝关节的伺服电机。根据每个周期下每个计算步长Δt内运动角度与行走次数之间的关系计算每个步长下的不同运动方式时的角度，并据此来控制各个所述伺服电机的转角，来满足动力式平稳行走的条件，相应地提出了设定状态下各个关节运动角度的控制方法。本发明具有能万向地平稳行走的优点。

Description

双足机器人动力式行走方法

技术领域

本发明涉及双足机器人动力式行走方法，尤其涉及实现双足机器人快速行走的一种开环控制方法。

背景技术

目前，双足机器人的行走方法主要包括静态行走，ZMP行走，以及极限环行走。其中静态行走是出现最早的也是最基础的一种行走方法，其要求行走过程中机器人的质心始终保持在地面上双脚构成的多边形以内。这种方法很容易保持机器人的稳定，但也极大的限制了机器人的行走速度。ZMP行走要求机器人的零矩点始终保持在双脚构成的多边形以内，这种方法在一定程度上比静态行走减少了人为约束，因此在一些机器人上实现了较高速度的行走。目前，ZMP行走的成功实例包括本田公司的ASIMO，东京大学的HRP3，以及索尼公司的Qrio等。但是与传统工业机器人相似，ZMP行走仍然采用了较多的人为约束，因此在能量效率，行走速度，抗干扰能力，以及步态自然性等方面很难再有突破。

极限环行走是近年来出现的一种新的行走理念，它的提出受到了人类行走的启发，要求周期性的步态序列是轨道稳定的，即步态序列可以在状态空间中形成一个稳定的极限环，但在步态周期中的任意瞬时并不具备局部稳定性。这种方法对机器人的人为约束较少，充分地利用了机器人自身的动力学特性，因而具有较大的空间提高机器人的能量效率，行走速度，以及抗干扰能力。目前，采用极限环行走原理的成功实例包括MIT的Spring Flamingo及其虚拟模型控制方法，法国科学院的Rabbit及其混合零动力学控制方法，Geng等人的RunBot及其中枢神经控制方法，以及CMU的双足机器人及其再励学习方法等。这些机器人在行走速度，能量效率，以及抗干扰能力等方面实现了较大的突破，但步态生成方法较为繁琐，有些则需要使用机器学习，对实验环境的要求较高。

被动行走是极限环行走的一种典型范例，机器人沿微倾的斜坡向下行走，不需要施加任何控制，斜坡提供的重力势能转化为机器人行走所需的动能。被动行走生成的步态非常自然，能量效率可以达到人类的水平，约是ZMP行走机器人ASIMO的十几分之一。为了将被动行走在平地实现，Cornell大学使用了在机器人脚踝处增加激励的方法，在每步摆动腿与地面发生碰撞后脚掌蹬地，为行走注入能量。Deflt大学则采用了在摆动腿与地面碰撞前加紧髋关节的做法，同样达到了补入能量的目的。但是以上两种方法的能量补入时机均位于碰撞时刻前后，能量为瞬时补入，要求具有极高的能量密度，因此在很大程度上限制了机器人的行走速度，同时这种能量补入方法会给步态造成较大的扰动，降低了行走的稳定性。

本发明所述的双足机器人行走方法以被动行走为基础，通过在支撑腿前摆过程中伸直支撑腿膝关节逐渐提高机器人的重心，补入重力势能。这种方法与Cornell大学及Deflt大学的做法相比，极大的降低了对能量密度的要求，同时消除了在摆动腿与地面碰撞瞬间补入能量对行走稳定性造成的影响，因此能够使机器人达到较高的行走速度及稳定性。与其他极限环行走方法相比，本方法只需要开环控制，实现简单且计算量非常小，因此适用于对实时性要求较高的场合。

发明内容

本发明的目的在于提出一种在开环控制条件下能万向行走的双足机器人动力式行走方法。

本发明的特征之一在于，依次含有以下步骤：

步骤(1)构造一个双足机器人，如图3所示，其步骤如下：

步骤(1.1)，建立驱干1与第一大腿6以及第二大腿7的连接，该驱干1与两个旋转自由度电机2和3分别固定，驱干1与两个侧摆电机4和5分别固定，再把所述电机2、4与第一大腿6固定，所述电机3、5与第二大腿7固定，

步骤(1.2)，建立所述第一大腿6与第一小腿12以及第二大腿7与第二小腿13的连接，该第一大腿6与第一大腿的前摆电机8固定，该前摆电机8与第一小腿的前摆电机10固定，该前摆电机10与第一小腿12固定，第二大腿7与第二大腿的前摆电机9固定，该前摆电机9与第二小腿的前摆电机11固定，该前摆电机11与第二小腿13固定，

步骤(1.3)，建立所述第一小腿12与第一脚板16以及第二小腿13与第二脚板17的连接，该第一小腿12与第一脚踝的侧摆电机14固定，该侧摆电机与第一脚板16固定，第二小腿13与第二脚踝的侧摆电机15固定，该侧摆电机与第二脚板17固定，

步骤(1.4)，在步骤(1.1)、步骤(1.2)、步骤(1.3)中所述的10个电机均采用伺服电机，用S_rotate1，S_rotate2分别表示电机2和3的角度，S_hipLat1，S_hipLat2分别表示电机4和5的角度，S_hipSag1，S_hipSag2分别表示电机8和9的角度，S_knee1，S_knee2分别表示电机10和11的角度，S_ankle1，S_ankle2分别表示电机14和15的角度，

步骤(1.5)，该步骤(1.1)、步骤(1.2)、步骤(1.3)中所述各个电机的控制信号输入端分别与一个上位机的控制信号输出端相连；

步骤(2)，在所述上位机内设定一个步态周期T，所述步态周期T是指每一步的开始时刻t＝0到碰撞时刻t＝T所经历的时间，t＝0表示所述第二大腿(7)的摆动腿离地的瞬间，t＝T标志一个步态周期结束，下一个步态周期开始，此时，所述第二大腿(7)的摆动腿变为支撑腿，而步态周期T时的支撑腿变为摆动腿，

在T内所述机器人具有以下行走参数，0.2s＜T＜0.5s，取初始值T＝0.3s，所述步态周期T指从一步开始时刻到碰撞所经历的时间，其中，开始时刻t＝0是指视作第二大腿的摆动腿离地的瞬间，碰撞是指摆动腿与地面发生碰撞，该碰撞时刻t＝T，表示一个步态周期的结束，下一步态周期开始，此时视为第二大腿的摆动腿变为支撑腿，而前一个步态周期的支撑腿变为摆动腿，所述行走参数包括：θ、α、β，单位为角度，如图1所示，其中：θ为等效支撑腿18与等效摆动腿19之间的夹角；α为所述支撑腿大腿6与等效支撑腿4之间的夹角；β为所述摆动腿大腿7与等效摆动腿19之间的夹角；当所述等效摆动腿19位于等效支撑腿18之前时，θ＞0，之后时θ＜0；当所述支撑腿的膝关节弯曲时α＞0，支撑腿膝关节伸直时α＝0；当所述摆动腿的膝关节弯曲时β＞0，摆动腿膝关节伸直时β＝0；

步骤(3)，在上位机中，按以下步骤可以实现机器人的前向行走：

步骤(3.1)，在所述的前向平面行走中，在所述的一个步态周期T内，设定以下3个关键帧：

第一关键帧，位于t＝0时，决定机器人一步的初始姿态，其中：θ＝-θ₀，θ₀为一非负常数，表示t＝0时所述两条等效腿之间的夹角，决定步幅大小，0°≤θ₀≤60°，取初始值θ₀＝30°；α＝α₀，α₀为一非负常数，表示t＝0时所述支撑腿大腿6相对于等效支撑腿大腿18的旋转角度，取初始值α₀＝θ₀/2；β＝0°，表示摆动膝关节伸直，

第二关键帧，位于t＝T/2时，其中：θ＝0°，表示所述等效支撑腿18与等效摆动腿19平行；α＝α₀，与第一关键帧中的α相同，表示等效支撑腿18的长度在第一关键帧和第二关键帧之间保持不变；β＝β₀，β₀为一非负常数，表示一步中间时刻作为摆动腿的第二大腿7相对于等效摆动腿19的旋转角度，以防止一步行走过程中摆动腿小腿与地面相碰，所述β₀在α₀+5°＜β₀＜α₀+25°中选取，设β₀＝α₀+15°，决定摆动腿小腿13末端的抬高高度，

第三关键帧，位于t＝T时，决定碰撞时刻的机器人姿态，其中：θ＝θ₀，表示碰撞时刻两等效腿之间的夹角；α＝0°，表示支撑腿膝关节伸直，为行走补入能量；β＝α₀，表示摆动腿膝关节弯曲，准备与地面碰撞，在t＝T时发生碰撞，

步骤(3.2)，所述上位机依次按以下步骤控制所述机器人行走，行走步数为n，每行走一步用一个步态周期T：

步骤(3.2.1)，设定：T＝0.3s，以及在所述三个关键帧的时刻t＝0，t＝T/2，t＝T时所述θ、α、β的值，

步骤(3.2.2)，设定Δt为计算步长，i为计算次数，行走时i从0开始，按下式计算每隔Δt时间所述θ、α、β的值，从而得到θ＝f_θ(t)、α＝f_α(t)、β＝f_β(t)三条曲线，变量θ、α、β关于t的一阶导数连续，

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&theta;}=-{\mathrm{\&theta;}}_0\cos \frac{\mathrm{\&pi;\&Delta;t}}{T}i,\\ \mathrm{\&alpha;}={\mathrm{\&alpha;}}_0,\\ \mathrm{\&beta;}=-\frac{{\mathrm{\&beta;}}_0}{2}\cos \frac{2\mathrm{\&pi;\&Delta;t}}{T}i+\frac{{\mathrm{\&beta;}}_0}{2},\end{array}\right.,0\&le;\mathrm{\&Delta;t}\&CenterDot;i\mathrm{mod}T<\frac{T}{2}---\left(1\right)$

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&theta;}=-{\mathrm{\&theta;}}_0\cos \frac{\mathrm{\&pi;\&Delta;t}}{T}i,\\ \mathrm{\&alpha;}=-\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_0}{2}\cos \frac{2\mathrm{\&pi;\&Delta;t}}{T}i+\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_0}{2},\\ \mathrm{\&beta;}=-\frac{{\mathrm{\&beta;}}_0-{\mathrm{\&alpha;}}_0}{2}\cos \frac{2\mathrm{\&pi;\&Delta;t}}{T}i+\frac{{\mathrm{\&beta;}}_0+{\mathrm{\&alpha;}}_0}{2},\end{array}\right.,\frac{T}{2}\&le;\mathrm{\&Delta;t}\&CenterDot;i\mathrm{mod}T<T---\left(2\right)$

步骤(3.2.3)，在所述上位机中，按下式计算当步数为n时，以所述行走参数θ，α，β为变量，所述机器人中各个电机的旋转角度，以实现双足机器人的行走控制，公式中当n为奇数时，S_hipSag1、S_knee1分别为所述支撑腿髋关节和膝关节的角度，S_hipSag2、S_knee2分别为所述摆动腿髋关节和膝关节的角度，当n为偶数时，S_hipSag2、S_knee2分别为所述支撑腿髋关节和膝关节的角度，S_hipSag1、S_knee1分别为所述摆动腿髋关节和膝关节的角度，也就是说当n由奇数变为该奇数加1所形成的偶数时，作为第一大腿的支撑腿与作为第二大腿的摆动腿在一步行走结束后互换，

$\left\{\begin{array}{c}{S}_{\mathrm{hipSag}1}=-\frac{1}{2}\mathrm{\&theta;}+\mathrm{\&alpha;},\\ S_{\mathrm{hipSag}2}=\frac{1}{2}\mathrm{\&theta;}+\mathrm{\&beta;},\\ S_{\mathrm{knee}1}=2\mathrm{\&alpha;},\\ S_{\mathrm{knee}2}=2\mathrm{\&beta;},\end{array}\right.,n=\mathrm{1,3,5,7,9}...---\left(3\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{S}_{\mathrm{hipSag}1}=\frac{1}{2}\mathrm{\&theta;}+\mathrm{\&alpha;},\\ S_{\mathrm{hipSag}2}=-\frac{1}{2}\mathrm{\&theta;}+\mathrm{\&beta;},\\ S_{\mathrm{knee}1}=2\mathrm{\&beta;},\\ S_{\mathrm{knee}2}=2\mathrm{\&alpha;},\end{array}\right.,n=\mathrm{2,4,6,8,10}...---\left(4\right)$

以上所述的β₀按以下方式取值：当θ₀＞40°时，α₀+20°＜β₀＜α₀+25°，当θ₀＜10°时，α₀+5°＜β₀＜α₀+10°，当10°＜θ₀＜40°时，α₀+10°＜β₀＜α₀+20°，

若操作人员发现以下情况，予以分别处理：如所述机器人从t＝0时开始行走后向前摔倒，说明α₀过大，补入的能量过大，使α₀减1°，如此重复，直到该机器能够行走为止；如所述机器人身体后倾，说明碰撞时刻过晚，使α₀加0.2°，如此重复，直到碰撞时机器人身体竖起为止。

本发明的特征之二在于，依次含有以下步骤：

步骤(1)构造一个双足机器人，如图3所示，其步骤如下：

步骤(1.1)，建立驱干1与第一大腿6以及第二大腿7的连接，该驱干1与两个旋转自由度电机2和3分别固定，驱干1与两个侧摆自由度电机4和5分别固定，再把所述电机2、4与第一大腿6固定，所述电机3、5与第二大腿7固定，

步骤(1.2)，建立所述第一大腿6与第一小腿12以及第二大腿7与第二小腿13的连接，该第一大腿6与第一大腿的前摆电机8固定，该前摆电机8与第一小腿的前摆电机10固定，该前摆电机10与第一小腿12固定，第二大腿7与第二大腿的前摆电机9固定，该前摆电机9与第二小腿的前摆电机11固定，该前摆电机11与第二小腿13固定，

步骤(1.3)，建立所述第一小腿12与第一脚板16以及第二小腿13与第二脚板17的连接，该第一小腿12与第一脚踝的侧摆电机14固定，该侧摆电机与第一脚板16固定，第二小腿13与第二脚踝的侧摆电机15固定，该侧摆电机与第二脚板17固定，

步骤(1.4)，在步骤(1.1)、步骤(1.2)、步骤(1.3)中所述的10个电机均采用伺服电机，用S_rotate1，S_rotate2分别表示电机2和3的角度，S_hipLat1，S_hipLat2分别表示电机4和5的角度，S_hipSag1，S_hipSag2分别表示电机8和9的角度，S_knee1，S_knee2分别表示电机10和11的角度，S_ankle1，S_ankle2分别表示电机14和15的角度，

步骤(1.5)，该步骤(1.1)、步骤(1.2)、步骤(1.3)中所述各个电机的控制信号输入端分别与一个上位机的控制信号输出端相连；

步骤(2)，在所述上位机内设定一个步态周期T，在T内所述机器人具有以下行走参数，0.2s＜T＜0.5s，取初始值T＝0.3s，所述步态周期T指从一步开始时刻到碰撞所经历的时间，其中，开始时刻t＝0是指视作第二大腿的摆动腿离地的瞬间，碰撞是指摆动腿与地面发生碰撞，该碰撞时刻t＝T，表示一个步态周期的结束，下一步态周期开始，此时视为第二大腿的摆动腿变为支撑腿，而前一个步态周期的支撑腿变为摆动腿，所述行走参数包括：

γ、φ，单位为角度，如图2所示，其中：

为所述等效左腿20与等效右腿21在侧向平面的夹角；γ为所述等效左腿20与等效右腿21的夹角

的角平分线与竖直方向的夹角；当所述两条等效腿向两侧分开时

当所述夹角

的角平分线在竖直方向左侧时，γ＞0，当所述夹角

的角平分线在竖直方向右侧时，γ＜0；当所述等效左腿(20)在竖直方向左侧时，φ＞0，当所述等效左腿(20)在竖直方向右侧时，φ＜0，或当所述等效右腿(21)在竖直方向右侧时，φ＞0，当所述等效右腿(21)在竖直方向左侧时，φ＜0；

步骤(3)，在上位机中，按以下步骤可以实现机器人的侧向行走：

步骤(3.1)，侧向给定一个固定的两条腿的夹角

为一个正的常数，表示等效左腿和等效右腿在侧向平面的固定的夹角，用来保持机器人的稳定，

步骤(3.2)，在所述侧摆的运动中，决定机器人运动的关键角度是γ，在所述连续两个步态周期T/2至5T/2内设置以下3个关键帧：

第一关键帧：位于t＝T/2时，决定机器人侧摆的初始姿态，其中，γ＝γ₀，γ₀为一个常数，表示t＝T/2时，身体侧摆的角度，-5°＜γ₀＜5°，取初始值γ₀＝0°，

第二关键帧：位于t＝3T/2时，决定机器人一步侧摆的终止状态，其中，γ＝-γ₀，表示t＝3T/2时身体侧摆的角度，

第三关键帧：位于t＝5T/2时，决定机器人第二步侧摆的终止状态，其中，γ＝γ₀，表示t＝5T/2时身体侧摆的角度，

步骤(3.3)，设定Δt为计算步长，i为计算次数，行走时i从0开始，按下式计算每隔Δt时间所述γ的值，从而得到γ＝f_γ(t)曲线，变量γ关于t的一阶导数连续，

$\mathrm{\&gamma;}{=\mathrm{\&gamma;}}_0\sin \frac{\mathrm{\&pi;\&Delta;t}}{T}i---\left(5\right)$

步骤(3.4)，在所述侧移的运动中，决定机器人运动的关键角度是φ。在所述连续两个步态周期0至2T内设置以下3个关键帧：

第一关键帧：位于t＝0时，决定机器人侧移的初始姿态，φ＝φ₀，φ₀为一个常数，表示t＝0时，两条等效腿在侧向平面的张角，-10°＜φ₀＜10°，取初始值φ₀＝0°，

第二关键帧：位于t＝T时，决定机器人侧移一步的末状态，φ＝-φ₀，表示t＝T时，两条等效腿在侧向平面的张角，

第三关键帧：位于t＝2T时，决定机器人侧移两步的末状态，φ＝φ₀，表示t＝2T时，两条等效腿在侧向平面的张角，

步骤(3.5)，设定Δt为计算步长，i为计算次数，行走时i从0开始，按下式计算每隔Δt时间所述φ的值，从而得到φ＝f_φ(t)曲线，变量φ关于t的一阶导数连续，

$\mathrm{\&phi;}={\mathrm{\&phi;}}_0\cos \frac{\mathrm{\&pi;\&Delta;t}}{T}i---\left(6\right)$

步骤(3.6)，在所述上位机中，按下式计算当步数为n时，以所述行走参数

γ，φ为变量，所述机器人中各个电机的旋转角度，以实现双足机器人的行走控制，S_hipLat1、S_ankle1分别为所述左腿髋关节侧摆和踝关节的角度，S_hipLat2、S_ankle2分别为所述右腿髋关节侧摆和踝关节的角度

本发明的特征之三在于，依次含有以下步骤：

步骤(1)构造一个双足机器人，如图3所示，其步骤如下：

步骤(1.1)，建立驱干1与第一大腿6以及第二大腿7的连接，该驱干1与两个旋转自由度电机2和3分别固定，驱干1与两个侧摆自由度电机4和5分别固定，再把所述电机2、4与第一大腿6固定，所述电机3、5与第二大腿7固定，

步骤(1.2)，建立所述第一大腿6与第一小腿12以及第二大腿7与第二小腿13的连接，该第一大腿6与第一大腿的前摆电机8固定，该前摆电机8与第一小腿的前摆电机10固定，该前摆电机10与第一小腿12固定，第二大腿7与第二大腿的前摆电机9固定，该前摆电机9与第二小腿的前摆电机11固定，该前摆电机11与第二小腿13固定，

步骤(1.3)，建立所述第一小腿12与第一脚板16以及第二小腿13与第二脚板17的连接，该第一小腿12与第一脚踝的侧摆电机14固定，该侧摆电机与第一脚板16固定，第二小腿13与第二脚踝的侧摆电机15固定，该侧摆电机与第二脚板17固定，

步骤(1.4)，在步骤(1.1)、步骤(1.2)、步骤(1.3)中所述的10个电机均采用伺服电机，用S_rotate1，S_rotate2分别表示电机2和3的角度，S_hipLat1，S_hipLat2分别表示电机4和5的角度，S_gipSag1，S_hipSag2分别表示电机8和9的角度，S_knee1，S_knee2分别表示电机10和11的角度，S_ankle1，S_ankle2分别表示电机14和15的角度，

步骤(1.5)，该步骤(1.1)、步骤(1.2)、步骤(1.3)中所述各个电机的控制信号输入端分别与一个上位机的控制信号输出端相连；

步骤(2)，在所述上位机内设定一个步态周期T，所述步态周期T是指每一步的开始时刻t＝0到碰撞时刻t＝T所经历的时间，t＝0表示所述第二大腿(7)的摆动腿离地的瞬间，t＝T标志一个步态周期结束，下一个步态周期开始，此时，所述第二大腿(7)的摆动腿变为支撑腿，而步态周期T时的支撑腿变为摆动腿，所述行走参数包括：λ，单位为角度，如图4所示，其中：λ为所述第一脚板16在旋转方向与身体前向的夹角；或所述第二脚板17在旋转方向与身体前向的夹角，当所述脚16在旋转平面内向外侧旋转时λ＞0；当所述脚16在旋转平面上向正前方时，λ＝0，当所述脚16在旋转平面内向内侧旋转时λ＜0；当所述脚17在旋转平面内向外侧旋转时，λ＞0，当所述脚17在旋转平面上向正前方时，λ＝0，当所述脚17在旋转平面内向内旋转时λ＜0；

步骤(3)，在上位机中，按以下步骤实现机器人的旋转运动：

步骤(3.1)，在所述连续两个步态周期0至2T内设置以下3个关键帧：

第一关键帧：位于t＝0时，决定机器人旋转的初始姿态，λ＝λ₀，λ₀为一个常数，表示t＝0时脚16与17的朝向，-10°＜λ₀＜10°，取初始值λ₀＝0°，

第二关键帧：位于t＝T时，λ＝-λ₀，表示t＝T时脚16与17的朝向，

第三关键帧：位于t＝2T时，λ＝λ₀，表示t＝2T时脚16与17的朝向，

步骤(3.2)，设定Δt为计算步长，i为计算次数，行走时i从0开始，按下式计算每隔Δt时间所述λ的值，从而得到λ＝f_λ(t)曲线，变量λ关于t的一阶导数连续，

$\mathrm{\&lambda;}={\mathrm{\&lambda;}}_0\cos \frac{\mathrm{\&pi;\&Delta;t}}{T}i---\left(8\right)$

步骤(3.3)，在所述上位机中，按下式计算当步数为n时，以所述行走参数λ为变量，所述机器人中各个电机的旋转角度，以实现双足机器人的行走控制，S_rotate1，S_rotate2分别表示旋转的角度

$\left\{\begin{array}{c}{S}_{\mathrm{rotate}1}=\mathrm{\&lambda;}\\ S_{\mathrm{rotate}2}=\mathrm{\&lambda;}\end{array}\right.---\left(9\right).$

发明效果：

本发明所述的步态设计方法参数数量少，而且均具有明确的物理意义，使得参数的调节非常容易。同时，关键帧之间可以使用简单的光滑曲线连接，使步态的生成非常简单。在试验中，机器人可以实现前向、侧向与旋转的自由行走。而且只需要将三种行走方法任意组合，就可以实现灵活的全方位行走。这种以简单步态生成算法实现的全方位行走，在以往的机器人步态生成方法中，是前所未有的。

附图说明

图1为机器人前向平面的模型图。

图2为机器人侧向平面的模型图。

图3为机器人的自由度配置。其中1为躯干，2为第一旋转电机，3为第二旋转电机，4为第一侧摆电机，5为第二侧摆电机，6为第一大腿，7为第二大腿，8为第一前摆电机，9为第三前摆电机，10为第二前摆电机，11为第四前摆电机，12为第一小腿，13为第二小腿，14为第一踝关节侧摆电机，15为第二踝关节侧摆电机，16为第一脚板，17为第二脚板。

图4为机器人的旋转模型。

图5为机器人前向平面的三个关键帧。

图6为机器人侧摆运动的三个关键帧。

图7为机器人侧移运动的三个关键帧。

图8为机器人旋转运动的三个关键帧。

图9为机器人行走方法流程图。

具体实施方式

图3所示为本发明所使用的机器人的结构和关节角示意图，其中1为躯干，与左右两个旋转电机2、3的本体固定连接，两个旋转电机的输出轴分别与两个大腿6、7连接，躯干又与两个髋关节侧摆电机4、5的本体固定连接，两个髋关节侧摆的电机的转动输出轴分别与两个大腿6、7连接，大腿6与大腿前摆电机8的转动输出轴连接，大腿7与大腿前摆电机9的转动输出轴连接，大腿前摆电机8与小腿前摆电机10的本体固定连接，大腿前摆电机9与小腿前摆电机11的本体固定连接，小腿前摆电机10、11的转动输出轴分别与小腿12、13连接，小腿12、13的末端分别与踝关节转动电机的本体固定连接，踝关节的转动输出轴分别与脚板16、17连接。此机器人的具有10个自由度，分别位于两个髋关节旋转电机2、3，两个髋关节侧摆电机4、5，两个大腿前摆电机8、9，两个小腿前摆电机10、11以及两个踝关节侧摆电机14、15。十个电机均采用数字舵机，其旋转角度分别用S_rotate1、S_rotate2、S_hipL1、S_hipLat2、S_hipSag1、S_hipSag2、S_knee1、S_knee2、S_ankle1、S_ankle2表示。

本发明所述双足机器人的行走方法的实现由以下三个步骤组成：(1)上位机计算步态(2)上位机控制机器人(3)人工参数调节。在阶段(1)中，本发明所述的双足机器人的行走方法由三个独立的部分组成，分别是机器人前进、侧移和旋转。本发明所述的机器人前向行走中，人工设定一组参数θ₀、α₀、β₀、T，按照式(1)、(2)计算参数θ、α、β的值，再按照式(3)、(4)计算机器人关节角S_hipSag1、S_hipSag2、S_knee1、S_knee2、S_ankle1、S_ankle2的值；本发明所述的机器人侧向行走中，人工设定一组参数γ₀、φ₀，按照式(5)、(6)计算参数γ、φ的值，再按照式(7)计算机器人关节角S_hipLat1、S_hipLat2、S_ankle1、S_ankle2的值；本发明所述的机器人旋转运动中，人工设定一组参数λ₀，按照式(8)计算参数λ的值，再按照式(9)计算机器人关节角S_rotate1、S_rotate2。

在阶段(2)中，将计算所得的电机角度，发送至机器人电机，控制机器人运动。

阶段(3)为参数的人工调节阶段，按照步骤(1)控制的机器人行走，如果机器人向前倒，则α₀增加1°，如果机器人向后倒，则α₀减少1°；如果所述双足机器人在行走时，向左倒或向右倒，则

增加1°，如果所述双足机器人左右摆动过大，则γ₀增加1°。

将机器人的任意运动方式进行组合，可以实现灵活的全方位行走。

Claims (6)

1.双足机器人动力式行走方法，是一种动力式前进行走方法，其特征在于，依次含有以下步骤：

步骤(1)，按以下步骤构造一个双足机器人：

步骤(1.1)，建立驱干(1)与第一大腿(6)、驱干(1)与第二大腿(7)的连接：

该驱干(1)与第一旋转电机(2)、第二旋转电机(3)的本体固定连接，所述第一旋转电机(2)的输出轴与所述第一大腿(6)轴向转动连接，所述第二旋转电机(3)的输出轴与所述第二大腿(7)轴向转动连接，

所述驱干(1)与第一侧摆电机(4)、第二侧摆电机(5)的本体固定连接，再把所述第一侧摆电机(4)的输出轴与所述第一大腿(6)左右摆动连接，把所述第二侧摆电机(5)的输出轴与所述第二大腿(7)左右摆动连接，

步骤(1.2)，建立所述第一大腿(6)与第一小腿(12)、所述第二大腿(7)与第二小腿(13)的连接：

所述第一大腿(6)的下端与第一前摆电机(8)的输出轴前后转动连接，所述第一小腿(12)的上端与第二前摆电机(10)的输出轴前后转动连接，再将所述第一前摆电机(8)与所述第二前摆电机(10)的本体固定连接，

所述第二大腿(7)的下端与第三前摆电机(9)的输出轴前后转动连接，所述第二小腿(13)的上端与第四前摆电机(11)的输出轴前后转动连接，再将所述第三前摆电机(9)与所述第四前摆电机(11)的本体固定连接，

步骤(1.3)，建立所述第一小腿(12)与第一脚板(16)、所述第二小腿(13)与第二脚板(17)的连接：

所述第一小腿(12)的下端与第三侧摆电机(14)的本体固定连接，再将所述第三侧摆电机(14)的输出轴与所述第一脚板(16)左右摆动连接，

所述第二小腿(13)的下端与第四侧摆电机(15)的本体固定连接，再将所述第四侧摆电机(15)的输出轴与所述第二脚板(17)左右摆动连接，

步骤(1.4)，用S_rotate1表示所述第一旋转电机(2)的旋转角度，S_rotate2表示所述第二旋转电机(3)的旋转角度，

用S_hipLat1表示所述第一侧摆电机(4)侧摆角度，S_hipLat2表示所述第二侧摆电机(5) 的侧摆角度，

用S_hipSag1表示所述第一前摆电机(8)的前摆角度，S_hipsag2表示所述第三前摆电机(9)的前摆角度，

用S_knee1表示所述第二前摆电机(10)的前摆角度，S_knee2表示所述第四前摆电机(11)的前摆角度，

用S_ankle1表示所述第三侧摆电机(14)的侧摆角度，S_ankle2表示所述第四侧摆电机(15)的侧摆角度，

步骤(1.5)，把步骤(1.1)到步骤(1.4)中各电机的控制信号输入端分别与一个上位机的控制信号输出端相连，所述各电机均为伺服电机；

步骤(2)，在所述上位机内设定一个步态周期T，所述步态周期T是指每一步的开始时刻t＝0到碰撞时刻t＝T所经历的时间，t＝0表示所述第二大腿(7)的摆动腿离地的瞬间，t＝T标志一个步态周期结束，下一个步态周期开始，此时，所述第二大腿(7)的摆动腿变为支撑腿，而步态周期T时的支撑腿变为摆动腿，

在所述步态周期T内所述双足机器人具有以下行走参数：

θ，为等效支撑腿(18)与等效摆动腿(19)之间的夹角，单位为度，所述等效支撑腿(18)是指在t＝0时刻从所述驱干(1)到作为支撑腿的第一小腿(12)末端之间的虚拟等效腿，所述等效摆动腿(19)是指在t＝0时刻从所述驱干(1)到作为摆动腿的第二小腿(13)末端之间的虚拟等效腿，

α，为在t＝0时刻起支撑作用的第一大腿(6)与所述等效支撑腿(18)之间的夹角，单位为度，

β，为在t＝0时刻起摆动作用的第二大腿(7)与所述等效摆动腿(19)之间的夹角，单位为度，

当所述等效摆动腿(19)位于所述等效支撑腿(18)之前时，所述θ＞0，之后时θ＜0，

当起支撑作用的第一大腿(6)的膝关节弯曲时，所述α＞0，伸直时α＝0，

当起摆动作用的第二大腿(7)的膝关节弯曲时，所述β＞0，伸直时β＝0；

步骤(3)，所述双足机器在前进运动中，所述上位机按以下步骤控制该双足机器人进行动力式行走：

步骤(3.1)，在一个所述步态周期内，设定以下三个关键帧： 

第一关键帧，位于t＝0时刻，为初始姿态，此时：

θ＝-θ₀，θ₀为一个非负常数，决定步幅大小，0°≤θ₀≤60°，初始时θ₀＝30°，

α＝α₀，α₀为一个非负常数，初始时，α₀＝θ₀/2，

β＝0°，

第二关键帧，位于t＝T/2时刻，

θ＝0°，表示所述等效支撑腿(18)平行于所述等效摆动腿(19)，

α＝α₀，

β＝β₀，β₀为一个非负常数，α₀+5°＜β₀＜α₀+25°，在t＝T/2时设定β₀＝α₀+15°，决定所述摆动时第二小腿(13)末端的抬高高度，

第三关键帧，位于t＝T时，决定碰撞时刻双足机器人的姿态，此时，

θ＝θ₀，

α＝0°，表示所述第一大腿(6)的膝关节伸直，为行走补入能量，

β＝α₀，表示所述第二大腿(7)的膝关节弯曲，准备在t＝T时发生碰撞，

步骤(3.2)，所述上位机依次按以下步骤控制所述双足机器人行走，行走步数为n，每行走一步用一个步态周期T：

步骤(3.2.1)，设定Δt为计算步长，i为计算次数，行走时i从0开始，所述上位机按下式计算每隔Δt时间所述θ，α，β之值，

当

时

当

时 

步骤(3.2.2)，所述上位机按下式计算当步数为n时行走参数θ，α，β在所述步骤(3.2.1)所得到的参数值下，所述双足机器人的S_hipSag1、S_hipSag2、S_knee1、S_knee2：

当n＝1，3，5，7，9…时

当n＝2，4，6，8，10…时。

2.根据权利要求1所述的双足机器人动力式行走方法，其特征在于，当所述双足机器人向后倒时，所述α₀增加1°，向前倒时所述α₀减少1°，当摆动腿与地面碰撞时，β₀增加1°。

3.双足机器人动力式行走方法，是一种动力式侧向行走方法，其特征在于，依次含有以下步骤：

步骤(1)，按以下步骤构造一个双足机器人：

步骤(1.1)，建立驱干(1)与第一大腿(6)、驱干(1)与第二大腿(7)的连接：

该驱干(1)与第一旋转电机(2)、第二旋转电机(3)的本体固定连接，所述第一旋转电机(2)的输出轴与所述第一大腿(6)轴向转动连接，所述第二旋转电机(3)的输出轴与所述第二大腿(7)轴向转动连接，

所述驱干(1)与第一侧摆电机(4)、第二侧摆电机(5)的本体固定连接，再把所述第一侧摆电机(4)的输出轴与所述第一大腿(6)左右摆动连接，把所述第二侧摆电机(5)的输出轴与所述第二大腿(7)左右摆动连接，

步骤(1.2)，建立所述第一大腿(6)与第一小腿(12)、所述第二大腿(7)与第二小腿(13)的连接：

所述第一大腿(6)的下端与第一前摆电机(8)的输出轴前后转动连接，所述第一小腿(12)的上端与第二前摆电机(10)的输出轴前后转动连接，再将所述第一前摆电机(8)与所述第二前摆电机(10)的本体固定连接， 

所述第二大腿(7)的下端与第三前摆电机(9)的输出轴前后转动连接，所述第二小腿(13)的上端与第四前摆电机(11)的输出轴前后转动连接，再将所述第三前摆电机(9)与所述第四前摆电机(11)的本体固定连接，

步骤(1.3)，建立所述第一小腿(12)与第一脚板(16)、所述第二小腿(13)与第二脚板(17)的连接：

所述第一小腿(12)的下端与第三侧摆电机(14)的本体固定连接，再将所述第三侧摆电机(14)的输出轴与所述第一脚板(16)左右摆动连接，

所述第二小腿(13)的下端与第四侧摆电机(15)的本体固定连接，再将所述第四侧摆电机(15)的输出轴与所述第二脚板(17)左右摆动连接，

步骤(1.4)，用S_rotate1表示所述第一旋转电机(2)的旋转角度，S_rotate2表示所述第二旋转电机(3)的旋转角度，

用S_hipLat1表示所述第一侧摆电机(4)侧摆角度，S_hipLat2表示所述第二侧摆电机(5)的侧摆角度，

用S_hipSag1表示所述第一前摆电机(8)的前摆角度，S_hipSag2表示所述第三前摆电机(9)的前摆角度，

用S_knee1表示所述第二前摆电机(10)的前摆角度，S_knee2表示所述第四前摆电机(11)的前摆角度，

用S_ankle1表示所述第三侧摆电机(14)的侧摆角度，S_ankle2表示所述第四侧摆电机(15)的侧摆角度，

步骤(1.5)，把步骤(1.1)到步骤(1.4)中各电机的控制信号输入端分别与一个上位机的控制信号输出端相连，所述各电机均为伺服电机；

步骤(2)，在所述上位机内设定一个步态周期T，所述步态周期T是指每一步的开始时刻t＝0到碰撞时刻t＝T所经历的时间，t＝0表示所述第二大腿(7)的摆动腿离地的瞬间，t＝T标志一个步态周期结束，下一个步态周期开始，此时，所述第二大腿(7)的摆动腿变为支撑腿，而步态周期T时的支撑腿变为摆动腿，

在所述步态周期T内所述双足机器人具有以下行走参数：

为等效左腿(20)与等效右腿(21)，在侧向行走平面内的夹角，单位为度，所述等效左腿(20)是指所述第一大腿(6)和所述第一小腿(12)在侧向投影上位于一条直线上时 的等效腿，所述等效右腿(21)是指所述第二大腿(7)和所述第二小腿(13)在侧向投影上位于一条直线上时的等效腿，

γ，为所述等效左腿(20)与所述等效右腿(21)的所述夹角 

的角平分线与竖直方向的夹角，

φ，为所述等效左腿(20)与竖直方向的夹角，或所述等效右腿(21)与竖直方向的夹角，

当所述等效左腿(20)与所述等效右腿(21)在侧向平面向两侧分开时，所述 

当所述夹角 

的角平分线在竖直方向左侧时，γ＞0，当所述夹角 

的角平分线在竖直方向右侧时，γ＜0，

当所述等效左腿(20)在竖直方向左侧时，φ＞0，当所述等效左腿(20)在竖直方向右侧时，φ＜0，或当所述等效右腿(21)在竖直方向右侧时，φ＞0，当所述等效右腿(21)在竖直方向左侧时，φ＜0；

步骤(3)，所述双足机器人在侧向运动时，存在侧摆和侧移两种运动，这两种运动在初始时，所述等效左腿和等效右腿在侧向平面上有一个固定的用于保持稳定的夹角 为一个正常数，

步骤(3.1)，在侧摆运动时，在所述连续两个步态周期T/2至5T/2内设置以下3个关键帧：

侧摆运动第一关键帧：

t＝T/2时，所述双足机器人处于侧摆的初始状态，γ＝γ₀，γ₀为常数，表示t＝T/2时的侧摆角度，-5°＜γ₀＜5°，初始时γ₀＝0°

侧摆运动第二关键帧：

t＝3T/2时，所述双足机器人处于侧摆了一步后的终止状态，γ＝-γ₀，表示t＝3T/2时身体侧摆的角度，

侧摆运动第三关键帧：

t＝5T/2时，所述双足机器人处于侧摆了两步后的终止状态，γ＝γ₀，表示t＝5T/2时身体侧摆的角度， 

步骤(3.2)，在侧向移动时，在所述连续两个步态周期0至2T内设置以下3个关键帧：

侧向移动第一关键帧：

t＝0时，所述双足机器人处于侧向移动的初状态，φ＝φ₀，-10°＜φ₀＜10°，侧向移动第二关键帧：

t＝T时，所述双足机器人处于侧移半步的末状态，φ＝-φ₀，

侧向移动第三关键帧：

t＝2T时，所述双足机器人处于侧移一步的末状态，φ＝φ₀，

步骤(3.3)，设定Δt为计算步长，i为计算次数，行走时i从0开始，所述上位机按下式计算每隔Δt时间所述φ，γ之值：

步骤(3.4)，所述上位机按下式计算所述双足机器人中各个电机的旋转角度，实现动力式行走控制：

所述第一侧摆电机的角度S_hipLat1为：

所述第三侧摆电机的角度S_ankle1为：

所述第二侧摆电机的角度S_hipLat2为：

所述第四侧摆电机的角度S_ankle2为：

4.根据权利要求3所述的双足机器人动力式行走方法，其特征在于，当所述双足机器人在行走时，向左倒或向右倒，则增加 

角，一直到能稳定踏步为止。

5.根据权利要求3所述的双足机器人动力式行走方法，其特征在于，当所述双足机器 人左右摆动过大时，增加初始时γ₀角，直到能平稳踏步为止。

6.双足机器人动力式行走方法，是一种动力式旋转行走方法，其特征在于，依次含有以下步骤：

步骤(1)，按以下步骤构造一个双足机器人：

步骤(1.1)，建立驱干(1)与第一大腿(6)、驱干(1)与第二大腿(7)的连接：

该驱干(1)与第一旋转电机(2)、第二旋转电机(3)的本体固定连接，所述第一旋转电机(2)的输出轴与所述第一大腿(6)轴向转动连接，所述第二旋转电机(3)的输出轴与所述第二大腿(7)轴向转动连接，

所述驱干(1)与第一侧摆电机(4)、第二侧摆电机(5)的本体固定连接，再把所述第一侧摆电机(4)的输出轴与所述第一大腿(6)左右摆动连接，把所述第二侧摆电机(5)的输出轴与所述第二大腿(7)左右摆动连接，

步骤(1.2)，建立所述第一大腿(6)与第一小腿(12)、所述第二大腿(7)与第二小腿(13)的连接：

所述第一大腿(6)的下端与第一前摆电机(8)的输出轴前后转动连接，所述第一小腿(12)的上端与第二前摆电机(10)的输出轴前后转动连接，再将所述第一前摆电机(8)与所述第二前摆电机(10)的本体固定连接，

所述第二大腿(7)的下端与第三前摆电机(9)的输出轴前后转动连接，所述第二小腿(13)的上端与第四前摆电机(11)的输出轴前后转动连接，再将所述第三前摆电机(9)与所述第四前摆电机(11)的本体固定连接，

步骤(1.3)，建立所述第一小腿(12)与第一脚板(16)、所述第二小腿(13)与第二脚板(17)的连接：

所述第一小腿(12)的下端与第三侧摆电机(14)的本体固定连接，再将所述第三侧摆电机(14)的输出轴与所述第一脚板(16)左右摆动连接，

所述第二小腿(13)的下端与第四侧摆电机(15)的本体固定连接，再将所述第四侧摆电机(15)的输出轴与所述第二脚板(17)左右摆动连接，

步骤(1.4)，用S_rotate1表示所述第一旋转电机(2)的旋转角度，S_rotate2表示所述第二旋转电机(3)的旋转角度，

用S_hipLat1表示所述第一侧摆电机(4)侧摆角度，S_hipLat2表示所述第二侧摆电机(5)的侧摆角度， 

用S_hipSag1表示所述第一前摆电机(8)的前摆角度，S_hipSag2表示所述第三前摆电机(9)的前摆角度，

用S_knee1表示所述第二前摆电机(10)的前摆角度，S_knee2表示所述第四前摆电机(11)的前摆角度，

用S_ankle1表示所述第三侧摆电机(14)的侧摆角度，S_ankle2表示所述第四侧摆电机(15)的侧摆角度，

步骤(1.5)，把步骤(1.1)到步骤(1.4)中各电机的控制信号输入端分别与一个上位机的控制信号输出端相连，所述各电机均为伺服电机；

步骤(2)，在所述上位机内设定一个步态周期T，所述步态周期T是指每一步的开始时刻t＝0到碰撞时刻t＝T所经历的时间，t＝0表示所述第二大腿(7)的摆动腿离地的瞬间，t＝T标志一个步态周期结束，下一个步态周期开始，此时，所述第二大腿(7)的摆动腿变为支撑腿，而步态周期T时的支撑腿变为摆动腿，

在所述步态周期T内所述双足机器人具有以下行走参数：

λ，为所述第一脚板(16)与前进方向的夹角，或所述第二脚板(17)与前进方向的夹角，

当所述第一脚板(16)在所述前进方向左侧时，λ＞0，所述第一脚板(16)在所述前进方向右侧时，λ＜0，或当所述第二脚板(17)在所述前进方向右侧时，λ＞0，所述第二脚板(17)在所述前进方向左侧时，λ＜0；

步骤(3)，所述双足机器人在旋转运动时，在所述连续两个步态周期0至2T内设置以下3个关键帧：

旋转运动第一关键帧：

t＝0时，为旋转运动的初始状态，λ＝λ₀，-10°＜λ₀＜10°，

旋转运动第二关键帧：

t＝T时，为旋转运动半步的末状态，λ＝-λ₀，

旋转运动第三关键帧：

t＝2T时，为旋转运动一步的末状态，λ＝λ₀，

所述上位机按下式计算每隔Δt时间、步长次数为i时的所述λ角： 

所述上位机按下式计算当步数为n_i时，所述第一旋转自由度电机(2)、第二旋转自由度电机(3)的旋转角度S_rotate1及_Srotate2

S_rotate1＝λ

S_rotate2＝λ。 

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