CN103895020B - 用于控制机器人步态的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于控制机器人步态的方法和系统，包括：确定机器人是否正在行走以及机器人行走的方向；测量机器人的一只脚的脚底踩在地面上的时间量；利用三角函数计算施加到脚底的假想反作用力，其中三角函数将所测量的脚底踩在地面上的时间量作为周期；以及将所计算的假想反作用力应用于雅可比转置矩阵，并将假想反作用力转换成用于机器人的下肢关节的驱动力矩。

Description

用于控制机器人步态的方法和系统
技术领域
本发明涉及一种基于穿着者的行走速度和该穿着者的预期步态来控制可穿戴式机器人的步态的方法和系统。
背景技术
本发明涉及一种用于减少可穿戴式行走机器人的负载的步态控制算法。当穿着机器人的穿着者行走时，如果该机器人没有正确地反映穿着者的预期步态，则穿着者将感觉到来自该机器人的负载，并且当该穿着者行走时，该负载将表现为不稳定。
为了克服上述问题，本发明提供一种确定穿着者预期行走的速度的控制算法，并提供一种与摆动脚的预期运动相对应的假想反作用力，从而减小由机器人产生的负载。
现有的可穿戴式机器人主要利用力/力矩传感器来确定穿着者的预期步态。然而，这种方法要求实施解决当穿着者行走时由传感器的抖振现象和噪音产生所引起的问题的措施。此外，传感器是非常昂贵的，并且需要额外的放大器电路和信号处理板。
因此，根据本发明的实施例，可以最大限度地减少对传感器的使用。例如，可以在机器人的每只脚的脚底上设置一个比较便宜的接通/关断开关，以确定该穿着者的预期步态。
在题为“可穿戴式机器人的脚传感器设备及用于使用相同设备确定用户意图的方法”(Foot sensor apparatus for wearable robot and method for determiningintension of user using the same)的韩国专利注册号10-1179159B1中提出一种常规技术的代表性示例。该常规设备包括第一传感器，其设置在可穿戴式机器人的每只脚的上表面上、穿着者的脚的脚趾放置的位置上；第二传感器，其设置在机器人的每只脚的上表面上、穿着者的脚的跖球放置的位置上；第三传感器，其设置在机器人的每只脚的上表面上、穿着者的脚的脚跟的位置上；以及控制器，其基于来自第一传感器、第二传感器和第三传感器的信号确定穿着者的预期步态。
当负载被应用于第一传感器、第二传感器和第三传感器时，相应的传感器接通；而当没有负载应用于其中时，传感器关断。当第一传感器、第二传感器和第三传感器每个都被关断时，该控制器确定穿着者的那只脚是在空中。当第一传感器接通而第二传感器和第三传感器每个都被关断时，该控制器确定该脚处于跖曲(plantar-flexion)状态。当第一传感器和第二传感器每个都关断而第三传感器接通时，该控制器确定该脚处于脚跟着地状态。当第一、第二和第三传感器都接通时，控制器确定穿着者的整只脚都与机器人的那只脚接触，并且穿着者站立在地面上。
然而，在利用上述常规方法时，难以精确地确定穿着者的预期步态并且积极地、可变地控制该机器人。此外，传感器的数量比较大，因此增加生产成本。
应理解的是，提供上述说明仅仅是为了帮助理解本发明，而并不意味着本发明落在相关技术的范围内。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种基于穿着者的行走速度和预期步态来控制可穿戴式机器人的步态的方法和系统。
为了实现上述目的，根据一个方面，本发明提供一种用于控制机器人步态的方法，包括以下步骤：确定机器人是否正在行走，并且如果确定正在行走，则确定机器人行走的方向；测量机器人的一只脚的脚底踩在地面上的时间量；利用三角函数计算施加到脚底的假想反作用力，其中三角函数将所测量的脚底踩在地面上的时间量作为周期；以及将所计算的假想反作用力应用于雅可比转置矩阵，并将假想反作用力转换成用于机器人的下肢关节的驱动力矩。
转换步骤可包括检查机器人那只脚的脚底是否已经离开地面。
检查步骤可以包括当机器人的脚的脚底离开地面时，将驱动力矩施加到与所述脚底相关联的下肢关节。
确定步骤可以包括利用设置在机器人的脚的脚底上的表面接触传感器确定机器人是否正在行走，并且所述测量步骤包括利用表面接触传感器，测量机器人的所述脚的脚底踩在地面上的时间量。
计算步骤可以包括将三角函数乘以预设的大小值来计算假想反作用力。
计算步骤可以包括根据机器人行走的方向，改变假想反作用力的x轴分量的符号。
根据另一方面，本发明提供一种用于控制机器人步态的系统，包括：表面接触传感器，设置在机器人的一只脚的脚底上；和控制单元，利用表面接触传感器测量机器人的行走状态和方向、以及脚底踩在地面上所需的时间量，该控制单元利用三角函数计算施加到脚底的假想反作用力，其中所述三角函数将所测量的脚底踩在地面上的时间量作为周期，并且该控制单元将所计算的假想反作用力应用于雅可比转置矩阵，以便将假想反作用力转换成用于驱动机器人的下肢关节的力矩。
表面接触传感器可以包括多个带传感器，所述多个带传感器设置在机器人的脚的脚底上、彼此间隔开的位置上。
如上所述，根据本发明的控制机器人步态的方法和系统提供一种控制算法，其利用例如脚模块的接通/判断开关等，可减小基于假想反作用力的负载，以便可以使用便宜的传感器，而不需昂贵的F/T传感器。由此，可以降低生产成本。另外，本发明可以更精确地感测穿着者的预期步态并控制机器人。
此外，利用接通/关断开关的数字流可以计算穿着者的行走速度的方法，可以避免常规意向传感方法因F/T传感器的抖振和噪音的问题而可靠性低的问题。因此，本发明可以为穿着者提供一种舒适的穿着感。
此外，因为本发明基于假想反作用力，因此不需要在传感器实际测量反作用力时所使用的额外电路/电路板和信号处理算法。
附图说明
结合附图，从下面详细说明中可以更清楚地理解本发明的上述和其他目的、特征和优点，其中：
图1是示出根据本发明示例性实施例，使用在用于控制机器人步态的方法中的表面接触传感器的图示；
图2是示出根据本发明的示例性实施例，用于控制机器人步态的系统的结构的图示；
图3是根据本发明的示例性机器人步态控制方法的流程图；和
图4是示出根据本发明的机器人步态控制方法的三角函数的曲线图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图来详细说明根据本发明的优选实施例的控制机器人步态的方法和系统。
图1是示出在根据本发明示例性实施例的用于控制机器人步态的方法中使用的表面接触传感器的图示。图2是示出根据本发明示例性实施例的用于控制机器人步态的系统的结构的图示。图3是根据本发明示例性的机器人步态控制方法的流程图。图4是示出根据本发明的机器人步态控制方法的三角函数的曲线图。
图3是根据本发明的示例性机器人步态控制方法的流程图。机器人步态控制方法包括确定步骤S100，确定机器人是否处于行走状态，以及确定机器人行走的方向；测量步骤S200，测量每只脚踩在地面上的时间量；计算步骤S300，利用将测量的时间量作为周期的三角函数，来计算施加给脚底的假想反作用力；以及转换步骤S400，将计算出的假想反作用力应用于雅可比转置矩阵(Jacobian transposed matrix)，并将计算出的假想反作用力转换成用于机器人的下肢关节的驱动力矩。
本发明的机器人的代表性示例可以是可穿戴式机器人。当穿着该可穿戴式机器人的穿着者正在行走时，该可穿戴式机器人必须以正确反映该穿着者意图的方式移动，以使该穿着者不会感到尴尬。
例如，当穿着者在摆动一条腿之前，将他/她的那只脚移开地面时，该机器人必须提供适当的反作用力，使该穿着者更容易地抬起他/她的那只脚。该穿着者行走地越快，该机器人就越迅速地反应穿着者的移动并且该机器人提供给穿着者的力就越多。如果机器人自己没有适当地抬起那只脚，穿着机器人的穿着者可能不得不用他/她自己的力抬起机器人的那条腿。在这种情况下，当穿着者与机器人一起行走时，其可能会感到尴尬。
在常规技术中，利用力-力矩传感器来感测穿着者的预期步态，但是此传感器存在一定问题，因为难以精确地检查穿着者的移动，并且该传感器非常昂贵。
为了克服常规技术的这些问题，本发明描述一种配置，响应于穿着者的行走速度，机器人可以为摆动的腿提供适当的反作用力。为此，在确定步骤S100，确定机器人是否处于行走状态以及机器人行走的方向。
图1是示出根据本发明实施例的在机器人步态控制方法中使用的表面接触传感器的图示。确定步骤S100和测量步骤S200利用设置在机器人的每只脚的脚底上的表面接触传感器，以确定机器人是否在行走，如果正在行走，则确定机器人行走的方向，并测量每只脚踩在地面上的时间量。
表面接触传感器110设置在机器人的每只脚的脚底100上。每个表面接触传感器110可以包括多个带传感器，设置在脚底100上、彼此间隔开的位置上。
例如，在图1所示的示例性实施例中，表面接触传感器可包括标记为1-6的六个带传感器，每个带传感器都设有一个开启/断开开关。如果带传感器从六号到一号连续开启，则表明机器人正在向前行走；如果带传感器从一号到六号连续开启，则表明机器人正在向后行走。如果带传感器在超过预定时间段的同时处于开启状态，这表明机器人处于站立状态而不是行走状态。
因此，可以使用可包括带传感器的表面接触传感器110，来确定机器人是否正在行走，并确定机器人行走的方向。因此，当机器人在行走时，可以确定哪条腿在支撑身体，哪条腿正在摆动。
另外，带传感器的传感速度可用于确定脚的脚底踩在地面上的速度。脚底的步进速度(stepping speed)可被用作确定机器人行走的速度的关键措施。如图1所示，测量脚底踩在地面上的时间量dt，例如，用于连续识别一号传感器至六号传感器的时间量，并输入该时间量作为三角函数的周期。
因此，机器人利用设置在每只脚的脚底上的表面接触传感器110，执行确定步骤100，确定机器人是否在行走，且如果正在行走，则确定机器人正在行走的方向。此外，机器人可以利用表面接触传感器110来测量每只脚踩在地面上的速度。
在测量步骤S200，测量机器人的每只脚的脚底踩在地面上的时间量。在计算步骤S300，利用将测量的时间量作为周期的三角函数，来计算施加到脚底的假想反作用力。
这可以表示为以下等式：
【等式1】
Fimpulse＝k·Fmag·f(t)
也就是，机器人被控制成在机器人行走期间，在一条腿开始摆动(例如，当脚离开地面)的时刻，上述假想反作用力支撑脚底并沿着推动脚底向上的方向施加给脚底。
当这种反作用力被施加给机器人时，由于可以减小穿着者用于抬起机器人的腿的力的大小，因此穿着者感觉到好像他们正在正常地行走一样。
假想反作用力Fimpulse是通过Fmag乘以比例常数k和作为三角函数原来形式的表达式f(t)获得的，其中Fmag表示三角函数的大小。
三角函数f(t)可以通过下列各种形式表达：
【等式2】
在上述形式表达的三角函数中，选择具有最适当形式的三角函数并事先输入到机器人的控制器中。在此，将机器人每只脚的脚底踩在地面上的时间量用作相应三角函数的周期。在此情况下，可以产生与行走速度相对应的适当反作用力。
例如，如果行走速度比较快，则脚底踩在地面上的时间量较短。在将此时间量作为周期的三角函数中，从最大值收敛到零的周期减少。另一方面，当行走速度相对缓慢时，脚底踩在地面上的时间量相对较长。在将该时间量作为周期的三角函数中，从最大值收敛到零的周期增加。
因此，当行走速度比较快时，反作用力在已提供给机器人之后迅速地消除；当行走速度比较缓慢时，反作用力在已提供给机器人之后缓慢地消除。以此方式，反作用力可被提供以响应于穿着者的意图。如果尽管行走速度比较快，但反作用力缓慢地减少，则穿着者在已经摆动腿之后将那只脚放在地面上时可能会相反地感觉到反作用力。其结果是，穿着者可能会感到尴尬。
图4是示出根据本发明的机器人步态控制方法的三角函数的曲线图。如图所示，当脚底踩在地面上所需的时间量被用作三角函数的周期，与在周期短时相比，反作用力的强度在周期长时被缓慢地减小，使得反作用力可以在较长时间内连续地响应较慢的行走速度。
此外，可以利用三角函数，使得当穿着者开始抬起他/她的脚时，施加给机器人的反作用力的初始强度相对较大，然后平稳地减小。这样，穿着者可以将他/她的脚再次放在地面上，而不感到尴尬。
以下是用作三角函数的等式的一个例子：
【等式3】
如等式3所示，三角函数f(t)可被表示为一个余弦函数。w可以是在将脚底踩在地面上的时间量作为周期，并将其转换成频率之后代入到该函数。在此，这涉及z方向即垂直于地面的方向。在Fimpulse,x的情况下，其是在x方向上，即平行于地面的方向的反作用力的分量的情况下，在z轴分力中代入正号(+)用于向前行走，代入负号(－)用于向后行走。
因此，假想反作用力的矢量分量可以通过x轴分量和z轴分量加和来得到。
接着，在转换步骤S400，将所得到的假想反作用力应用于雅可比转置矩阵，并被转换成用于机器人的下肢关节的驱动力矩。
也就是，在得到由脚底所需的反作用力之后，其被转换成驱动机器人的各关节的电动机的驱动力矩，并且将驱动命令发送给相应的电动机。
可以通过下列等式获得：
τimpulse＝JTFimpulse
因此，每个Fimpulse是一个矢量分量，被表示为矩阵。其可以由雅可比转置矩阵转换成相应关节中所需的力矩。在此，Fimpulse,y，也就是y分量，其通常为零，除非机器人侧身行走。
如图1所示，可以执行检查步骤S500，检查机器人的脚的脚底是否已经离开地面。此外，当机器人的脚的脚底离开地面时，可以执行施加步骤S600，将驱动力矩施加到与相应脚底相关联的下肢关节。
也就是说，表面接触传感器可以检查当其脚底刚刚踩在地面上的那只脚离开地面时的时刻。在该时刻，可以将假想反作用力施加到那只脚的相应脚底，以便穿着者可以轻松地行走。
在计算步骤S300，将预设的大小值(Fmag)乘以三角函数，来计算假想反作用力。此外，在计算步骤S300，如上所述，假想反作用力的x轴分量的正负，可以依赖于机器人行走的方向来改变。
图2是示出根据本发明一个示例性实施例的机器人步态控制系统的示例性结构的图示。本发明的机器人步态控制系统可包括表面接触传感器110，其设置在机器人的每只脚的脚底100上；和控制单元300，其利用表面接触传感器110来测量机器人的行走状态和方向、以及脚底100踩在地面上的时间量。控制单元300利用将所测量的踩在地面上的时间量作为周期的三角函数，来计算施加到脚底100上的假想反作用力F，并将计算出的假想反作用力F应用于雅可比转置矩阵，以将反作用力转换成用于驱动机器人的下肢关节的力矩。
由此，可以将假想反作用力应用于机器人的每只脚的脚底100。假想反作用力作为驱动力矩被输入到设置在相应关节10、20和30的电动机，以便假想反作用力可以被实现。
如上所述，根据本发明的用于控制机器人步态的方法和系统，利用脚模块的接通/断开开关，来提供一种用于减小基于假想反作用力的负载的控制算法，以便可以使用价格便宜的传感器，而不需要昂贵的F/T传感器。由此，可以降低生产成本。另外，本发明可以更精确地感测穿着者的预期步态并控制机器人。
此外，利用接通/断开开关的数字流来计算穿着者的行走速度的方法，可以避免由于F/T传感器的抖振和噪音而具有低可靠性的常规意向感测方法的问题。因此，本发明可以为穿着者提供舒适的穿着感。
此外，因为本发明是基于假想的反作用力，因此不需要在传感器实际测量反作用力时所使用的额外电路/电路板和信号处理算法。
尽管已出于说明的目的，对本发明的示例性实施例进行描述，然而本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求书的范围和精神的情况下，还可以进行各种修改、添加和替换。

Claims (7)

1.一种用于控制机器人步态的方法，包括以下步骤：
确定所述机器人是否正在行走，并且如果确定正在行走，则确定所述机器人行走的方向；
测量所述机器人的一只脚的脚底踩在地面上的时间量；
利用三角函数计算施加到所述脚底的假想反作用力，其中所述三角函数将所测量的所述脚底踩在地面上的时间量作为周期；以及
将所计算的假想反作用力应用于雅可比转置矩阵，并将所述假想反作用力转换成用于所述机器人的下肢关节的驱动力矩，
其中计算步骤包括将所述三角函数乘以预设的大小值来计算所述假想反作用力。
2.如权利要求1所述的方法，其中转换步骤包括检查所述机器人的所述脚的脚底是否已经离开地面的步骤。
3.如权利要求2所述的方法，其中检查步骤包括当所述机器人的所述脚的脚底离开地面时，将所述驱动力矩施加到与所述脚底相关联的下肢关节。
4.如权利要求1所述的方法，其中确定步骤包括利用设置在所述机器人的所述脚的脚底上的表面接触传感器确定所述机器人是否正在行走，并且测量步骤包括利用所述表面接触传感器，测量所述机器人的所述脚的脚底踩在地面上的时间量。
5.如权利要求1所述的方法，其中计算步骤包括根据所述机器人行走的方向，改变所述假想反作用力的x轴分量的符号。
6.一种用于控制机器人步态的系统，包括：
表面接触传感器，设置在所述机器人的一只脚的脚底上；和
控制单元，利用所述表面接触传感器测量所述机器人的行走状态和方向、以及所述脚底踩在地面上的时间量，
所述控制单元利用三角函数计算施加到所述脚底的假想反作用力，其中所述三角函数将所测量的所述脚底踩在地面上的时间量作为周期，并且所述控制单元将所计算的假想反作用力应用于雅可比转置矩阵，以便将所述假想反作用力转换成用于驱动所述机器人的下肢关节的力矩，
其中将所述三角函数乘以预设的大小值来计算所述假想反作用力。
7.如权利要求6所述的系统，其中所述表面接触传感器包括多个带传感器，所述多个带传感器设置在所述机器人的所述脚的脚底上的、彼此间隔开的位置上。
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