CN108639183B - 一种提高双足机器人平衡性和行走速度的装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种提高双足机器人平衡性和行走速度的装置及控制方法。大多数双足机器人都采用ZMP控制(如日本的ASIMO)。但是采用ZMP控制的双足机器人有脚掌体积大，行走速度缓慢的缺点。本发明将充分的利用ZMP的优点，尽可能的克服其缺点。本发明装置主要包括机械结构和控制器两部分，对于已有的双足机器人只需要将原有的足部更换成本发明装置，而不需要对其余结构部分进行改动，因此在实际生活中有着较强的实用性。脚底机械结构在控制器的作用下动态的调节双足机器人的重心，使其在运动中有很好的平衡性并且明显的提高双足机器人的运动速度，采用本发明的双足机器人可广泛应用于工业、救援、家庭、医疗等领域。

Description

一种提高双足机器人平衡性和行走速度的装置及控制方法

技术领域

本发明属于涉及工业救援、家庭，军事应用领域，尤其是提高双足机器人的在ZMP理论下的平衡性和运动速度控制。

背景技术

双足步行机器人---直立行走，其有着良好的自由度、动作灵活、自如、稳定。双足机器人是一种仿生类型的机器人，能够实现机器人的双足行走和相关动作。作为由机械控制的动态系统，双足机器人包含了丰富的动力学特性。在未来的生产生活中，类人型双足行走机器人可以帮助人类解决很多问题比如驮物、抢险救援等一系列危险或繁重的工作。

双足机器人的行走一直以来都是研究的热点之一，国内外的众多研究者都对此展开了广泛的研究，取得了一定的成果。无论是波士顿的双足机器人Atals 还是日本的Asimo都由于生产成本和技术难度的原因，一直以来都只存在于实验室作为演示，不能真正的进入到消费级市场。机器人学科是一个综合性学科既需要强有力的硬件执行机构，还需要一系列与之配套的软件和理论控制系统。

目前世界上大多数双足步行机器人系统都采用ZMP作为稳定行走的判据。ZMP 是由南斯拉夫学者Vuko-bratov提出的,他研究了ZMP与双足动态系统之间的关系,提出ZMP是判断动态平衡的一个重要依据。ZMP是所受力矩之和在水平面达到平衡的点，可以在脚底安装压力传感器通过计算得来，再通过改变关节间夹角来调整平衡点。传统的ZMP控制的双足机器人足部都比较大、比较重。不断地检测支撑腿脚底的压力传感器，进行计算ZMP平衡点在支撑多边形内机器人就不会摔倒，通过不断地调节关节角度进而调整ZMP在支撑多边形内部,摆动腿再摆动到落脚点。双足机器人的摔倒一般都是在支撑腿不稳，摆动腿摆动过程中。ZMP控制有着调节时间长，调节速度慢的缺点。

因此，设计一种能快速的调整双足机器人的重心，又不会对本身的姿态有很大的扰动，能有效的提高双足机器人的平衡性，并且克服传统的ZMP控制调节周期长、运动速度慢、功耗高的缺点的双足机器人装置及其控制方法很有必要。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种有效的提高双足机器人的平衡性及速度，克服传统ZMP控制调整速度慢，功耗高的方法。本发明的技术方案如下：

一种提高双足机器人平衡性和行走速度的装置，其包括：

用于测算ZMP零力矩点的底部左脚压力模块和右脚压力模块、主控系统以及用于调整双足机器人重心的快速质量调整系统，所述快速质量调整系统包括左腿足部模块和右腿足部模块、第一导管、第二导管、第一微型电泵及第二微型电泵，所述左腿足部模块和右腿足部模块的内部掏空形成一个容器，容器内装有高密度的溶液，第一微型电泵通过第一导管抽取左腿足部模块中的高密度溶液到右腿足部模块中，第二微型电泵通过第二导管抽取右腿足部模块中的高密度溶液到左腿足部模块中，第一微型电泵和第二微型电泵在主控系统的控制下调整左腿足部模块和右腿足部模块中溶液的质量而调整双足机器人两条腿的质量；所述左脚压力模块安装于左腿足部模块上，右脚压力模块安装于右腿足部模块上，第一微型电泵及第二微型电泵和主控系统安装于双足机器人的机身上，第一导管、第二导管沿着双足机器人的腿部连杆安装。

进一步的，所述左腿足部模块和右腿足部模块通过左脚压力模块和右脚压力模块，实时测算双足机器人的ZMP平衡点。

进一步的，所述压力测量装置由多个压力片组合成压力片矩阵。

进一步的，所述调整ZMP平衡点到支撑多边形中是通过调制左腿足部模块和右腿足部模块内高密度溶液的质量，使得平衡点在双足机器人足部与地面的接触点形成的支撑多边形内。

进一步的，所述主控系统实时的采集支撑脚的左脚压力模块和右脚压力模块数据，计算ZMP平衡点。

一种基于装置的提高双足机器人平衡性和行走速度的方法，其包括以下步骤：

S0、安装好各个装置，此时：左腿足部模块和右腿足部模块中已经注入等量的高密度溶液，假设此时左腿在前起支撑作用为支撑腿，右腿在后正蹬地准备摆动到这一步的落地点为摆动腿；

S1、当摆动腿蹬地之后，摆动腿离地，离地信号由摆动腿的左脚压力模块探测出；

S2、启动第一微型电泵，通过第一导管将摆动腿足部模块中的溶液抽取到支撑腿足部模块中；

S3、主控系统实时的采集支撑脚的压力模块数据，计算ZMP平衡点；

S4、判断ZMP稳定判据满足与否，若不满足就在主控系统的控制下继续增加支撑腿足部模块中溶液的质量和调节关节角度，增加支撑腿足部模块中溶液的质量，支撑腿重心向下移动ZMP平衡点更容易的进入到支撑多边形中去，直至达到稳定状态；

S5、摆动腿摆动到这一步的落地点，由于摆动腿足部模块中的溶液质量被抽取到支撑腿足部模块，摆动腿质量减小，摆动腿的摆动速度加快，这样双足机器人的行走速度明显加快；

S6、通过压力模块探测摆动腿触地没有。触地之后计算ZMP平衡点是否在支撑多边形内；

S7、抽取支撑腿足部模块中的高密度溶液到摆动腿足部模块中去，调整摆动腿支撑腿的质量，调整双足机器人的重心分布，使得ZMP平衡点在支撑多边形中去；

S8、此时支撑腿摆动腿都与地接触，并且双足机器人是稳定的，支撑腿切换为摆动腿，摆动腿切换为支撑腿，重复S1-S7的步骤，进入下一步的行走，双足机器人将持续不断的行走起来。

本发明的优点及有益效果如下：

ZMP是用于判断机器人是否会摔倒、其足底是否与地面接触的一个重要指标。 ZMP指地面上的一个点，机器人行走时候足底受到的地面反作用力绕该点在地面上的力矩分量为零。如果该点处于足底形成的支撑多边形之内，机器人就不会摔倒，足底能与地面接触。本发明将在ZMP理论基础上，重新设计双足机器人的足部，增加一定的结构，并通过给出的控制来作用于双足机器人新设计的足部，通过快速调整高密度溶液在双足机器人的两个足部的分布，改变双足机器人两个腿步的质量，进而改变双足机器人的重心，以期待能提高双足机器人平衡性和运动速度。

本装置包括用于测算ZMP平衡点的的底部压力模块、用于为整个装置提供实时控制方案的主控系统，用于调整双足机器人重心的快速质量调整系统，所述快速质量调整系统的左腿足部模块和右腿足部模块外观设计成人的足形状，内部掏空形成一个容器，容器内装有高密度的溶液，两个微型电泵通过两组导管能分别抽取左腿足部模块中的高密度溶液到右腿足部模块中去和抽取右腿足部模块中高密度溶液到左腿足部模块中去，不断地调整两个足部模块中溶液的质量进而调整双足机器人两条腿的质量。采用对高密度溶液的抽取来调整ZMP平衡点会比通过关节角度来调整更快捷、更简洁、也更加的节能。

1、传统的ZMP平衡点的调节是通过调节关节角度实现的，需要对关节进行小角度精确地控制，很多时候由于机械设计的问题导致难以实现高精度的控制，而本发明通过质量的调整不需要对关节进行很精确地控制，有效的规避掉机械设计上的一些缺陷。

2、机器人系统是一个对实时性要求很高的系统，即使在机械设计很好的情况下，对关节进行快速小角度的精确控制也不是一件容易的事，采用本专利通过电泵对高密度溶液在机器人中分布位置的调整能快速的调整重心，减少调节时间，提高机器人的行走速度。

3、本发明装置通过电泵对高密度溶液在机器人中分布位置的调整，明显提高双足机器人的稳定性和行走速度。本发明具有结构简单、设计精巧、行走稳定、腿部灵活的优点，可广泛应用于工业、救援、家庭、医疗等领域。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例支撑腿摆动腿辨别示意图

图2为本发明结构示意图；

其中，①、左脚足底压力模块；②、右脚足底压力模块；③、右腿足部模块。④、左腿足部模块；⑤、机器人腿部支撑杆；⑥、导管1；⑦、导管2；⑧、主控系统；⑨、电泵1；⑩、电泵2；

机器人关节。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

ZMP是用于判断机器人是否会摔倒、其足底是否与地面接触的一个重要指标。 ZMP指地面上的一个点，机器人行走时候足底收到的地面反作用力绕该点在地面上的力矩分量为零。如果该点处于足底形成的支撑多边形之内，机器人就不会摔倒，足底能与地面接触。本发明将在ZMP理论基础上，重新设计双足机器人的足部，增加一定的结构，并通过给出的控制来作用于双足机器人新设计的足部，通过快速调整高密度溶液在双足机器人的两个足部的分布，改变双足机器人两个腿步的质量，进而改变双足机器人的重心，以期待能提高双足机器人平衡性和运动速度。

目前世界上大多数双足步行机器人系统都采用ZMP作为稳定行走的判据。 ZMP理论指出只要双足机器人的ZMP平衡点在双足机器人的支撑多边形内，双足机器人就是稳定不会摔倒的。

作为跟人类最相似的机器人双足机器人的行走跟人类类似，在连续的行走中一条腿与地面接触支撑整个肢体，另外的一条腿由上一步的落地点，摆动到这一步的触地点。之后两个腿进行切换，上一步起摆动作用的腿这一步起支撑作用，上一步起支撑作用的腿这一步起摆动作用，如此往复双足机器人就连续的行走下去。由于双足机器人在连续行走的时候两条腿是不断切换的，我们一般不用左右来区分两个腿，这里我们约定如图(1)所示将与地面接触起支撑作用的脚叫做支撑腿，另外的一条由上一步的落地点移动到这一步的触地点的腿叫做摆动腿。

如图2所示：一种提高双足机器人平衡性和行走速度的装置，包括用于测算ZMP 的底部左脚压力模块(①)和右脚压力模块(②)、用于为整个装置提供实时控制方案的主控系统(⑧)，用于调整双足机器人重心的快速质量调整系统(由③④⑥⑦⑨⑩组成)，所述快速质量调整系统特征在于：左腿足部模块(③)和右腿足部模块(④)外观设计成人的足形状，内部掏空形成一个容器，容器内装有高密度的溶液，微型电泵1(⑨)通过导管1(⑥)抽取左腿足部模块(③)中的高密度溶液到右腿足部模块(④)中，微型电泵2(⑩)通过导管2(⑦)抽取右腿足部模块(④) 中的高密度溶液到左腿足部模块(③)中。不断地调整左腿足部模块(③)和右腿足部模块(④)中溶液的质量进而调整双足机器人两条腿的质量。所述左脚压力模块(①)安装于左腿足部模块(③)上，右脚压力模块(②)安装于右腿足部模块 (④)上，微型电泵1(⑨)、微型电泵2(⑩)和主控系统(⑧)安装于双足机器人的机身上，导管1(⑥)和导管2(⑦)沿着双足机器人的腿部连杆(⑤)安装。

本发明的具体实施例中，一种提高双足机器人平衡性和行走速度的装置及其控制方法，包括以下步骤：

S0、安装好各个装置，此时：右腿足部模块(③)和左腿足部模块(④)中已经注入合适的高密度溶液，我们假设此时左腿在前与地面接触起支撑双足机器人的作用为支撑腿，右腿在后正蹬地准备摆动到这一步的落地点为摆动腿。

S1、当摆动腿蹬地之后，摆动腿离地，离地信号可由摆动腿(右腿)的压力模块(①)探测出；

S2、启动电泵1(⑨)通告导管1(⑥)摆动腿足部模块(③)中的溶液被抽取到支撑腿足部模块(④)中，进而增加支撑腿的质量，减小摆动腿的质量；

S3、主控系统(⑧)实时的采集支撑脚的压力模块(②)数据，计算ZMP平衡点；

S4、ZMP稳定判据满足吗？不满足就在主控系统(⑧)的控制下继续增加支撑腿足部模块(④)中溶液的质量和调节关节角度，增加支撑腿足部模块(④) 中溶液的质量支撑腿重心向下移动ZMP平衡点更容易的进入到支撑多边形中去，达到稳定状态。机器人系统是一个实时性很强的系统，采用增加质量这种方式不需要对关节角度进行很精准的调整，比调节关节角度能更快更好的调整ZMP 平衡点到支撑多边形，双足机器人的稳定性将提高。

S5、摆动腿摆动到这一步的落地点，由于摆动腿足部模块(③)中的溶液质量被抽取到支撑腿足部模块(④)，摆动腿质量减小了，摆动腿能更快的到达落地点，摆动速度快了能加快双足机器人的行走速度。S6、通过压力模块(③)探测摆动腿触地没有。触地之后计算ZMP平衡点是否在支撑多边形内。

S7、抽取支撑腿足部模块(④)中的高密度溶液到摆动腿足部模块(③)中去，调整摆动腿支撑腿的质量，进而调整双足机器人的重心分布，使得ZMP平衡点在支撑多边形中去。

S8、此时支撑腿摆动腿都与地接触，并且双足机器人是稳定的，支撑腿切换为摆动腿，摆动腿切换为支撑腿，重复S1-S7的步骤，进入下一步的行走，双足机器人将持续不断的行走起来。

作者不断地强调这里的溶液是高密度的，密度大在相同的质量下足部模块的容器的容量就可以小一些，足部模块也要小巧好看一些，并且溶液密度在电泵抽水速率一定下调整支撑腿摆动腿的质量速度快一些，系统的调节将更加的灵敏。采用高密度溶液，无论对于双足机器人足部的外观，还是实际支撑腿摆动腿质量的调整控制都将更加的优秀。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (7)

1.一种提高双足机器人平衡性和行走速度的装置，其特征在于，包括：

用于测算ZMP零力矩点的左脚压力模块(1)和右脚压力模块(2)、主控系统(8)以及用于调整双足机器人重心的快速质量调整系统，所述快速质量调整系统包括左腿足部模块(3)和右腿足部模块(4)、第一导管(6)、第二导管(7)、第一微型电泵(9)及第二微型电泵(10)，所述左腿足部模块(3)和右腿足部模块(4)的内部掏空形成一个容器，容器内装有高密度溶液，第一微型电泵(9)通过第一导管(6)抽取左腿足部模块(3)中的高密度溶液到右腿足部模块(4)中，第二微型电泵(10)通过第二导管(7)抽取右腿足部模块(4)中的高密度溶液到左腿足部模块(3)中，第一微型电泵(9)和第二微型电泵(10)在主控系统(8)的控制下调整左腿足部模块(3)和右腿足部模块(4)中高密度溶液的质量而调整双足机器人两条腿的质量；所述左脚压力模块(1)安装于左腿足部模块(3)上，右脚压力模块(2)安装于右腿足部模块(4)上，第一微型电泵(9)及第二微型电泵(10)和主控系统(8)安装于双足机器人的机身上，第一导管(6)、第二导管(7)沿着双足机器人的腿部连杆(5)安装。

2.根据权利要求1所述的一种提高双足机器人平衡性和行走速度的装置，其特征在于，所述左腿足部模块(3)和右腿足部模块(4)通过左脚压力模块(1)和右脚压力模块(2)实时测算双足机器人的ZMP零力矩点。

3.根据权利要求2所述的一种提高双足机器人平衡性和行走速度的装置，其特征在于，所述左脚压力模块(1)和右脚压力模块(2)由多个压力片组合成压力片矩阵。

4.根据权利要求1所述的一种提高双足机器人平衡性和行走速度的装置，其特征在于，所述左腿足部模块(3)和右腿足部模块(4)的外观设计成人的足形状。

5.根据权利要求4所述的一种提高双足机器人平衡性和行走速度的装置，其特征在于，还包括调整ZMP零力矩点到支撑多边形中，所述调整ZMP零力矩点到支撑多边形中是通过调制左腿足部模块(3)和右腿足部模块(4)内高密度溶液的质量，使得ZMP零力矩点在双足机器人与地面的接触点形成的支撑多边形内。

6.根据权利要求1所述的一种提高双足机器人平衡性和行走速度的装置，其特征在于，所述主控系统(8)实时采集左脚压力模块(1)和右脚压力模块(2)数据，计算ZMP零力矩点。

7.一种基于权利要求1-6之一装置的提高双足机器人平衡性和行走速度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S0、安装好各个装置，此时：左腿足部模块(3)和右腿足部模块(4)中已经注入等量的高密度溶液，假设此时左腿在前起支撑作用为支撑腿，右腿在后正蹬地准备摆动到这一步的落地点为摆动腿；

S1、当摆动腿蹬地之后，摆动腿离地，离地信号由左脚压力模块(1)探测出；

S2、启动第一微型电泵(9)或第二微型电泵(10)，通过第一导管(6)或第二导管(7)将摆动腿足部模块中的溶液抽取到支撑腿足部模块中；

S3、主控系统实时采集支撑腿的压力模块数据，计算ZMP零力矩点；

S4、判断ZMP稳定判据满足与否，若不满足就在主控系统的控制下继续增加支撑腿足部模块中溶液的质量和调节关节角度，增加支撑腿足部模块中溶液的质量，支撑腿重心向下移动ZMP零力矩点更容易的进入到支撑多边形中去，直至达到稳定状态；

S5、摆动腿摆动到这一步的落地点，由于摆动腿足部模块中的溶液质量被抽取到支撑腿足部模块，摆动腿质量减小，摆动腿的摆动速度加快，这样双足机器人的行走速度明显加快；

S6、通过压力模块探测摆动腿触地没有，触地之后计算ZMP零力矩点是否在支撑多边形内；

S7、抽取支撑腿足部模块中的高密度溶液到摆动腿足部模块中去，调整摆动腿和支撑腿的质量，调整双足机器人的重心分布，使得ZMP零力矩点到支撑多边形中去；

S8、此时支撑腿摆动腿都与地接触，并且双足机器人是稳定的，支撑腿切换为摆动腿，摆动腿切换为支撑腿，重复S1-S7的步骤，进入下一步的行走，双足机器人将持续不断的行走起来。

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