CN116767381B - 双足机器人、人形机器人及其运动控制方法、系统、介质 - Google Patents

Abstract

本申请提供了双足机器人、人形机器人及其运动控制方法、系统、介质，该运动控制方法包括：根据双足机器人的运动指令，计算双足机器人完成运动指令指示的运动时关节模组的关节扭矩值；根据关节扭矩值和电流‑扭矩映射关系，确定关节模组中电机的输入电流值；根据输入电流值控制关节模组中电机的输入电流，进而控制关节模组中行星减速器的输出扭矩，以使得双足机器人完成运动指令指示的运动。在本申请提供的运动控制方法中，通过提升关节模组的抗冲击能力并通过电机的输入电流控制关节扭矩的精准输出，为双足机器人提供可靠的硬件基础和精准地扭矩控制方案，以满足双足机器人的高动态运动需求。

Description

双足机器人、人形机器人及其运动控制方法、系统、介质

技术领域

本申请涉及机器人及其控制技术领域，尤其涉及双足机器人、人形机器人及其运动控制方法、系统、介质。

背景技术

双足机器人具有与人类相似的运动方式，能够在人类活动的各种复杂环境中自由移动。同时，人类一直希望创造出与人类自身类似的机器人，用于娱乐教育、医疗保健、军事、工业制造、恶劣危险环境作业和救援等领域。双足机器人拥有巨大的发展潜力，已经成为机器人领域的研究热点，并代表着机器人技术的综合发展水平。

在目前的双足机器人设计及其控制方案中，通常在双足机器人的关节模组中集成有扭矩传感器，例如，在谐波减速器和电机构成的关节结构中，将扭矩传感器设置在置在谐波减速器与电机外壳之间且与谐波减速器相连，从而通过扭矩传感器检测谐波减速器的输出扭矩并反馈至双足机器人的控制模块，进而控制模块基于输出扭矩的反馈对双足机器人进行运动控制。

在上述方案中，由于扭矩传感器和谐波减速器抵抗冲击的能力较弱，不具备抵抗高强度冲击力的能力。在高动态运动过程中，通常会产生高强度冲击力，而致使扭矩传感器和谐波减速器无法承受该高强度冲击力的冲击直接损坏或性能降低，使得双足机器人不能满足高动态运动的需求，无法完成高动态运动，例如动态行走、跑和跳跃等。

发明内容

为解决或部分解决相关技术中存在的问题，本申请提供双足机器人、人形机器人及其运动控制方法、系统、介质，通过提升关节模组的抗冲击能力并通过电机的输入电流控制关节扭矩的精准输出，为双足机器人提供可靠的硬件基础和精准地扭矩控制方案，以满足双足机器人的高动态运动需求。

第一方面，本申请提供了一种双足机器人的运动控制方法，包括：

首先，根据双足机器人的运动指令，计算双足机器人完成运动指令指示的运动时关节模组的关节扭矩值；应理解，运动指令是指指示双足机器人执行运动的指令，基于运动指令可以获取相应运动参数信息，例如用户输入的运动速度指令或参考位置指令等；

其中，该双足机器人的关节模组包括行星减速器和电机，但不包括扭矩传感器；

其次，根据关节扭矩值和电流-扭矩映射关系，确定关节模组中电机的输入电流值，其中，电流-扭矩映射关系是关节模组中电机的输入电流与行星减速器的输出扭矩之间的对应关系；上述确定输入电流值是指获取输入电流值，其具体方式可以是计算方式或者查询映射关系表等；

最后，根据输入电流值控制关节模组中电机的输入电流，进而控制关节模组中行星减速器的输出扭矩，以使得双足机器人完成运动指令指示的运动。应理解，上述控制关节模组中行星减速器的输出扭矩是针对双足机器人中的所有关节进行控制，或者是针对运动指令指示的运动所涉及的需要输出扭矩的关节进行控制。

基于上述第一方面中提供的技术方案，可以实现以下有益效果：

由于双足机器人的关节模组使用包括行星减速器和电机但不包括扭矩传感器的结构，行星减速器相比其它减速器具有更强的抗冲击能力并且减少了抗冲击能力弱的扭矩传感器，因此增加了关节模组的抗冲击能力，在双足机器人在进行高动态运动过程中具有更好的抗冲击能力，可以有效降低行星减速器的输出扭矩受外界冲击力的影响，使得行星减速器的输出扭矩的实际扭矩值大小与运动指令指示的运动时关节模组的关节扭矩值之间的误差被大幅降低，从而保证关节扭矩的精准输出，提升关节模组的硬件可靠性，从而为双足机器人的高动态运动提供可靠的硬件基础和准确地扭矩控制，提升双足机器人的运动性能，以满足双足机器人的高动态运动需求，能更好地执行高动态运动的运动指令。

可选的，在第一方面的一些可能的实现方式中，

若运动指令为用户输入的运动速度指令或参考位置指令，上述根据双足机器人的运动指令，计算双足机器人完成运动指示的运动时关节模组的关节扭矩值，包括：

首先，根据运动速度指令或参考位置指令计算双足机器人的机身参考运动加速度；

其中，机身参考运动加速度是指双足机器人在参考位置时的运动加速度，参考位置是双足机器人完成运动速度指令指示的运动之后所处的位置；

其次，使用双足机器人的机身参考运动加速度，基于二次规划进行最优值求解，得到接触力和关节模组的运动加速度；

其中，求解出的运动加速度和接触力均属于最优解，接触力是指双足机器人的足端与地面接触时，地面接触位置反作用于足端的力，即足端接触力；

最后，使用双足机器人的动力学方程式，对接触力和关节模组的运动加速度进行计算得到关节模组的关节扭矩值；

应理解，由于接触力和关节模组的运动加速度均是基于最优值求解计算得到的最优值，因此基于接触力和关节模组的运动加速度计算得到的关节扭矩值也属于最优值。

在该种可能的实现方式中，由于关节模组的关节扭矩值是基于双足机器人的动力学方程式，以及二次规划进行最优值求解可以使得计算出的，应理解，二次规划会建立相应的目标函数和约束条件进行最优值求解，因此可以使得计算出的关节扭矩值更符合双足机器人的运动需求，尤其是高动态运动，实现对双足机器人的关节扭矩的精准控制，提升双足机器人的运动性能。

可选的，在第一方面的一些可能的实现方式中，

上述基于二次规划进行最优值求解的约束条件中包括：双足机器人的足端与地面接触时所需满足的运动学约束条件。

应理解，双足机器人在运动过程中其足端与地面有接触，接触时为了保证双足机器人的运动姿态，需要满足相应的运动学约束条件，否则双足机器人可能不能保持运动姿态，甚至无法站立。

可选的，在第一方面的一些可能的实现方式中，

上述运动学约束条件包括：接触力约束条件或接触保持约束条件中的至少一项；

其中，接触力约束条件用于将关节模组的接触力限制在双足机器人的足端与地面接触位置之间的摩擦力所允许的范围内；

接触保持约束条件用于约束双足机器人的足端与地面接触位置，保持两者之间不发生相对位移。

可选的，在第一方面的一些可能的实现方式中，

除上述接触力约束条件和接触保持约束条件之外，基于二次规划进行最优值求解的约束条件中还可以包括：双足机器人的全身动力学约束条件或关节模组的关节扭矩约束条件中至少一项；

其中，全身动力学约束条件用于约束关节模组的关节扭矩值满足双足机器人的动力学方程式；

关节扭矩约束条件用于限制关节模组的关节扭矩值在关节模组可承受的关节扭矩大小范围内；换言之，关节模组的关节扭矩值在关节模组的最小关节扭矩值和最大关节扭矩值之间。

通常来说，二次规划的约束条件中，约束条件越多，求解出的最优值也更准确，本申请中也不例外，因此，本申请中相比缺少上述四个约束条件中一个或多个的约束条件时且求解出的最优值，基于基于二次规划进行最优值求解的约束条件同时包括：接触力约束条件、接触保持约束条件、双足机器人的全身动力学约束条件和关节模组的关节扭矩约束条件时求解出的最优值更加准确。

在上述基于二次规划进行最优值求解的约束条件对应的实现方式中，由于在最优值求解过程中考虑了接触力约束条件、接触保持约束条件、双足机器人的全身动力学约束条件和关节模组的关节扭矩约束条件，均可以使得计算出的接触力和关节模组的运动加速度更加准确，从而使得基于接触力和关节模组的运动加速度计算出的关节扭矩值的准确度也得以提升，从而进一步提升双足机器人的运动性能，更好地满足双足机器人的高动态运动需求。

第二方面，本申请提供了一种双足机器人，包括：

扭矩计算模块、电流计算模块和扭矩输出控制模块；

扭矩计算模块，用于根据双足机器人的运动指令，计算双足机器人完成运动指令指示的运动时关节模组的关节扭矩值，其中，双足机器人的关节模组包括行星减速器和电机，但不包括扭矩传感器；

电流计算模块，用于根据关节扭矩值和电流-扭矩映射关系，确定关节模组中电机的输入电流值，其中，电流-扭矩映射关系是关节模组中电机的输入电流与行星减速器的输出扭矩之间的对应关系；

扭矩输出控制模块，用于根据输入电流值控制关节模组中电机的输入电流，进而控制关节模组中行星减速器的输出扭矩，以使得双足机器人完成运动指令指示的运动。

基于上述第二方面中提供的技术方案，可以实现以下有益效果：

由于本申请中双足机器人的关节模组中没有扭矩传感器，并且使用了抗冲击能力较强的行星减速器，从而使得关节模组具有更强的抗冲击能力，并且结合控制关节扭矩精准输出的控制方案，使得双足机器人的运动性能得以提升，可以完成高动态运动，同时由于关节模组中没有使用扭矩传感器，扭矩传感器本身的价格昂贵，以及双足机器人中关节模组的数量众多等因素，可以大幅度降低双足机器人的硬件成本。

如上文第一方面中所说，运动指令具体可以是用户输入的运动速度指令。

可选的，在第一方面的一些可能的实现方式中，

当运动指令为用户输入的运动速度指令或参考位置指令时，扭矩计算模块包括加速度计算单元、最优值求解单元和扭矩计算单元；

加速度计算单元，用于根据运动速度指令或参考位置指令，计算双足机器人的机身参考运动加速度；

最优值求解单元，用于使用机身参考运动加速度，基于二次规划进行最优值求解，得到接触力和关节模组的运动加速度；

扭矩计算单元，用于使用双足机器人的动力学方程式，对接触力和关节模组的运动加速度进行计算得到关节扭矩值。

第三方面，本申请提供了一种双足机器人的运动控制系统，双足机器人的关节模组包括行星减速器和电机，但不包括扭矩传感器，运动控制系统控制双足机器人，以使得双足机器人执行如第一方面或其任一种实现方式中的运动控制方法。

需要说明的是，第三方面中的双足机器人的运动控制系统可以实现的技术效果与第一方面的双足机器人的运动控制方法的技术效果一样，可参阅上文第一方面相关部分的描述，此处不再赘述。

第四方面，本申请还提供了一种双足机器人，包括：处理器和存储器；

其中，该存储器上存储有计算机程序代码指令，当该计算机程序代码指令被处理器所调用时，使得双足机器人执行如第一方面或其任一种实现方式中的运动控制方法。

需要说明的是，第四方面中的双足机器人可以实现的技术效果与第二方面的双足机器人的技术效果一样，可参阅上文第二方面相关部分的描述，此处不再赘述。

第五方面，本申请还提供了一种人形机器人，该人形机器人具体可以是如第二方面或第四方面中的双足机器人，用于执行如第一方面或其任一种实现方式中的运动控制方法。

需要说明的是，第五方面中的双足机器人的运动控制系统可以实现的技术效果与第二方面或第四方面中双足机器人的运动控制方法的技术效果一样，可参阅上文第二方面或第四方面中相关部分的描述，此处不再赘述。

第六方面，本申请提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序代码指令，当该计算机程序代码指令被双足机器人的处理器所调用时，使得双足机器人执行如第一方面或其任一种实现方式中的运动控制方法。

需要说明的是，第六面中的计算机可读存储介质被用于双足机器人中时，可以实现的技术效果与第二方面的双足机器人的技术效果一样，可参阅上文第二方面相关部分的描述，此处不再赘述。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

通过结合附图对本申请示例性实施方式进行更详细的描述，本申请的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本申请示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1为本申请实施例中双足机器人的运动控制方法的一个流程示意图；

图2为本申请实施例中关节扭矩计算方法的一个流程示意图；

图3为本申请实施例中双足机器人的一个结构示意图；

图4为本申请实施例中扭矩计算模块的一个结构示意图；

图5为本申请实施例中双足机器人的另一个结构示意图；

图6为本申请实施例中人形机器人的一个侧视图；

图7为本申请实施例中计算机可读存储介质的一个结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本申请的实施方式。虽然附图中显示了本申请的实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本申请而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本申请更加透彻和完整，并且能够将本申请的范围完整地传达给本领域的技术人员。

应当理解，尽管在本申请可能采用术语“第一”、“第二”、“第三”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

本申请提供了双足机器人、人形机器人及其运动控制方法、系统、介质，用于机器人及其控制计算领域，尤其适用于双足机器人；通过提升关节模组的抗冲击能力并通过电机的输入电流控制关节扭矩的精准输出，为双足机器人提供可靠的硬件基础和精准地扭矩控制方案，以满足双足机器人的高动态运动需求。

为了便于理解本申请中技术方案，在对本申请中双足机器人、人形机器人及其运动控制方法、系统、介质所涉及的部分关键技术术语进行描述，具体如下：

减速器，是常用的动力传送机构，关节模组的一部分，与电机连接，起到匹配转速和传递力矩的作用。电机在转动时，电机转子带动减速机的输入轴转动，输入轴通过减速机的减速后，通过输出轴输出。电机转子的转速经过减速机后通过输出轴输出，其转速降低；电机转子的输出力矩经过减速机后，其输出轴输出的力矩增大；

减速比，即减速器的传动比，是指减速机的输入轴瞬时输入的转速（即输入转速）与减速机的输出轴瞬时输出的转速（即输出转速）之间的比值；通常情况，减速机的输入转速与电机转子的转速相同；

行星减速器和谐波减速器，是两类常见的减速器，与谐波减速器相比，行星减速器具备更强的抗冲击能力以及更低的生产成本；

扭矩传感器，是测量扭矩值大小的传感器，其生产成本高，价格昂贵；

扭矩密度，是指单位体积上电机输出轴上输出的额定转矩；扭矩密度越高，电机可以输出的电机扭矩也越大；

力控控制，是机器人运动控制方法中的一种，将动力源的输出力或扭矩作为控制输入，基于被控系统的动力学特性，通过调整动力源输出的力或扭矩控制被控系统的运动；

高动态运动，是指移动速度快，动作灵活的运动，例如动态行走，跑，跳跃等。

二次规划是非线性规划中的一类特殊数学规划问题，具体是指带有二次型目标函数和约束条件的最优化问题。

本申请中双足机器人的运动控制方法主要适用于关节模组采用行星减速器和电机，但没有设置扭矩传感器的关节结构设计的双足机器人，当然，也适用于关节模组采用上述关节结构设计的其它机器人，例如四足机器人等，对此本申请不作任何限定。

下面将结合具体实施例对本申请中的双足机器人的运动控制方法进行说明，具体如下：

图1为本申请实施例中双足机器人的运动控制方法的一个流程示意图；

针对双足机器人中的每一个关节模组执行以下步骤S101-步骤S103中的操作，以对关节模组的输出扭矩进行控制，从而实现对双足机器人的运动控制。

如图1所示，本申请实施例中双足机器人的运动控制方法，包括：

S101、根据双足机器人的运动指令，计算双足机器人完成运动指令指示的运动时关节模组的关节扭矩值。

在步骤S101中，运动指令是指指示双足机器人执行运动的指令，基于运动指令可以获取相应运动参数信息。具体的，运动指令可以是用户输入的运动速度指令，主要包括在双足机器人的机身坐标系下双足机器人机身的移动速度；运动指令还可以是参考位置指令，用于指示双足机器人完成运动之后所处的位置坐标即参考位置。

在步骤S101中，关节模组的关节扭矩值包括双足机器人中每一个关节模组的关节扭矩值，换言之，关节扭矩值的计算需要对双足机器人的每一个关节进行计算。

具体可选的，步骤S101中，根据双足机器人的运动指令，计算双足机器人完成运动指令指示的运动时关节模组的关节扭矩值，包括：

根据运动指令对应的机身参考运动加速度，基于二次规划进行最优值求解，并使用双足机器人的动力学方程式对最优值求解的最优结果进行计算得到上述关节模组的关节扭矩值。其中，机身参考运动加速度机身参考运动加速度是指双足机器人在参考位置时的运动加速度；双足机器人的动力学方程式是指将双足机器人作为动力学系统，应用动力学原理得到的运动方程。应理解，运动指令指示的运动具体可以是高动态运动。

下文中将结合图2对步骤S101中关节扭矩值的计算方式进行说明。

本申请实施例中双足机器人的关节模组包括行星减速器和电机，但不包括扭矩传感器。应理解，关节模组在运动过程中通常会承受一定的冲击力，其输出关节扭矩越大，相应承受的冲击力越大，扭矩传感器作为关节模组中抵抗冲击能力较弱、容易损坏的器件，将其从关节模组中移出，可以提升关节模组的抗冲击能力，同时降低关节模组的硬件成本，同时关节模组使用行星减速器与电机进行配合，由于行星减速器相比谐波减速器等其它减速器，行星减速器的抗冲击性能更强、硬件成本更低，可以进一步地提升关节模组的抗冲击能力，同时进一步降低关节模组的硬件成本。

可选的，为了进一步提升关节模组的输出效率关节输出效率，降低机械损耗，行星减速器可以选用低减速比的，配合高扭矩密度的电机。进一步的，本申请中的电机具体可以是伺服电机等。

S102、根据关节扭矩值和电流-扭矩映射关系，确定关节模组中电机的输入电流值。

在步骤S102中，电流-扭矩映射关系是关节模组中电机的输入电流与行星减速器的输出扭矩之间的对应关系。

具体的，电流-扭矩映射关系可以表现为关系式或关系表，当表现为关系式时，确定关节模组中电机的输入电流值的方式具体为：将关节扭矩值代入该关系式进行计算得到电机的输入电流值；当表现为映射表时，确定关节模组中电机的输入电流值的方式具体为：使用关节扭矩值在所述映射表中进行查询得到电机的输入电流值。

如上文步骤S101中所述，与常见结构的关节模组相比，由行星减速器和电机构成的关节模组具有更强抗冲击能力，正因如此，本申请中的关节模组通过电流-扭矩映射关系对关节模组进行控制更加准确，理由在于：由于本申请中的关节模组具有更强抗冲击能力，可以确保关节模组在高动态运动过程中不被损坏、器件性能衰减速度被降低，因此基于电流-扭矩映射关系计算的关节扭矩值作为理论值与关节模组输出扭矩的实际值之间的误差被缩小，对输出扭矩的控制更加精准。应理解，对于常见结构的关节模组而言，由于其抗冲击能力弱，器件性能衰减较快，难以满足高动态运动的需求。

S103、根据输入电流值控制关节模组中电机的输入电流，进而控制关节模组中行星减速器的输出扭矩。

在步骤S103中，针对双足机器人的每一个关节模组，根据步骤S102计算得到的输入电流值，控制关节模组中电机的输入电流大小，进而控制关节模组中行星减速器的输出扭矩。容易知道，关节模组的关节扭矩是通过输入电流驱动电机运动由电机的输出抽输出电机扭矩，该电机扭矩经行星减速器进行动力传输进行扭矩输出，最终得到关节模组的关节扭矩。

具体的，根据输入电流值控制关节模组中电机的输入电流，具体可以是：控制关节模组中电机的输入电流的大小等于步骤S102中计算的输入电流值，或者，基于步骤S102中计算的输入电流值，在该输入电流值的误差允许范围内控制关节模组中电机的输入电流的大小。

通过上述步骤S101-步骤S103中的运动控制方法，对双足机器人的所有关节进行控制，使得每个关节输出相应的关节扭矩，确保各个关节之间相互协同，以使得双足机器人完成运动指令所指示的运动，例如高动态运动等。

在本申请实施例的技术方案中，由于双足机器人的关节模组使用包括行星减速器和电机但不包括扭矩传感器的结构，行星减速器相比其它减速器具有更强的抗冲击能力并且减少了抗冲击能力弱的扭矩传感器，因此增加了关节模组的抗冲击能力，在双足机器人在进行高动态运动过程中具有更好的抗冲击能力，可以有效降低行星减速器的输出扭矩受外界冲击力的影响，使得行星减速器的输出扭矩的实际扭矩值大小与运动指令指示的运动时关节模组的关节扭矩值之间的误差被大幅降低，从而保证关节扭矩的精准输出，提升关节模组的硬件可靠性，从而为双足机器人的高动态运动提供可靠的硬件基础和准确地扭矩控制，提升双足机器人的运动性能，以满足双足机器人的高动态运动需求，能更好地执行高动态运动的运动指令。

如上文中步骤S101中所述的关节扭矩值的计算可以基于二次规划和双足机器人的动力学方程式得到，为更好地理解此种计算方式，下面将结合图2对其进行说明，具体如下：

图2为本申请实施例中关节扭矩计算方法的一个流程示意图；图2中以运动速度指令和机身位置指令作为运动指令，对关节扭矩计算方式进行说明；

如图2所示，本申请实施例中关节扭矩计算方法，包括：

S201、根据运动速度指令或参考位置指令计算双足机器人的机身参考运动加速度。

在步骤S201中，如上文所述，机身参考运动加速度是指双足机器人在参考位置时的运动加速度，参考位置是双足机器人完成运动速度指令指示的运动之后所处的位置。

基于参考位置指令计算双足机器人的机身参考运动加速度的计算公式如下：

（1）

在上述公式（1）中，是机身参考运动加速度；/>是前馈机身运动加速度；/>是位置反馈控制矩阵；/>是速度反馈控制矩阵；/>是双足机器人机身在运动前的三维坐标值；/>是参考位置指令中指示的双足机器人机身的三维坐标位置。

应理解，参考位置指令中直接指示了双足机器人机身的三维坐标位置，该三维位置坐标即为上文中所述的参考位置。

运动速度指令指示的是在双足机器人的机身坐标系下双足机器人机身的移动速度，基于运动速度指令计算双足机器人的机身参考运动加速度包括：

首先，获取运动速度指令中指示的双足机器人机身的移动速度；其次，对双足机器人机身的移动速度进行积分运算得到双足机器人机身的参考位置的三维坐标位置，最后，将双足机器人机身的参考位置的三维坐标位置代入上述公式（1）中进行计算得到双足机器人的机身参考运动加速度。

S202、使用双足机器人的机身参考运动加速度，基于二次规划进行最优值求解，得到接触力和关节模组的运动加速度。

在步骤S202中，接触力是指双足机器人的足端与地面接触时，地面接触位置反作用于足端的力，也可以称之为足端接触力。

由于二次规划是一种最优化问题的规划解决方案，因此，基于步骤S202中的最优值求解得到的接触力和关节模组的运动加速度均属于最优值，当然，在很大程度上该最优值是基于目标函数的设定，和约束条件的选择确定的。

在基于二次规划进行最优值求解过程中，约束条件的选择对于最优值的准确性提升具有重要作用。本申请中约束条件具体如下：

具体可选的，上述基于二次规划进行最优值求解的约束条件包括：双足机器人的足端与地面接触时所需满足的运动学约束条件，以保持双足机器人的运动姿态。应理解，双足机器人在运动过程中其足端与地面有接触，接触时为了保证双足机器人的运动姿态，需要满足相应的运动学约束条件，否则双足机器人可能不能保持运动姿态，甚至无法站立。

进一步可选的，上述双足机器人的足端与地面接触时所需满足的运动学约束条件包括：接触力约束条件或接触保持约束条件中的至少一项；其中，接触力约束条件用于将关节模组的接触力限制在双足机器人的足端与地面接触位置之间的摩擦力所允许的范围内；接触保持约束条件用于约束双足机器人的足端与地面接触位置，保持两者之间不发生相对位移。应理解，相比之下，同时包括接触力约束条件和接触保持约束条件时，其计算得到的最优值更加准确。

为了进一步提升最优值的准确性，进一步可选的，除考虑上述接触力约束条件和接触保持约束条件之外，基于二次规划进行最优值求解的约束条件中还可以包括：双足机器人的全身动力学约束条件或关节模组的关节扭矩约束条件中至少一项；其中，全身动力学约束条件用于约束关节模组的关节扭矩值满足双足机器人的动力学方程式；关节扭矩约束条件用于限制关节模组的关节扭矩值在关节模组可承受的关节扭矩大小范围内；换言之，关节模组的关节扭矩值在关节模组的最小关节扭矩值和最大关节扭矩值之间。

同样的原理，相比之下，同时包括双足机器人的全身动力学约束条件和关节模组的关节扭矩约束条件这两个约束条件时，其计算得到的最优值更加准确。

基于上述四个约束条件，可以知道，在通常的应用场景下，本申请当同时具备上述四个约束条件：接触力约束条件、接触保持约束条件、双足机器人的全身动力学约束条件和关节模组的关节扭矩约束条件，此种情形下，计算出的接触力和关节模组的加速度的最优值的准确度更高。当然，对于一些特殊应用场景，也可能使用包括上述四个约束条件中的部分约束条件时可以实现与同时使用上述四个约束条件中的全部约束条件具有相同技术效果的情形，对此本申请不作任何限定。

与约束条件类似，在基于二次规划进行最优值求解过程中，目标函数确定对于最优值的准确性提升也具有重要作用。

为确保接触力和关节模组的加速度的计算准确性，在本申请中目标函数具体如下：

进一步可选的，上述二次规划进行最优值求解的目标函数可以包括：

（2）；

在上述目标函数（2）中，为质心与姿态加速度；/>是机身参考运动加速度；/>为机身任务权重矩阵；/>为足端加速度；/>为足端参考加速度；为足端任务权重矩阵。

相应的，基于上述目标函数（2）相应的接触力约束条件、接触保持约束条件、双足机器人的全身动力学约束条件和关节模组的关节扭矩约束条件可以分别为：

接触力约束条件：（3），

在公式（3）中为接触力，/>是双足机器人的足端与地面之间的接触点数量；/> 为接触力约束矩阵，其中接触力约束矩阵中包括单向接触力约束以及摩擦力约束。

接触保持约束条件：（4），

在公式（4）中，为双足机器人的足端接触雅可比矩阵；为关节模组的运动加速度；/>为接触雅可比矩阵的一阶微分；/>为关节模组的运动加速度/>对时间的积分，即关节模组的运动速度。

双足机器人的全身动力学约束条件：（5），

在公式（5）中，为双足机器人的质量矩阵；/>为广义坐标，表示/>个关节的角度与浮动基座的6个坐标值；/>为关节模组的运动加速度；/>为科里奥利和离心力项；/>为重力项；/>为选择矩阵；/>为关节模组的关节扭矩；/>为双足机器人的足端接触雅可比矩阵；/>为矩阵的转置；/>为接触力，/>为双足机器人的足端与地面之间的接触点数量。

关节模组的关节扭矩约束条件：（6），

在公式（6）中，和/>分别为关节模组能承受的最小关节扭矩值和最大关节扭矩值，/>为关节模组的关节扭矩。

应理解，当上述目标函数（2）在相应约束条件下取得最小值时，求解得到的接触力和关节模组的加速度均为最优值。

S203、使用双足机器人的动力学方程式，对接触力和关节模组的运动加速度进行计算得到关节模组的关节扭矩值。

在步骤S203中，双足机器人的动力学方程式即为上述作为约束条件的公式（5）。关节扭矩值的计算方式具体是：将步骤S202中计算得到的接触力和关节模组的加速度，代入双足机器人的动力学方程式即公式（5）中进行计算得到关节模组的关节扭矩值。

在本申请实施例的关节扭矩计算方法的技术方案中，由于关节模组的关节扭矩值是基于双足机器人的动力学方程式，以及二次规划进行最优值求解可以使得计算出的，应理解，二次规划会建立相应的目标函数和约束条件进行最优值求解，因此可以使得计算出的关节扭矩值更符合双足机器人的运动需求，尤其是高动态运动，实现对双足机器人的关节扭矩的精准控制，提升双足机器人的运动性能。

基于上述双足机器人的运动控制方法，本申请实施例中还提供了一种双足机器人，该双足机器人不仅可以实现大幅度降低双足机器人的硬件成本，还可以满足高动态运动的需求。

下面将结合附图3对本申请中双足机器人的结构及其功能进行说明，具体如下：

图3为本申请实施例中双足机器人的一个结构示意图；

如图3所示，本申请实施例中双足机器人30包括：扭矩计算模块301、电流计算模块302和扭矩输出控制模块303；

扭矩计算模块301，用于根据双足机器人的运动指令，计算双足机器人完成运动指令指示的运动时关节模组的关节扭矩值，其中，双足机器人的关节模组包括行星减速器和电机，但不包括扭矩传感器；

电流计算模块302，用于根据关节扭矩值和电流-扭矩映射关系，确定关节模组中电机的输入电流值，其中，电流-扭矩映射关系是关节模组中电机的输入电流与行星减速器的输出扭矩之间的对应关系；

扭矩输出控制模块303，用于根据输入电流值控制关节模组中电机的输入电流，进而控制关节模组中行星减速器的输出扭矩，以使得双足机器人完成运动指令指示的运动。

从上述双足机器人30的组成结构中可以看出，由于双足机器人的关节模组中没有扭矩传感器，并且使用了抗冲击能力较强的行星减速器，从而使得关节模组具有更强的抗冲击能力，并且结合控制关节扭矩精准输出的控制方案，使得双足机器人的运动性能得以提升，可以完成高动态运动，同时由于关节模组中没有使用扭矩传感器，扭矩传感器本身的价格昂贵，以及双足机器人中关节模组的数量众多等因素，可以大幅度降低双足机器人的硬件成本。

进一步可选的，在本申请双足机器人30的一些实施方式中，如上文运动控制方法的实施例中所记载：运动指令可以是用户输入的运动速度指令，也可以是参考位置指令，此种情形下，上述扭矩计算模块301可以是图4所示的结构。

图4为本申请实施例中扭矩计算模块的一个结构示意图；

如图4所示，扭矩计算模块301包括：加速度计算单元3011、最优值求解单元3012和扭矩计算单元3013；当运动指令为用户输入的运动速度指令或参考位置指令时，扭矩计算模块301各单元执行以下操作：

加速度计算单元3011，用于根据运动速度指令或参考位置指令，计算双足机器人的机身参考运动加速度；

最优值求解单元3012，用于使用机身参考运动加速度，基于二次规划进行最优值求解，得到接触力和关节模组的运动加速度；

扭矩计算单元3013，用于使用双足机器人的动力学方程式，对接触力和关节模组的运动加速度进行计算得到关节扭矩值。

通过扭矩计算模块301中加速度计算单元3011、最优值求解单元3012和扭矩计算单元3013三个单元协同工作，实现基于双足机器人的动力学方程式，以及二次规划进行最优值求解得到关节模组的关节扭矩值。由于二次规划会建立相应的目标函数和约束条件进行最优值求解，因此可以使得计算出的关节扭矩值更符合双足机器人的运动需求，尤其是高动态运动，实现对双足机器人的关节扭矩的精准控制，提升双足机器人的运动性能。

进一步可选的，在本申请双足机器人30的一些实施方式中，上述基于二次规划进行最优值求解的约束条件中包括：双足机器人的足端与地面接触时所需满足的运动学约束条件。

具体可选的，在本申请双足机器人30的一些实施方式中，上述运动学约束条件包括：接触力约束条件或接触保持约束条件中的至少一项；

其中，接触力约束条件用于将关节模组的接触力限制在双足机器人的足端与地面接触位置之间的摩擦力所允许的范围内；

接触保持约束条件用于约束双足机器人的足端与地面接触位置，保持两者之间不发生相对位移。

进一步可选的，在本申请双足机器人30的一些实施方式中，除上述接触力约束条件和接触保持约束条件之外，基于二次规划进行最优值求解的约束条件中还可以包括：双足机器人的全身动力学约束条件或关节模组的关节扭矩约束条件中至少一项；

其中，全身动力学约束条件用于约束关节模组的关节扭矩值满足双足机器人的动力学方程式；

关节扭矩约束条件用于限制关节模组的关节扭矩值在关节模组可承受的关节扭矩大小范围内；换言之，关节模组的关节扭矩值在关节模组的最小关节扭矩值和最大关节扭矩值之间。

需要说明的是，本申请双足机器人30中各个模块、单元的功能可参阅上文图1和图2对应的方法实施例的步骤部分类似，可参阅其相关步骤中的具体描述，对此本申请将不再赘述。

与上述双足机器人的运动控制方法的实施例部分对应，本申请实施例中还提供了一种双足机器人，具体如下：

图5为本申请实施例中双足机器人的另一个结构示意图；

如图5所示，本申请实施例中双足机器人50包括存储器501和处理器502。存储器501上存储有计算机程序代码指令，当计算机程序代码指令被处理器502执行时，使处理器502执行上述任一实施例中的方法。

处理器502可以是CPU，还可以是其他通用处理器、DSP、ASIC、FPGA 或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

存储器501可以包括各种类型的存储单元，例如系统内存、只读存储器（ROM），和永久存储装置。其中，ROM可以存储处理器502或者计算机的其他模块需要的静态数据或者指令。永久存储装置可以是可读写的存储装置。永久存储装置可以是即使计算机断电后也不会失去存储的指令和数据的非易失性存储设备。在一些实施方式中，永久性存储装置采用大容量存储装置（例如磁或光盘、闪存）作为永久存储装置。另外一些实施方式中，永久性存储装置可以是可移除的存储设备（例如软盘、光驱）。系统内存可以是可读写存储设备或者易失性可读写存储设备，例如动态随机访问内存。系统内存可以存储一些或者所有处理器在运行时需要的指令和数据。此外，存储器501可以包括任意计算机可读存储媒介的组合，包括各种类型的半导体存储芯片（DRAM，SRAM，SDRAM，闪存，可编程只读存储器），磁盘和/或光盘也可以采用。在一些实施方式中，存储器501可以包括可读和/或写的可移除的存储设备，例如激光唱片（CD）、只读数字多功能光盘（例如DVD-ROM，双层DVD-ROM）、只读蓝光光盘、超密度光盘、闪存卡（例如SD卡、min SD卡、Micro-SD卡等等）、磁性软盘等等。计算机可读存储媒介不包含载波和通过无线或有线传输的瞬间电子信号。

存储器501上存储有计算机程序代码指令，当计算机程序代码指令被处理器502处理时，可以使处理器502执行上文述及的方法中的部分或全部。

此外，根据本申请的方法还可以实现为一种计算机程序或计算机程序产品，该计算机程序或计算机程序产品包括用于执行本申请的上述方法中部分或全部步骤的计算机程序代码指令。

或者，本申请还可以实施为一种计算机可读存储介质（或机器可读存储介质），其上存储有计算机程序代码指令（或计算机程序、或计算机指令代码），当计算机程序代码指令（或计算机程序、或计算机指令代码）被物联网IOT终端（或电子设备、服务器等）的处理器执行时，使处理器执行根据本申请的上述方法的各个步骤的部分或全部。

与上述图3、图4和图5对应的双足机器人类似，本申请还可以实施为一种人形机器人，该人形机器人包括上述图3、图4或图5任意一个实施例对应的双足机器人，换言之，本申请中人形机器人实质上机器人外形为人形的双足机器人，也可以称之为人形双足机器人或人足机器人。

本申请中人形机器人的关节模组同样采用包括行星减速器和电机，但不包括扭矩传感器的结构进行设计，可以执行如上文中图1和图2对应的运动控制方法中所述的所有操作。其具体描述可参阅上述图1和图2的相关部分，此处不再重复赘述。

图6为本申请实施例中人形机器人的一个侧视图；

如图6所示，本申请实施例中人形机器人60包括机身601和下肢602，其中机身601中设置有控制器601。应理解，下肢602包括两条腿，由于图6所示为侧视图，因此两条腿存在重合。

一方面，该控制器601可以包括存储器和处理器，其中存储器上存储有计算机程序代码指令，处理器读取计算机程序代码指令以执行上述方法中部分或全部步骤。

另一方面，该控制器601可以包括处理器，并设置外接存储接口，通过外接存储接口与外接存储器连接，以使得处理器读取外接存储器中存储的计算机程序代码指令以执行上述方法中部分或全部步骤。

进一步，需要说明的是，存储器和处理器的具体类型可参阅上述图5中存储器501和处理器502，对此此处不再赘述。

图7为本申请实施例中计算机可读存储介质的一个结构示意图；

如图7所示，本申请实施例中计算机可读存储介质70，其上存储有计算机程序代码指令701，当计算机程序代码指令701被双足机器人的处理器执行时，使双足机器人执行上述方法中部分或全部步骤。具体执行及其实现过程可参阅上述方法实施例的描述，此处不再赘述。

本领域技术人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件的方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应该认为超出本申请的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系属于仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或者操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语包括、包含或者其他任何变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。

以上已经描述了本申请的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (9)

1.一种双足机器人的运动控制方法，其特征在于，包括：

根据所述双足机器人的运动指令，计算所述双足机器人完成所述运动指令指示的运动时关节模组的关节扭矩值，其中，所述双足机器人的关节模组包括行星减速器和电机，但不包括扭矩传感器；

根据所述关节扭矩值和电流-扭矩映射关系，确定所述关节模组中电机的输入电流值，其中，所述电流-扭矩映射关系是所述关节模组中电机的输入电流与行星减速器的输出扭矩之间的对应关系；

根据所述输入电流值控制所述关节模组中电机的输入电流，进而控制所述关节模组中行星减速器的输出扭矩，以使得所述双足机器人完成所述运动指令指示的运动；

所述运动指令为用户输入的运动速度指令或参考位置指令，所述根据所述双足机器人的运动指令，计算所述双足机器人完成所述运动指令指示的运动时关节模组的关节扭矩值，包括：

根据所述运动速度指令或所述参考位置指令，计算所述双足机器人的机身参考运动加速度；

使用所述机身参考运动加速度，基于二次规划进行最优值求解，得到接触力和关节模组的运动加速度；

使用所述双足机器人的动力学方程式，对所述接触力和所述关节模组的运动加速度进行计算得到所述关节扭矩值。

2.根据权利要求1所述的运动控制方法，其特征在于，

所述基于二次规划进行最优值求解的约束条件中包括：所述双足机器人的足端与地面接触时所需满足的运动学约束条件。

3.根据权利要求2所述的运动控制方法，其特征在于，

所述运动学约束条件包括：接触力约束条件，和/或接触保持约束条件；

其中，所述接触力约束条件用于将所述关节模组的接触力限制在所述双足机器人的足端与地面接触位置之间的摩擦力所允许的范围内；

所述接触保持约束条件用于约束所述双足机器人的足端与地面接触位置，保持两者之间不发生相对位移。

4.根据权利要求3所述的运动控制方法，其特征在于，

所述基于二次规划进行最优值求解的约束条件中还包括：所述双足机器人的全身动力学约束条件，和/或所述关节模组的关节扭矩约束条件；

其中，所述全身动力学约束条件用于约束所述关节模组的关节扭矩值满足所述双足机器人的动力学方程式；

所述关节扭矩约束条件用于限制所述关节模组的关节扭矩值在所述关节模组可承受的关节扭矩大小范围内。

5.一种双足机器人，其特征在于，包括：

扭矩计算模块、电流计算模块和扭矩输出控制模块；

所述扭矩计算模块，用于根据所述双足机器人的运动指令，计算所述双足机器人完成所述运动指令指示的运动时关节模组的关节扭矩值，其中，所述双足机器人的关节模组包括行星减速器和电机，但不包括扭矩传感器；

所述电流计算模块，用于根据所述关节扭矩值和电流-扭矩映射关系，确定所述关节模组中电机的输入电流值，其中，所述电流-扭矩映射关系是所述关节模组中电机的输入电流与行星减速器的输出扭矩之间的对应关系；

所述扭矩输出控制模块，用于根据所述输入电流值控制所述关节模组中电机的输入电流，进而控制所述关节模组中行星减速器的输出扭矩，以使得所述双足机器人完成所述运动指令指示的运动；

所述运动指令为用户输入的运动速度指令或参考位置指令，所述扭矩计算模块包括加速度计算单元、最优值求解单元和扭矩计算单元；

所述加速度计算单元，用于根据所述运动速度指令或所述参考位置指令，计算所述双足机器人的机身参考运动加速度；

所述最优值求解单元，用于使用所述机身参考运动加速度，基于二次规划进行最优值求解，得到关节模组的运动加速度和接触力；

所述扭矩计算单元，用于使用所述双足机器人的动力学方程式，对所述关节模组的运动加速度和接触力进行计算得到所述关节扭矩值。

6.一种双足机器人的运动控制系统，其特征在于，所述双足机器人的关节模组包括行星减速器和电机，但不包括扭矩传感器，所述运动控制系统控制所述双足机器人，以使得所述双足机器人执行如权利要求1～4任一项中所述的运动控制方法。

7.一种双足机器人，其特征在于，包括：

处理器和存储器，其中所述存储器上存储有计算机程序代码指令；

当所述计算机程序代码指令被所述处理器所调用时，使得所述双足机器人执行如权利要求1～4任一项中所述的运动控制方法。

8.一种人形机器人，其特征在于，包括：如权利要求5或7中所述的双足机器人。

9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序代码指令，当所述计算机程序代码指令被双足机器人的处理器所调用时，使得所述双足机器人执行如权利要求1～4任一项中所述的运动控制方法。