CN102139714A - 仿人机器人及其步行控制方法 - Google Patents

Abstract

在此公开一种仿人机器人及其步行控制方法，所述仿人机器人基于对关节扭矩的伺服控制来实现稳定的步行。所述仿人机器人利用传感器的测量值来计算关节位置轨迹补偿值和关节扭矩补偿值、利用计算出来的补偿值对关节位置轨迹和关节扭矩进行补偿并根据补偿后的关节扭矩来驱动安装到每个关节的电机。

Description

仿人机器人及其步行控制方法

本申请要求于2010年1月18日提交到韩国知识产权局的第2010-0004285号韩国专利申请的权益，该申请公开的内容通过引用被包含于此。

技术领域

本发明的实施例涉及一种仿人机器人及其步行控制方法，该仿人机器人对安装到每个关节的电机的扭矩进行伺服控制，以实现稳定的步行。

背景技术

对具有与人类的关节***类似的关节***的双足步行机器人进行了研究，从而该机器人可被容易地应用于人类的工作，生存空间得到积极的引导。

这样的双足机器人的步行控制方法的示例包括基于位置的零力矩点(ZMP)步行控制方法、基于扭矩的动态步行控制方法以及有限状态机(FSM)步行控制方法。

在基于ZMP的步行控制方法中，预先设置步行方向、步宽、步行速率等，利用ZMP约束条件来创建与预设项目对应的身体和脚的步行模式，并通过步行模式的逆向运动学计算来计算每条腿的关节位置轨迹。另外，基于ZMP的步行控制方法通过位置伺服控制来实现，以使每条腿的关节能够跟踪计算出来的关节位置轨迹。在步行过程中，控制每条腿的关节，以准确地跟踪从步行模式所获得的关节位置轨迹。

在基于ZMP的步行控制方法中，机器人在步行的同时不断地弯曲其膝盖，从而在通过逆向运动学计算每个关节的角度时避免了运动奇异性。因此，机器人可能不会像人类那样自然地行走。

在基于ZMP的步行控制方法中，可准确地控制每个关节的位置，从而控制ZMP，因此，位置伺服控制增益高。所以，电机的电流高，因此能效低。另外，每个关节的刚度增加，因此，在与障碍物发生碰撞时，每个关节可能会将极大的冲击力施加到障碍物。

在基于FSM的步行控制方法中，预先设置步行机器人的操作状态(指示FSM的状态)，并通过参照步行过程中的操作状态来计算每个关节的扭矩，从而使机器人行走得当。

在基于FSM的步行控制方法中，机器人可通过改变步行过程中的操作状态来采取各种姿势。然而，由于在受约束的操作状态下采取每个姿势，因此执行用于保持机器人平衡的单独操作，而不管用于执行任务的步行操作如何。平衡操作的典型示例为机器人跺脚的步进动作。由于这样的操作而造成时间延迟和能量浪费。

仿人机器人被视为与周围的环境相互影响，从而将基于FSM的步行施加到在保持平衡方面比四足机器人困难的仿人机器人，例如，双足机器人。即，根据周围的环境对机器人的操作状态进行反馈，从而控制机器人的步行操作。

发明内容

本发明的一方面在于提供一种仿人机器人及其步行控制方法，该仿人机器人在基于有限状态机(FSM)的步行控制过程中对安装到每个关节的电机的扭矩进行伺服控制，以实现稳定的步行。

本发明的其他方面将在下面的描述中进行部分阐述，部分将通过描述而明白，或可通过本发明的实践而了解。

根据本发明的一方面，一种仿人机器人包括：机器人关节单元，包括在机器人步行过程中可活动的关节，电机安装到机器人关节单元的每个关节；传感器单元，测量机器人的落地信息和姿势信息；关节位置轨迹创建单元，利用机器人的落地信息和姿势信息来创建每个关节的关节位置轨迹；关节位置轨迹补偿值计算单元，计算关节位置轨迹补偿值，以对每个关节的关节位置轨迹进行补偿；关节扭矩计算单元，利用关节位置轨迹补偿值对每个关节的关节位置轨迹进行补偿，并根据每个关节的补偿后的关节位置轨迹来计算每个关节的关节扭矩；关节扭矩补偿值计算单元，计算关节扭矩补偿值，以对每个关节的关节扭矩进行补偿；关节扭矩伺服控制单元，利用关节扭矩补偿值对每个关节的关节扭矩进行补偿、计算电机电流以跟踪每个关节的补偿后的关节扭矩并根据计算出来的电机电流对电机的扭矩进行伺服控制。

所述传感器单元可包括：多轴力和力矩(F/T)传感器，用于测量机器人的落地状态；姿势传感器，用于测量机器人的姿势。

所述关节位置轨迹创建单元可包括：多个状态机，在仿人机器人的左脚或右脚落地时交替地进行操作；关节位置轨迹计算器，根据所述多个状态机之间的切换情况来确定左脚或右脚的落地状态，从而计算每个关节的关节位置轨迹。

关节扭矩计算单元可包括第一位置运算器、第二位置运算器、第三位置运算器、比例增益控制器以及微分增益控制器，所述关节扭矩计算单元可计算由等式1所表示的每个关节的关节扭矩τ_d，

等式1

${\mathrm{\τ}}_d=k_p({\mathrm{\θ}}_d-\mathrm{\θ})+k_d({\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_d-\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}})+{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ff}}$

第一位置运算器可将通过关节位置轨迹θ_d减去从电机反馈的关节当前位置θ所获得的减值θ_d-θ输出到比例增益控制器，比例增益控制器可将通过以比例增益k_p乘减值θ_d-θ所获得的乘值k_p(θ_d-θ)输出到第二位置运算器，第三位置运算器可将通过由微分得到的关节位置轨迹减去由微分得到的关节当前位置

所获得的减值

输出到微分增益控制器，微分增益控制器可将通过以微分增益k_d乘减值所获得的乘值

输出到第二位置运算器，第二位置运算器可将利用逆向动力学预先计算出来的前馈参数τ_ff加到乘值k_p(θ_d-θ)和

从而输出每个关节的关节扭矩τ_d。

所述传感器单元还可包括编码器，所述编码器安装到电机，用于测量关节当前位置θ。

所述关节扭矩伺服控制单元可包括电机控制器以及用于测量电机的扭矩的扭矩传感器，当通过扭矩传感器测得的关节扭矩值被反馈到电机控制器时，电机控制器可控制将被驱动的电机，使得该电机跟踪每个关节的关节扭矩。

电机控制器可包括第一扭矩运算器、第二扭矩运算器、第三扭矩运算器、比例增益控制器、积分器、积分增益控制器以及微分增益控制器，所述电机控制器可计算由等式2所表示的电机电流i，

等式2

$i=k_p({\mathrm{\τ}}_d-\mathrm{\τ})+k_d({\stackrel{\·}{\mathrm{\τ}}}_d-\stackrel{\·}{\mathrm{\τ}})+k_i\∫({\mathrm{\τ}}_d-\mathrm{\τ})\mathrm{dt}+i_{\mathrm{ff}}$

第一扭矩运算器可将通过关节扭矩τ_d减去从扭矩传感器反馈的电机当前扭矩τ所获得的减值τ_d-τ输出到比例增益控制器，比例增益控制器可将通过以比例增益k_p乘减值τ_d-τ所获得的乘值k_p(τ_d-τ)输出到第二扭矩运算器，积分器可对减值τ_d-τ进行积分并将其输出到积分增益控制器，积分增益控制器可将通过以积分增益k_i乘积分后的减值∫(τ_d-τ)所获得的乘值k_i∫(τ_d-τ)输出到第二扭矩运算器，第三扭矩运算器可将通过由微分得到的关节扭矩

减去由微分得到的电机当前扭矩

所获得的减值

输出到微分增益控制器，微分增益控制器可将通过以微分增益k_d乘减值

所获得的乘值

输出到第二扭矩运算器，第二扭矩运算器可将利用逆向动力学预先计算出来的前馈参数i_ff加到乘值k_p(τ_d-τ)、

和k_i∫(τ_d-τ)，从而输出电机电流i。

所述传感器单元可包括用于测量机器人的落地状态的多轴F/T传感器以及用于测量机器人的姿势的姿势传感器，当机器人的脚落地时，关节位置轨迹补偿值计算单元可基于从多轴F/T传感器接收的力和力矩信息以及从姿势传感器接收的机器人的姿势信息来计算关节位置轨迹补偿值h，关节扭矩计算单元可根据利用关节位置轨迹补偿值h所补偿的由等式3所表示的关节位置轨迹θ_d来计算关节扭矩，

等式3

其中，θ_d0为原始的关节位置轨迹，关节位置轨迹补偿值h由从包括机器人的重心x、相对于地面的力f、相对于地面的力矩m、机器人的零力矩点ZMP以及机器人的倾角

的各种参数中选择的一个参数所表示的函数计算得出。

关节位置轨迹补偿值可由等式4所表示地进行计算，

等式4

$h\left(x\right)=k_{\mathrm{px}}(x_d-x)+k_{\mathrm{dx}}({\stackrel{\·}{x}}_d-\stackrel{\·}{x})$

其中，x_d为机器人的重心的命令值，x为机器人的重心的实际值，k_px为比例增益，

为机器人的重心的速度，

为机器人的重心的速度的实际值，k_dx为微分增益。

所述传感器单元可包括用于测量机器人的落地状态的多轴F/T传感器以及用于测量机器人的姿势的姿势传感器，当机器人的脚落地时，关节扭矩补偿值计算单元可基于从多轴F/T传感器接收的力和力矩信息以及从姿势传感器接收的机器人的姿势信息来计算关节扭矩补偿值g，关节扭矩伺服控制单元可根据由等式5所表示的补偿后的关节扭矩τ_d来计算关节扭矩，

等式5

其中，τ_d0为原始的关节扭矩，关节扭矩补偿值g由从包括机器人的重心x、相对于地面的力相对于地面的力矩m、机器人的零力矩点ZMP以及机器人的倾角的各种参数中选择的一个参数所表示的函数计算得出。

关节扭矩补偿值可由等式6所表示地进行计算，

等式6

$g\left(x\right)={k^{\′}}_{\mathrm{px}}(x_d-x)+{k^{\′}}_{\mathrm{dx}}({\stackrel{\·}{x}}_d-\stackrel{\·}{x})$

其中，x_d为机器人的重心的命令值，x为机器人的重心的实际值，k′_px为比例增益，

为机器人的重心的速度，

为机器人的重心的速度的实际值，k′_dx为微分增益。

根据本发明的另一方面，一种仿人机器人的步行控制方法包括：计算每个关节的关节位置轨迹，以执行机器人的步行；利用通过安装在机器人中的传感器单元测得的机器人的落地信息和姿势信息来计算关节位置轨迹补偿值，以对每个关节的关节位置轨迹进行补偿；根据利用关节位置轨迹补偿值所补偿的关节位置轨迹来计算每个关节的关节扭矩；利用通过安装在机器人中的传感器单元测得的机器人的落地信息和姿势信息来计算关节扭矩补偿值，以对每个关节的关节扭矩进行补偿；计算电机电流，以跟踪利用关节扭矩补偿值所补偿的关节扭矩，并根据计算出来的电机电流对安装到每个关节的电机的扭矩进行伺服控制。

计算关节位置轨迹的步骤可包括：确定左脚或右脚的落地状态，以计算每个关节的关节位置轨迹。

计算每个关节的关节扭矩的步骤可包括：输出通过每个关节的关节位置轨迹θ_d减去关节当前位置θ所获得的减值θ_d-θ；输出通过以比例增益k_p乘减值θ_d-θ所获得的乘值k_p(θ_d-θ)；输出通过由微分得到的关节位置轨迹

减去由微分得到的关节当前位置

所获得的减值

输出通过以微分增益kd乘减值

所获得的乘值

将利用逆向动力学预先计算出来的前馈参数τ_ff加到乘值k_p(θ_d-θ)和

从而输出每个关节的关节扭矩τ_d。

计算电机电流的步骤可包括：输出通过关节扭矩τ_d减去电机当前扭矩τ所获得的减值τ_d-τ；输出通过以比例增益k_p乘减值τ_d-τ所获得的乘值k_p(τ_d-τ)；对减值τ_d-τ进行积分；输出通过以积分增益k_i乘积分后的减值∫(τ_d-τ)所获得的乘值k_i∫(τ_d-τ)；输出通过由微分得到的关节扭矩减去由微分得到的电机当前扭矩

所获得的减值

输出通过以微分增益k_d乘减值

所获得的乘值

将利用逆向动力学预先计算出来的前馈参数i_ff加到乘值k_p(τ_d-τ)、

和k_i∫(τ_d-τ)，从而输出电机电流i。

所述步行控制方法还可包括：基于从测量机器人的落地状态的多轴F/T传感器接收的力和力矩信息以及从测量机器人的姿势的姿势传感器接收的机器人的姿势信息来计算关节位置轨迹补偿值h，关节位置轨迹补偿值h可由从包括机器人的重心x、相对于地面的力f、相对于地面的力矩m、机器人的零力矩点ZMP以及机器人的倾角的各种参数中选择的一个参数所表示的函数计算得出，可通过将计算出来的关节位置轨迹补偿值h加到原始的关节位置轨迹θ_d0来获得补偿后的关节位置轨迹θ_d。

所述步行控制方法还可包括：基于从测量机器人的落地状态的多轴F/T传感器接收的力和力矩信息以及从测量机器人的姿势的姿势传感器接收的机器人的姿势信息来计算关节扭矩补偿值g，关节扭矩补偿值g可由从包括机器人的重心x、相对于地面的力f、相对于地面的力矩m、机器人的零力矩点ZMP以及机器人的倾角

的各种参数中选择的一个参数所表示的函数计算得出，可通过将计算出来的关节扭矩补偿值g加到原始的关节扭矩τ_d0来获得补偿后的关节扭矩τ_d。

附图说明

通过下面结合附图对实施例进行的描述，本发明的这些和/或其他方面将会变得清楚和更加容易理解，其中：

图1是示出根据本发明的实施例的仿人机器人的外观的视图；

图2是示出图1的仿人机器人的关节结构的视图；

图3是示出根据本发明的实施例的在基于有限状态机(FSM)的步行过程中施加的控制操作和机器人操作状态的视图；

图4是根据本发明的实施例的仿人机器人的控制框图；

图5是图4的关节位置轨迹创建单元的详细构造图；

图6是示出根据本发明的实施例的根据利用关节位置轨迹计算出来的关节扭矩来驱动电机的操作的框图；

图7是图4的关节扭矩伺服控制单元的详细构造图；

图8是示出根据本发明的实施例的对根据关节扭矩而驱动的电机进行伺服控制的操作的框图；

图9是示出根据本发明的实施例的仿人机器人的步行控制方法的流程图。

具体实施方式

现在将详细描述本发明的实施例，其示例在附图中示出，其中，相同的标号始终指示相同的元件。

如图1中所示，头104通过颈120被连接到仿人机器人100的上身102的上部。双臂106L和106R分别通过肩膀114L和114R被连接到上身102的上部的相对两侧。手33L和33R被连接到臂106L和106R的各自的端部。双腿110L和110R分别被连接到上身102的下部的相对两侧。脚112L和112R被连接到腿110L和110R的各自的端部。

头104、臂106L和106R、腿110L和110R、手33L和33R、脚112L和112R通过各自的关节具有预定的自由度。上身102的内部通过盖116来保护。在标号中，“R”和“L”分别指示机器人100的右侧和左侧。

图2是示出在图1中示出的仿人机器人的关节结构的视图。如图2中所示，仿人机器人100的腿110L和110R中的每条腿具有股骨连杆21、腓骨连杆22以及脚112L和112R中相应的一只脚。股骨连杆21通过髋关节单元210被连接到上身102。股骨连杆21与腓骨连杆22通过膝关节单元220彼此连接，腓骨连杆22与脚112L或112R通过踝关节单元230彼此连接。

髋关节单元210具有三个自由度。具体地讲，髋关节单元210包括横摆方向(Z-轴旋转)的旋转关节211、俯仰方向(Y-轴旋转)的旋转关节212以及侧倾方向(X-轴旋转)的旋转关节213。

膝关节单元220包括俯仰方向的旋转关节221。即，膝关节单元220具有一个自由度。踝关节单元230包括俯仰方向的旋转关节231以及侧倾方向的旋转关节232。即，踝关节单元230具有两个自由度。

腿110L和110R中的每条腿包括相对于三个关节单元210、220和230的六个旋转关节。因此，两腿110L和110R包括总计十二个旋转关节。

多轴力和力矩(F/T)传感器24被安装在脚112L或112R与腿110L和110R中的每条腿的踝关节单元230之间。多轴F/T传感器24测量从脚112L或112R传递的力的三个方向的分量Fx、Fy和Fz，以及力矩的三个方向的分量Mx、My和Mz，以检测脚112L或112R的着地情况以及施加到脚112L或112R的载荷。

对周围环境进行拍照的相机41以及接收用户语音的麦克风42被安装在头104中。

头104通过颈关节单元280被连接到上身102。颈关节单元280包括横摆方向的旋转关节281、俯仰方向的旋转关节282以及侧倾方向的旋转关节283。即，颈关节单元280具有三个自由度。

头旋转电机(未示出)被连接到颈关节单元280的旋转关节281、282和283。

肩关节组件250L和250R被安装到上身102的相对两侧，以将臂106L和106R连接到上身102。

臂106L和106R中的每条臂具有肱骨连杆31、前臂骨连杆32以及手33。肱骨连杆31通过肩关节组件250L或250R被连接到上身102。肱骨连杆31与前臂骨连杆32通过肘关节单元260彼此连接，前臂骨连杆32与手33通过腕关节270彼此连接。

肘关节单元260包括俯仰方向的旋转关节261以及横摆方向的旋转关节262。即，肘关节单元260具有两个自由度。腕关节270包括俯仰方向的旋转关节271以及侧倾方向的旋转关节272。即，腕关节270具有两个自由度。

手33包括五个手指33a。由电机驱动的多个关节(未示出)可被设置在手指33a中。手指33a执行各种操作，例如，抓握物体或与臂106的运动相结合地指示特定方向。

姿势传感器14被安装在上身102中。姿势传感器14感测上身102相对于垂直轴的倾角以及上身102的角速度，从而创建姿势信息。除上身102之外，在头104中也可安装姿势传感器14。另外，横摆方向的旋转关节15被安装在构成上身102的胸102a与腰102b之间，使得胸102a相对于腰102b旋转。

用于驱动旋转关节的致动器(例如，电机405)(见图6)被安装在仿人机器人100中。对电机405进行适当的控制，以执行仿人机器人100的各种操作。

在基于有限状态机(FSM)的步行控制方法中，机器人可具有六种预定的操作状态S1、S2、S3、S4、S5和S6，如图3中所示。各个操作状态是指机器人在步行过程中呈现的姿势。

第一操作状态S1(飞行)表示一条腿摆动的姿势，第二操作状态S2(加载)表示一只脚放在地上的姿势，第三操作状态S3(脚跟着地)表示一只脚的脚跟着地的姿势，第四操作状态S4(脚跟和脚尖着地)表示一只脚的脚跟和脚尖同时着地的姿势，第五操作状态S5(脚尖着地)表示一只脚的脚尖着地的姿势，第六操作状态S6(卸载)表示一只脚离地的姿势。

图4是根据本发明的实施例的仿人机器人的控制框图，图5是图4的关节位置轨迹创建单元的详细构造图。

如图4中所示，仿人机器人100包括关节位置轨迹创建单元300、关节扭矩计算单元310、关节扭矩伺服控制单元320、机器人关节单元101、传感器单元330、关节位置轨迹补偿值计算单元340以及关节扭矩补偿值计算单元350。

机器人关节单元101包括总计十二个旋转关节，所述十二个旋转关节构成用于机器人步行的两腿110L和110R的髋关节单元210、膝关节单元220以及踝关节单元230。机器人关节单元101不仅包括属于两腿的关节，而且还可包括仿人机器人100(包括用于稳定步行的上身和臂)的所有关节。

传感器单元330包括：姿势传感器14，安装在上身102中；多轴F/T传感器24，安装在脚112L或112R与腿110L和110R中的每条腿的踝关节单元230之间；扭矩传感器405b，用于测量电机405的扭矩，电机405安装到机器人关节单元101的每个关节。

关节位置轨迹创建单元300利用传感器单元330的测量值来创建每个关节的关节位置轨迹θ_d。

在图5中，关节位置轨迹创建单元300包括第一状态机301、第二状态机302以及关节位置轨迹计算器303。

当右脚或左脚落地时，根据安装在脚112L或112R与腿110L和110R中的每条腿的踝关节单元230之间的多轴F/T传感器24的落地信号，第一状态机301和第二状态机302交替地操作。当左脚摆动而右脚处于落地状态时，从第二状态机302切换到第一状态机301。当右脚摆动而左脚处于落地状态时，从第一状态机301切换到第二状态机302。

关节位置轨迹计算器303根据第一状态机301和第二状态机302之间的切换情况来确定左脚和右脚的落地状态，从而计算机器人关节单元101的每个关节的关节位置轨迹θ_d。

作为创建关节位置轨迹θ_d的另一示例，可捕获人类的运动、可对每个关节的运动进行周期性采样并基于采样信息来匹配仿人机器人的关节位置，从而计算关节位置轨迹。

关节扭矩计算单元310利用每个关节的关节位置轨迹θ_d来计算每个关节的关节扭矩τ_d。关节扭矩计算单元310可包括第一位置运算器401、第二位置运算器403、第三位置运算器408、比例增益控制器402、微分增益控制器409。

图6是示出根据本发明的实施例的根据利用关节位置轨迹计算出来的关节扭矩来驱动电机的操作的框图。

在图6中，第一位置运算器401将通过关节位置轨迹θ_d减去从电机405反馈的关节当前位置θ所获得的减值θ_d-θ输出到比例增益控制器402。关节当前位置θ可通过安装到电机405的编码器405a进行测量。

比例增益控制器402将通过以比例增益k_p乘减值θ_d-θ所获得的乘值k_p(θ_d-θ)输出到第二位置运算器403。

第三位置运算器408将通过由微分控制器407微分得到的关节位置轨迹

减去由微分控制器406微分得到的关节当前位置

所获得的减值

输出到微分增益控制器409。微分增益控制器409将通过以微分增益k_d乘减值

所获得的乘值

输出到第二位置运算器403。

第二位置运算器403将利用逆向动力学预先计算出来的前馈参数τ_ff加到乘值k_p(θ_d-θ)和

并输出加值τ_d。加值τ_d为通过关节扭矩计算单元310计算出来的每个关节的关节扭矩τ_d。加值τ_d的示例可由等式1来表示。

等式1

${\mathrm{\τ}}_d=k_p({\mathrm{\θ}}_d-\mathrm{\θ})+k_d({\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_d-\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}})+{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ff}}$

等式1使用比例微分(PD)控制器和前馈(FF)控制器，然而，等式1不限于使用上述控制器。等式1可使用任何控制器来控制每个关节的关节位置θ，以跟踪关节位置轨迹θ_d。在等式1中，比例增益、微分增益和前馈参数可通过为实现稳定步行而进行的重复调整来获得。

通过衰减控制器404使关节扭矩τ_d乘以电机扭矩常数1/kt来获得乘值(电机电流i)，安装到机器人关节单元101的每个关节的电机405根据电机电流i而被驱动。此时，通过关节扭矩计算单元310计算出来的每个关节的关节扭矩τ_d被提供到关节扭矩伺服控制单元320。

在图7中，关节扭矩伺服控制单元320包括电机控制器321。当通过扭矩传感器405b测得的关节扭矩值被反馈到电机控制器321时，电机控制器321控制将被驱动的电机405，使得电机405跟踪关节扭矩τ_d。此时，电机控制器321不限于通过扭矩传感器405b测得的关节扭矩值被反馈到电机控制器321的构造。例如，电机控制器321可利用从通过电流传感器测得的电流所估计的关节扭矩值来测量电机405的电流。电机控制器321可包括第一扭矩运算器501、第二扭矩运算器505、第三扭矩运算器508、比例增益控制器502、积分器503、积分增益控制器504以及微分增益控制器509，以计算电机405的电机电流i。

图8是示出根据本发明的实施例的对根据关节扭矩而驱动的电机进行伺服控制的操作的框图。

在图8中，第一扭矩运算器501将通过每个关节的关节扭矩τ_d减去从扭矩传感器405b反馈的电机当前扭矩τ所获得的减值τ_d-τ输出到比例增益控制器502。比例增益控制器502将通过以比例增益k_p乘减值τ_d-τ所获得的乘值k_p(τ_d-τ)输出到第二扭矩运算器505。

积分器503对减值τ_d-τ进行积分并将其输出到积分增益控制器504。积分增益控制器504将通过以积分增益k_i乘积分后的减值∫(τ_d-τ)所获得的乘值k_i∫(τ_d-τ)输出到第二扭矩运算器505。

第三扭矩运算器508将通过由微分控制器507微分得到的关节扭矩

减去由微分控制器506微分得到的电机当前扭矩

所获得的减值

输出到微分增益控制器509。微分增益控制器509将通过以微分增益k_d乘减值

所获得的乘值

输出到第二扭矩运算器505。

第二扭矩运算器505将利用逆向动力学预先计算出来的前馈参数i_ff加到乘值k_p(τ_d-τ)、

和k_i∫(τ_d-τ)，并输出加值。该加值为施加到电机405的电机电流i。电机电流i的示例可由等式2来表示。

等式2

$i=k_p({\mathrm{\τ}}_d-\mathrm{\τ})+k_d({\stackrel{\·}{\mathrm{\τ}}}_d-\stackrel{\·}{\mathrm{\τ}})+k_i\∫({\mathrm{\τ}}_d-\mathrm{\τ})\mathrm{dt}+i_{\mathrm{ff}}$

等式2使用比例积分微分(PID)控制器和前馈(FF)控制器，然而，等式2不限于使用上述控制器。等式2可使用任何控制器来控制每个关节的关节扭矩τ，以跟踪关节扭矩τ_d。在等式2中，比例增益、微分增益、积分增益和前馈参数可通过为实现稳定步行而进行的重复调整来获得。

当机器人在改变姿势之后行走时，取决于周围的环境条件(例如，步行表面的状况和障碍物的外观)，可能会使步行控制执行不当，其结果是，机器人可能会失去平衡。因此，与周围的环境条件相互影响的信息以及姿势信息可被反馈到仿人机器人，仿人机器人对关节位置轨迹或关节扭矩进行补偿，从而稳定地控制步行。

在图4中，关节位置轨迹补偿值计算单元340利用通过传感器单元330测得的值来创建关节位置轨迹补偿值，以对关节位置轨迹进行补偿，关节位置轨迹补偿值计算单元340将创建的关节位置轨迹补偿值提供给关节扭矩计算单元310。即，当机器人的脚落地时，关节位置轨迹补偿值计算单元340可基于从多轴F/T传感器24接收的力和力矩信息以及从姿势传感器14接收的机器人的姿势信息来计算关节位置轨迹补偿值h。

关节扭矩计算单元310可根据由等式3所表示的补偿后的关节位置轨迹θ_d来计算关节扭矩。

等式3

其中，θ_d0为原始的关节位置轨迹，h为关节位置轨迹补偿值，h可从由各种参数(例如，机器人的重心x、相对于地面的力f、相对于地面的力矩m、机器人的零力矩点ZMP以及机器人的倾角

)表示的函数计算得出。

等式4

$h\left(x\right)=k_{\mathrm{px}}(x_d-x)+k_{\mathrm{dx}}({\stackrel{\·}{x}}_d-\stackrel{\·}{x})$

等式4为关节位置轨迹补偿值h(x)的示例。

关节位置轨迹补偿值h(x)通过以下方法获得：将机器人的重心的命令值x_d和机器人的重心的实际值x之间的差值x_d-x与比例增益k_px相乘；将机器人的重心的速度

和机器人的重心的实际速度

之间的差值

与微分增益k_dx相乘；将乘积k_px(x_d-x)和

相加。

此外，可利用从由其他参数(例如，相对于地面的力f、相对于地面的力矩m、机器人的零力矩点ZMP以及机器人的倾角

)组成的组中选择的至少一个参数来计算关节位置轨迹补偿值h。

关节扭矩补偿值计算单元350利用通过传感器单元330测得的值来创建关节扭矩补偿值，以对关节扭矩进行补偿，关节扭矩补偿值计算单元350将创建的关节扭矩补偿值提供给关节扭矩伺服控制单元320。即，当机器人的脚落地时，关节扭矩补偿值计算单元350可基于从多轴F/T传感器24接收的力和力矩信息以及从姿势传感器14接收的机器人的姿势信息来计算关节扭矩补偿值g。

关节扭矩伺服控制单元320可根据由等式5所表示的补偿后的关节扭矩τ_d来计算关节扭矩。

等式5

其中，τ_d0为原始的关节扭矩，g为关节扭矩补偿值，g可从由各种参数(例如，机器人的重心x、相对于地面的力f、相对于地面的力矩m、机器人的零力矩点ZMP以及机器人的倾角

)表示的函数计算得出。

等式6

$g\left(x\right)={k^{\′}}_{\mathrm{px}}(x_d-x)+{k^{\′}}_{\mathrm{dx}}({\stackrel{\·}{x}}_d-\stackrel{\·}{x})$

等式6为关节扭矩补偿值g(x)的示例。

关节扭矩补偿值g(x)通过以下方法获得：将机器人的重心的命令值x_d和机器人的重心的实际值x之间的差值x_d-x与比例增益k′_px相乘；将机器人的重心的速度

和机器人的重心的实际速度

之间的差值

与微分增益k′_dx相乘；将乘积k′_px(x_d-x)和

相加。

此外，可利用从由其他参数(例如，相对于地面的力f、相对于地面的力矩m、机器人的零力矩点ZMP以及机器人的倾角

)组成的组中选择的至少一个参数来计算关节扭矩补偿值g。

在本实施例中，对关节位置轨迹和关节扭矩都进行了补偿。可选地，可对关节位置轨迹或关节扭矩进行补偿，以实现仿人机器人的稳定步行。

以下，将对根据本发明的实施例的仿人机器人的步行控制方法进行描述。

总的来说，仿人机器人100基于FSM而步行。为了执行步行操作，关节位置轨迹计算器303利用传感器单元330的测量值来确定左脚和右脚的落地状态，从而计算机器人关节单元101的每个关节的关节位置轨迹θ_d(601)。作为创建关节位置轨迹θ_d的另一示例，可捕获人类的运动、可对每个关节的运动进行周期性采样并基于采样信息来匹配仿人机器人的关节位置，从而计算关节位置轨迹。

将计算出来的关节位置轨迹θ_d提供给关节扭矩计算单元310。

关节位置轨迹补偿值计算单元340基于从多轴F/T传感器24接收的力和力矩信息以及从姿势传感器14接收的机器人的姿势信息来计算关节位置轨迹补偿值h(603)。关节位置轨迹补偿值h可从由各种参数(例如，机器人的重心x、相对于地面的力f、相对于地面的力矩m、机器人的零力矩点ZMP以及机器人的倾角

)表示的函数计算得出。

将计算出来的关节位置轨迹补偿值h提供给关节扭矩计算单元310。关节扭矩计算单元310将关节位置轨迹补偿值h加到原始的关节位置轨迹θ_d0，以执行补偿(605)，并根据由等式3所表示的补偿后的关节位置轨迹θ_d来计算关节扭矩(607)。

关节扭矩补偿值计算单元350基于从多轴F/T传感器24接收的力和力矩信息以及从姿势传感器14接收的机器人的姿势信息来计算关节扭矩补偿值g(609)。关节扭矩补偿值g可从由各种参数(例如，机器人的重心x、相对于地面的力f、相对于地面的力矩m、机器人的零力矩点ZMP以及机器人的倾角

)表示的函数计算得出。

将计算出来的关节扭矩补偿值g提供给关节扭矩伺服控制单元320。关节扭矩伺服控制单元320将关节扭矩补偿值g加到原始的关节扭矩τ_d0，以执行补偿(611)，并根据由等式5所表示的补偿后的关节扭矩τ_d来驱动安装到机器人关节单元101的每个关节的电机405(613)。

在驱动电机的过程中，将通过扭矩传感器405b测得的关节扭矩值反馈到关节扭矩伺服控制单元320，扭矩伺服控制单元320通过伺服控制来控制电机电流i而驱动电机405，使得电机405跟踪关节扭矩τ_d(615)。

通过以上描述清楚的是，仿人机器人及其步行控制方法通过基于FSM的步行控制对电机扭矩进行伺服控制。因此，在步行过程中，无需准确地控制每个关节的位置，从而实现了具有低伺服增益的步行，因此降低了能量消耗。另外，在步行过程中每个关节具有低的刚度，因此，在与障碍物发生碰撞时，施加到每个关节的冲击力减小。另外，执行在求解逆向运动学的传统的步行方法中难以执行的膝盖伸展式步行，从而实现人性化的步行并节省与膝盖弯曲相关的能量。另外，无需求解复杂的动力学方程，因此适用于包括具有六个自由度的关节的机器人。

尽管已经示出和描述了本发明的一些实施例，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本发明的精神和原理的情况下，可以对这些实施例进行改变。

Claims (17)

1.一种仿人机器人，包括：

机器人关节单元，包括在机器人步行过程中可活动的关节，电机安装到机器人关节单元的每个关节；

传感器单元，测量机器人的落地信息和姿势信息；

关节位置轨迹创建单元，利用机器人的落地信息和姿势信息来创建每个关节的关节位置轨迹；

关节位置轨迹补偿值计算单元，计算关节位置轨迹补偿值，以对每个关节的关节位置轨迹进行补偿；

关节扭矩计算单元，利用关节位置轨迹补偿值对每个关节的关节位置轨迹进行补偿，并根据每个关节的补偿后的关节位置轨迹来计算每个关节的关节扭矩；

关节扭矩补偿值计算单元，计算关节扭矩补偿值，以对每个关节的关节扭矩进行补偿；

关节扭矩伺服控制单元，利用关节扭矩补偿值对每个关节的关节扭矩进行补偿、计算电机电流以跟踪每个关节的补偿后的关节扭矩并根据计算出来的电机电流对电机的扭矩进行伺服控制。

2.根据权利要求1所述的仿人机器人，其中，所述传感器单元包括：多轴力和力矩传感器，用于测量机器人的落地状态；姿势传感器，用于测量机器人的姿势。

3.根据权利要求1所述的仿人机器人，其中，所述关节位置轨迹创建单元包括：多个状态机，在仿人机器人的左脚或右脚落地时交替地进行操作；关节位置轨迹计算器，根据所述多个状态机之间的切换情况来确定左脚或右脚的落地状态，从而计算每个关节的关节位置轨迹。

4.根据权利要求1所述的仿人机器人，其中：

关节扭矩计算单元包括第一位置运算器、第二位置运算器、第三位置运算器、比例增益控制器以及微分增益控制器，所述关节扭矩计算单元计算由等式1所表示的每个关节的关节扭矩τ_d，

等式1

${\mathrm{\τ}}_d=k_p({\mathrm{\θ}}_d-\mathrm{\θ})+k_d({\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_d-\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}})+{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ff}}$

第一位置运算器将通过关节位置轨迹θ_d减去从电机反馈的关节当前位置θ所获得的减值θ_d-θ输出到比例增益控制器，

比例增益控制器将通过以比例增益k_p乘减值θ_d-θ所获得的乘值k_p(θ_d-θ)输出到第二位置运算器，

第三位置运算器将通过由微分得到的关节位置轨迹

减去由微分得到的关节当前位置

所获得的减值

输出到微分增益控制器，

微分增益控制器将通过以微分增益k_d乘减值

所获得的乘值

输出到第二位置运算器，

第二位置运算器将利用逆向动力学预先计算出来的前馈参数τ_ff加到乘值k_p(θ_d-θ)和从而输出每个关节的关节扭矩τ_d。

5.根据权利要求4所述的仿人机器人，其中，所述传感器单元还包括编码器，所述编码器安装到电机，用于测量关节当前位置θ。

6.根据权利要求1所述的仿人机器人，其中，所述关节扭矩伺服控制单元包括电机控制器以及用于测量电机的扭矩的扭矩传感器，当通过扭矩传感器测得的关节扭矩值被反馈到电机控制器时，电机控制器控制将被驱动的电机，使得该电机跟踪每个关节的关节扭矩。

7.根据权利要求6所述的仿人机器人，其中：

电机控制器包括第一扭矩运算器、第二扭矩运算器、第三扭矩运算器、比例增益控制器、积分器、积分增益控制器以及微分增益控制器，所述电机控制器计算由等式2所表示的电机电流i，

等式2

$i=k_p({\mathrm{\τ}}_d-\mathrm{\τ})+k_d({\stackrel{\·}{\mathrm{\τ}}}_d-\stackrel{\·}{\mathrm{\τ}})+k_i\∫({\mathrm{\τ}}_d-\mathrm{\τ})\mathrm{dt}+i_{\mathrm{ff}}$

第一扭矩运算器将通过关节扭矩τ_d减去从扭矩传感器反馈的电机当前扭矩τ所获得的减值τ_d-τ输出到比例增益控制器，

比例增益控制器将通过以比例增益k_p乘减值τ_d-τ所获得的乘值k_p(τ_d-τ)输出到第二扭矩运算器，

积分器对减值τ_d-τ进行积分并将其输出到积分增益控制器，

积分增益控制器将通过以积分增益k_i乘积分后的减值∫(τ_d-τ)所获得的乘值k_i∫(τ_d-τ)输出到第二扭矩运算器，

第三扭矩运算器将通过由微分得到的关节扭矩

减去由微分得到的电机当前扭矩

所获得的减值

输出到微分增益控制器，

微分增益控制器将通过以微分增益k_d乘减值

所获得的乘值

输出到第二扭矩运算器，

第二扭矩运算器将利用逆向动力学预先计算出来的前馈参数i_ff加到乘值k_p(τ_d-τ)、

和k_i∫(τ_d-τ)，从而输出电机电流i。

8.根据权利要求1所述的仿人机器人，其中：

所述传感器单元包括用于测量机器人的落地状态的多轴力和力矩传感器以及用于测量机器人的姿势的姿势传感器，

当机器人的脚落地时，关节位置轨迹补偿值计算单元基于从多轴力和力矩传感器接收的力和力矩信息以及从姿势传感器接收的机器人的姿势信息来计算关节位置轨迹补偿值h，

关节扭矩计算单元根据利用关节位置轨迹补偿值h所补偿的由等式3所表示的关节位置轨迹θ_d来计算关节扭矩，

等式3

其中，θ_d0为原始的关节位置轨迹，关节位置轨迹补偿值h由从包括机器人的重心x、相对于地面的力f、相对于地面的力矩m、机器人的零力矩点ZMP以及机器人的倾角

的各种参数中选择的一个参数所表示的函数计算得出。

9.根据权利要求8所述的仿人机器人，其中，关节位置轨迹补偿值由等式4所表示地进行计算，

等式4

$h\left(x\right)=k_{\mathrm{px}}(x_d-x)+k_{\mathrm{dx}}({\stackrel{\·}{x}}_d-\stackrel{\·}{x})$

其中，x_d为机器人的重心的命令值，x为机器人的重心的实际值，k_px为比例增益，

为机器人的重心的速度，为机器人的重心的速度的实际值，k_dx为微分增益。

10.根据权利要求1所述的仿人机器人，其中：

所述传感器单元包括用于测量机器人的落地状态的多轴力和力矩传感器以及用于测量机器人的姿势的姿势传感器，

当机器人的脚落地时，关节扭矩补偿值计算单元基于从多轴力和力矩传感器接收的力和力矩信息以及从姿势传感器接收的机器人的姿势信息来计算关节扭矩补偿值g，

关节扭矩伺服控制单元根据由等式5所表示的补偿后的关节扭矩τ_d来计算关节扭矩，

等式5

其中，τ_d0为原始的关节扭矩，关节扭矩补偿值g由从包括机器人的重心x、相对于地面的力f、相对于地面的力矩m、机器人的零力矩点ZMP以及机器人的倾角

的各种参数中选择的一个参数所表示的函数计算得出。

11.根据权利要求10所述的仿人机器人，其中，关节扭矩补偿值由等式6所表示地进行计算，

等式6

$g\left(x\right)={k^{\′}}_{\mathrm{px}}(x_d-x)+{k^{\′}}_{\mathrm{dx}}({\stackrel{\·}{x}}_d-\stackrel{\·}{x})$

其中，x_d为机器人的重心的命令值，x为机器人的重心的实际值，k′_px为比例增益，

为机器人的重心的速度，

为机器人的重心的速度的实际值，为微分增益。

12.一种仿人机器人的步行控制方法，包括：

计算每个关节的关节位置轨迹，以执行机器人的步行；

利用通过安装在机器人中的传感器单元测得的机器人的落地信息和姿势信息来计算关节位置轨迹补偿值，以对每个关节的关节位置轨迹进行补偿；

根据利用关节位置轨迹补偿值所补偿的关节位置轨迹来计算每个关节的关节扭矩；

利用通过安装在机器人中的传感器单元测得的机器人的落地信息和姿势信息来计算关节扭矩补偿值，以对每个关节的关节扭矩进行补偿；

计算电机电流，以跟踪利用关节扭矩补偿值所补偿的关节扭矩，并根据计算出来的电机电流对安装到每个关节的电机的扭矩进行伺服控制。

13.根据权利要求12所述的步行控制方法，其中，计算关节位置轨迹的步骤包括：确定左脚或右脚的落地状态，以计算每个关节的关节位置轨迹。

14.根据权利要求12所述的步行控制方法，其中，计算每个关节的关节扭矩的步骤包括：输出通过每个关节的关节位置轨迹θ_d减去关节当前位置θ所获得的减值θ_d-θ；输出通过以比例增益k_p乘减值θ_d-θ所获得的乘值k_p(θ_d-θ)；输出通过由微分得到的关节位置轨迹

减去由微分得到的关节当前位置

所获得的减值输出通过以微分增益k_d乘减值

所获得的乘值

将利用逆向动力学预先计算出来的前馈参数τ_ff加到乘值k_p(θ_d-θ)和

从而输出每个关节的关节扭矩τ_d。

15.根据权利要求12所述的步行控制方法，其中，计算电机电流的步骤包括：输出通过关节扭矩τ_d减去电机当前扭矩τ所获得的减值τ_d-τ；输出通过以比例增益k_p乘减值τ_d-τ所获得的乘值k_p(τ_d-τ)；对减值τ_d-τ进行积分；输出通过以积分增益k_i乘积分后的减值∫(τ_d-τ)所获得的乘值k_i∫(τ_d-τ)；输出通过由微分得到的关节扭矩

减去由微分得到的电机当前扭矩

所获得的减值

输出通过以微分增益k_d乘减值

所获得的乘值

将利用逆向动力学预先计算出来的前馈参数i_ff加到乘值k_p(τ_d-τ)、

和k_i∫(τ_d-τ)，从而输出电机电流i。

16.根据权利要求12所述的步行控制方法，还包括：

基于从测量机器人的落地状态的多轴力和力矩传感器接收的力和力矩信息以及从测量机器人的姿势的姿势传感器接收的机器人的姿势信息来计算关节位置轨迹补偿值h，其中，

关节位置轨迹补偿值h由从包括机器人的重心x、相对于地面的力f、相对于地面的力矩m、机器人的零力矩点ZMP以及机器人的倾角

的各种参数中选择的一个参数所表示的函数计算得出，

通过将计算出来的关节位置轨迹补偿值h加到原始的关节位置轨迹θ_d0来获得补偿后的关节位置轨迹θ_d。

17.根据权利要求12所述的步行控制方法，还包括：

基于从测量机器人的落地状态的多轴力和力矩传感器接收的力和力矩信息以及从测量机器人的姿势的姿势传感器接收的机器人的姿势信息来计算关节扭矩补偿值g，其中，

关节扭矩补偿值g由从包括机器人的重心x、相对于地面的力f、相对于地面的力矩m、机器人的零力矩点ZMP以及机器人的倾角

的各种参数中选择的一个参数所表示的函数计算得出，

通过将计算出来的关节扭矩补偿值g加到原始的关节扭矩τ_d0来获得补偿后的关节扭矩τ_d。

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