CN103042526A - 仿人机器人控制单脚支撑期支撑脚板的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿人机器人控制单脚支撑期支撑脚板旋转增加步幅的方法和装置，属于机器人领域。本发明将期望的虚拟零力矩点设定在脚面支撑区域外，获得机器人旋转产生的步幅增加量。所述方法包括：计算虚拟零力矩点并检测支撑脚板旋转角度；支撑脚板旋转角度确定；虚拟零力矩点位置确定；虚拟零力矩点位置限制。所述装置包括：计算和检测模块、旋转角度控制模块、虚拟零力矩点位置控制模块，以及虚拟零力矩点位置限制模块。本发明提供的方法和装置能使仿人机器人在单脚支撑期支撑脚板产生旋转，增加行走步幅，并且控制简单、可靠。

Description

仿人机器人控制单脚支撑期支撑脚板的方法和装置

技术领域：

本发明涉及一种仿人机器人控制单脚支撑期支撑脚板旋转增加步幅的方法和装置，属于机器人技术领域。

背景技术：

行走速度的提高一直是仿人机器人领域研究的热点和难点。行走速度的提高可以通过增加步幅和提高行走频率来实现。行走频率的提高对仿人机器人机械结构的刚性、驱动元件的驱动能力要求较高，对于相关学科的综合要求和依赖性较强。目前，行走步幅的增加主要通过增加下肢长度来实现。

仿人机器人的行走步态设计方法通常将零力矩点设定在支撑脚与地面的接触区域(支撑区域)内以保证仿人机器人在行走过程中支撑脚与地面完全接触，不发生旋转。

零力矩点的定义是假定仿人机器人支撑腿的足底压力可以被作用在足底某一点的合适的支撑反作用力表示，那么在地面接触面内的该点上，机器人受到的所有作用力及力矩的合力矩在水平面内的分量为零。即零力矩点是两足步行过程中足部和地面接触所受作用力的合力的中心点。如果机器人的零力矩点落在支撑脚与地面接触形成的凸多边形支撑区域内，仿人机器人旋转合力矩在水平面内的分量为零,理论上仿人机器人在两足步行过程中不会发生旋转，否则就会使机器人产生绕水平面的旋转，如图1所示。

但是，人类在快速行走的单脚支撑期具有支撑脚旋转的过程。根据人体行走的相关规律，行走速度越高，单脚支撑期所占比例越高。单脚支撑期在人类行走过程中所占时间比例高、前进距离大，因此单脚支撑期对人类行走速度影响较大。支撑脚旋转可以增大步幅和单脚支撑期的前进距离，从而提高行走速度。

现有技术中教导了一种具有支撑脚旋转相位的双足机器人行走方法。在该方法中,仿人机器人在单脚支撑期具有旋转相位。但是，该方法是通过将足部旋转指示点(Foot RotationIndicator,FRI)严格控制在支撑脚前面实现的,该方法并没有说明旋转程度与足部旋转指示点(FRI)位置和步幅变化的关系,并且实现方法较为复杂。

现有技术中教导了一种支撑脚旋转的轨迹优化方法。在该方法中，仿人机器人在单脚支撑期具有旋转相位，仿人机器人的零力矩点被控制在脚尖处。该方法仅研究了如何通过支撑脚旋转实现节省能量等目标，没有涉及如何通过将零力矩点设定在支撑区域外使支撑脚旋转以获得期望的步长增加量。

在对现有技术进行调研和探索后，发明人提出了一种仿人机器人控制单脚支撑期支撑脚板旋转增加行走步幅的方法和装置。与现有方法中将零力矩点设定在支撑区域内以防止机器人产生旋转不同的是，本发明将零力矩点设定在支撑区域外，使机器人产生期望的旋转来增加步幅，这种超出支撑区域的零力矩点可以称为虚拟零力矩点。零力矩点与虚拟零力矩点的计算方法相同，只是被设定在支撑区域外。本发明通过将虚拟零力矩点设定在支撑区域外，使仿人机器人单脚支撑期实现可调整的旋转，能够增加仿人机器人行走步幅和速度，且方法简单，可行。

发明内容：

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种仿人机器人控制单脚支撑期支撑脚板旋转增加步幅的方法和装置，能够简单、有效地提高仿人机器人行走速度。

本发明采用的技术方案如下：

一种仿人机器人控制单脚支撑期支撑脚板旋转增加步幅的方法，包括：

计算虚拟零力矩点并检测支撑脚板旋转角度的步骤；

确定支撑脚板旋转角度的步骤；

确定虚拟零力矩点位置的步骤；

限制虚拟零力矩点位置的步骤；

根据上述步骤，通过计算虚拟零力矩点的公式，设定虚拟零力矩点相对于支撑区域边界的距离d，使仿人机器人在单脚支撑期旋转一定的角度θ，从而增大行走的步幅ΔD与速度，有利于快速行走的实现。

优选地，计算虚拟零力矩点并检测支撑脚板旋转角度的步骤中，所述虚拟零力矩点与所述零力矩点计算方法相同，包括：

在每个控制周期内计算虚拟零力矩点位置：

$x_{\mathrm{ZMP}}=\frac{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{m}_i({\stackrel{\·\·}{z}}_i+g)x_i-\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{m}_i{\stackrel{\·\·}{x}}_i{z}_i-\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{I}_{\mathrm{iy}}{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\Ω}}}_{\mathrm{iy}}}{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{m}_i({\stackrel{\·\·}{z}}_i+g)}$

$y_{\mathrm{ZMP}}=\frac{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{m}_i({\stackrel{\·\·}{z}}_i+g)y_i-\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{m}_i{\stackrel{\·\·}{y}}_i{z}_i-\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{I}_{\mathrm{ix}}{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\Ω}}}_{\mathrm{ix}}}{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{m}_i({\stackrel{\·\·}{z}}_i+g)}$

其中m_i为第i部分的质量，g为重力加速度，I_ix和I_iy分别是仿人机器人第i部分沿X轴和Y轴的转动惯量，Ω_ix和Ω_iy是机器人的第i部分重心绕X轴和Y轴的绝对角位移；(x_i,y_i,z_i)是机器人第i部分的质心在坐标系中的绝对坐标，x_zmp，y_zmp为虚拟零力矩点在X轴和Y轴的位置坐标；

在每个控制周期内利用安装在脚板上的角度检测元件检测支撑脚板旋转角度θ。

优选地，所述确定支撑脚板旋转角度的步骤中步长增加量与旋转角度的关系由以下公式确定：

$\mathrm{\ΔD}=x=1_7+\sqrt{h^2+{1_7}^2}\·\cos (\mathrm{\π}-\mathrm{\θ}-\arctan \frac{h}{1_7})$

上式可简要描述为：ΔD＝f₁（θ)，f₁是函数关系；

以上的h是行走设定的质心高度数据，l₇为脚板上脚踝至脚尖处在X方向上的距离，为已知量。

优选地，所述确定虚拟零力矩点位置的步骤中支撑脚旋转角度θ与虚拟零力矩点距离支撑区域边界的距离d的关系由以下公式计算：

$1_7+d=p_x=x-\frac{(h+1_6)\stackrel{\·\·}{x}}{g}$

$x=1_7+\sqrt{h^2+{1_7}^2}\·\cos (\mathrm{\π}-\mathrm{\θ}-\arctan \frac{h}{1_7})$

支撑脚旋转角度θ与虚拟零力矩点距离支撑区域边界的距离d的关系可由以下公式简要表示：

θ＝f₂(d)，f₂是函数关系。

优选地，所述限制虚拟零力矩点位置的步骤中虚拟零力矩点至支撑边界最大距离n由以下公式计算：

n＝L-l

$L=\underset{i=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}{1}_i\·\cos {\mathrm{\θ}}_i$

l＝1₇·cosθ₇＝1₇·cosθ_max

其中，仿人机器人脚踝关节与脚底板之间长度为1₁，其与地面夹角θ₁为固定值90度，类似地，其他下肢部分长度为1_i，对应地面夹角为θ_i（i=2,3,…，7），其中，θ₇＝θ_max，即支撑脚最大旋转角度；

因此，步幅增加量与支撑脚旋转角度及虚拟零力矩点距离支撑区域边界的距离关系表达为：

ΔD＝f₁(θ)＝f₁(f₂(d))，且d≤n。

一种仿人机器人单脚支撑期支撑脚板旋转增加步幅的控制***，所述控制***通过计算虚拟零力矩点的公式，设定虚拟零力矩点相对于支撑区域边界的距离d，使仿人机器人在单脚支撑期旋转一定的角度θ，从而增大行走的步幅ΔD与速度，有利于快速行走的实现，其特征在于，所述控制***包括：

用于计算虚拟零力矩点并检测支撑脚板旋转角度的装置，其计算虚拟零力矩点位置和检测支撑脚脚板旋转角度；

用于控制支撑脚板旋转角度的装置，其根据期望的步幅增加量确定单脚支撑期支撑脚脚板旋转角度；

用于控制虚拟零力矩点位置的装置，其根据期望的支撑脚板旋转角度确定虚拟零力矩点位置；

用于限制虚拟零力矩点位置的装置，其限制虚拟零力矩点超出支撑区域边界的最大距离。

优选地，所述用于计算虚拟零力矩点并检测支撑脚板旋转角度的装置包括：

用于在每个控制周期内计算虚拟零力矩点位置的装置，计算公式如下：

$x_{\mathrm{ZMP}}=\frac{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{m}_i({\stackrel{\·\·}{z}}_i+g)x_i-\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{m}_i{\stackrel{\·\·}{x}}_i{z}_i-\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{I}_{\mathrm{iy}}{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\Ω}}}_{\mathrm{iy}}}{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{m}_i({\stackrel{\·\·}{z}}_i+g)}$

$y_{\mathrm{ZMP}}=\frac{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{m}_i({\stackrel{\·\·}{z}}_i+g)y_i-\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{m}_i{\stackrel{\·\·}{y}}_i{z}_i-\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{I}_{\mathrm{ix}}{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\Ω}}}_{\mathrm{ix}}}{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{m}_i({\stackrel{\·\·}{z}}_i+g)}$

其中m_i为第i部分的质量，g为重力加速度，I_ix和I_iy分别是仿人机器人第i部分沿X轴和Y轴的转动惯量，Ω_ix和Ω_iy是机器人的第i部分重心绕X轴和Y轴的绝对角位移；(x_i,y_i,z_i)是机器人第i部分的质心在坐标系中的绝对坐标，x_zmp，y_zmp为虚拟零力矩点在X轴和Y轴的位置坐标。

用于在每个控制周期内用安装在脚板上的角度检测元件检测支撑脚板旋转角度θ的装置。

优选地，所述用于控制支撑脚板旋转角度的装置中步长增加量与旋转角度的关系由以下公式确定：

$\mathrm{\ΔD}=x=1_7+\sqrt{h^2+{1_7}^2}\·\cos (\mathrm{\π}-\mathrm{\θ}-\arctan \frac{h}{1_7})$

其中，h是行走设定的质心高度数据，l₇为脚板上脚踝至脚尖处在x方向上的距离，为已知量。

上式可简要描述为：ΔD＝f₁（θ)，f₁是函数关系。

优选地，用于控制虚拟零力矩点位置的装置中支撑脚旋转角度θ与虚拟零力矩点距离支撑区域边界的距离d的关系由以下公式计算：

$1_7+d=p_x=x-\frac{(h+1_6)\stackrel{\·\·}{x}}{g}$

$x=1_7+\sqrt{h^2+{1_7}^2}\·\cos (\mathrm{\π}-\mathrm{\θ}-\arctan \frac{h}{1_7})$

支撑脚旋转角度θ与虚拟零力矩点距离支撑区域边界的距离d的关系可由以下公式简要表示：

θ＝f₂(d)，f₂是函数关系。

优选地，用于限制虚拟零力矩点位置的装置中虚拟零力矩点至支撑边界最大距离n由以下公式计算：

n＝L-l

$L=\underset{i=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}{1}_i\·\cos {\mathrm{\θ}}_i$

l＝1₇·cosθ₇＝1₇·cosθ_max

其中，仿人机器人脚踝关节与脚底板之间长度为1₁，其与地面夹角θ₁为固定值90度，类似地，其他下肢部分长度为1_i，对应地面夹角为θ_i（i=2,3,…，7），其中，θ₇＝θ_max，即支撑脚最大旋转角度；

因此，步幅增加量与支撑脚旋转角度及虚拟零力矩点距离支撑区域边界的距离关系表达为：

ΔD＝f₁(θ)＝f₁(f₂(d))，且d≤n。

本发明的有益效果是：

1、借鉴人类快速行走时，单脚支撑期存在旋转的原理，使仿人机器人在单脚支撑期产生旋转实现步幅的增加和前进速度的提高。

2、通过设定虚拟零力矩点超出单脚支撑区域的距离，实现仿人机器人支撑脚板不同程度的旋转，进而获得期望的步长增加量，控制方法简单、有效。

附图说明：

图1仿人机器人零力矩点与支撑区域的关系示意图；

图2虚拟零力矩点位置与支撑脚旋转角度和步长增加量的关系示意图；

图3虚拟零力矩点超出支撑区域的最大距离示意图；

图4控制支撑脚旋转增大步幅流程图。

具体实施方式：

为使本发明的目的、技术方案更加清楚，下面将以仿人机器人快速行走为例对本发明实施方式进一步地详细描述。

一种仿人机器人控制单脚支撑期支撑脚板旋转增加步幅的方法，包括以下步骤：

计算虚拟零力矩点并检测支撑脚板旋转角度；

支撑脚板旋转角度确定；

虚拟零力矩点位置确定；

虚拟零力矩点位置限制

首先建立本发明所用的坐标系（图1）。坐标系原点位于支撑脚的脚踝处，前进方向为+X，竖直向上方向为+Z（+Y方向由右手法则确定）。机器人行走时，仿人机器人的质心（可等同于腰关节中点）被设定在支撑脚踝正上方以保证身体姿态是竖直的。此时仿人机器人的质心坐标在前进方向上，即X方向初始值为0。也就是说当机器人正常行走并未发生旋转时，机器人质心坐标为（0，h），其中，h是行走设定的质心高度数据，是已知量。当旋转发生时，质心即腰关节中点绕脚尖处旋转，其在X方向上的位置变化量即质心坐标值。

所述步骤“计算虚拟零力矩点并检测支撑脚板旋转角度”包括：

虚拟零力矩点与零力矩点计算方法相同。

每个控制周期内计算虚拟零力矩点位置，计算公式如下：

$x_{\mathrm{ZMP}}=\frac{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{m}_i({\stackrel{\·\·}{z}}_i+g)x_i-\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{m}_i{\stackrel{\·\·}{x}}_i{z}_i-\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{I}_{\mathrm{iy}}{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\Ω}}}_{\mathrm{iy}}}{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{m}_i({\stackrel{\·\·}{z}}_i+g)}$

$y_{\mathrm{ZMP}}=\frac{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{m}_i({\stackrel{\·\·}{z}}_i+g)y_i-\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{m}_i{\stackrel{\·\·}{y}}_i{z}_i-\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{I}_{\mathrm{ix}}{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\Ω}}}_{\mathrm{ix}}}{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{m}_i({\stackrel{\·\·}{z}}_i+g)}$

定义m_i为第i部分的质量，g为重力加速度，I_ix和I_iy分别是仿人机器人第i部分沿X轴和Y轴的转动惯量，Ω_ix和Ω_iy是机器人的第i部分重心绕X轴和Y轴的绝对角位移；(x_i,y_i,z_i)是机器人第i部分的质心在坐标系中的绝对坐标，x_zmp，y_zmp为虚拟零力矩点在X轴和Y轴的位置坐标。

每个控制周期内利用安装在脚板上的角度检测元件检测支撑脚板旋转角度θ。

所述步骤“支撑脚板旋转角度确定”包括：

仿人机器人行走过程中，可以控制支撑脚旋转时整个身体绕脚尖处旋转，支撑腿各关节相对位置不变，摆动腿在前进方向上抬高或抬低以保证相对于旋转发生前只是平行移动。当旋转发生时，脚尖处即旋转中心至腰关节中点的距离为旋转半径C，如图2所示：

$C=\sqrt{h^2+{1_7}^2}$

${\mathrm{\θ}}_1=\arctan \frac{h}{1_7}$

支撑脚板绕脚尖处的旋转角度θ，满足以下关系：

θ₂＝π-θ-θ₁

由此得到，支撑脚旋转期望角度θ后，质心或腰关节中点坐标为：

x＝1₇+C·cosθ₂

因为摆动腿在前进方向上只发生平行移动，因此步长增加量ΔD与腰关节中点即质心在X方向上的位移相等，从而得到了步长增加量与旋转角度的关系，可由以下公式确定：

$\mathrm{\ΔD}=x=1_7+\sqrt{h^2+{1_7}^2}\·\cos (\mathrm{\π}-\mathrm{\θ}-\arctan \frac{h}{1_7})$

其中，h是行走设定的质心高度数据，l₇为脚板上脚踝至脚尖处在X方向上的距离，为已知量。

上式可简要描述为：ΔD＝f₁（θ)，f₁是函数关系。

所述步骤“虚拟零力矩点位置确定”包括：

当仿人机器人的零力矩点位置在支撑区域内时，仿人机器人旋转合力矩在水平面内的分量为零,仿人机器人在两足步行过程中不会发生旋转。当零力矩点超出支撑区域外时称为虚拟零力矩点，旋转合力矩在水平面内的分量不为零,仿人机器人会产生旋转。

由倒立摆模型推出的零力矩点公式可用于计算虚拟零力矩点，公式如下：

其中，p_x，p_z分别是虚拟零力矩点在X，Z方向上的坐标，x和z分别是质心即腰关节中点坐标，g是重力加速度。

机器人行走时，由于旋转角度并不大，仿人机器人质心即腰关节中点在竖直方向上变化较小，可以认为是腰关节在固定高度上，即h为常数。当机器人在水平地面上行走时，p_z＝-1₆，则虚拟零力矩点公式可简化为：

$p_x=x-\frac{(h+1_6)\stackrel{\·\·}{x}}{g}$

支撑脚旋转角度θ与虚拟零力矩点距离支撑区域边界的距离d的关系可由以下公式计算，如图2所示：

$1_7+d=p_x=x-\frac{(h+1_6)\stackrel{\·\·}{x}}{g}$

$x=1_7+\sqrt{h^2+{1_7}^2}\·\cos (\mathrm{\π}-\mathrm{\θ}-\arctan \frac{h}{1_7})$

支撑脚旋转角度θ与虚拟零力矩点距离支撑区域边界的距离d的关系可由以下公式简要表示：

θ＝f₂(d)，f₂是上述公式得到的函数关系。

所述步骤“虚拟零力矩点位置限制”包括：

如果虚拟零力矩点距离支撑区域边界超过一定值时（此处设为n），仿人机器人快速旋转，使摆动腿过早触地，导致机器人失去平衡。因此，控制仿人机器人单脚支撑期旋转时，虚拟零力矩点位置应不超过n，如图3所示。仿人机器人下肢各部分的长度是已知的，各部分与水平面的夹角可通过关节位置传感器获得。图中，脚踝关节与脚底板之间长度为1₁，其与地面夹角θ₁为固定值90度。类似地，其他下肢部分长度为1_i，对应地面夹角为θ_i（i=2,3,…，7），其中，θ₇＝θ_max，即支撑脚最大旋转角度。虚拟零力矩点至支撑边界最大距离n可由以下公式计算：

n＝L-l

$L=\underset{i=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}{1}_i\·\cos {\mathrm{\θ}}_i$

l＝1₇·cosθ₇＝1₇·cosθ_max

因此，步幅增加量与支撑脚旋转角度及虚拟零力矩点距离支撑区域边界的距离关系应该表达为：

ΔD＝f₁(θ)＝f₁(f₂(d))，且d≤n。

根据上述步骤，通过计算虚拟零力矩点的公式，设定虚拟零力矩点相对于支撑区域边界的距离d，可以使仿人机器人在单脚支撑期旋转一定的角度θ，从而增大行走的步幅ΔD与速度，有利于快速行走的实现，其流程如图4所示。

参照图4所示流程，可以通过设定虚拟零力矩点超出支撑区域边界的距离，获得期望的步长增加量，进而提高机器人行走速度。

本发明实施例通过设定虚拟零力矩点超出支撑区域边界的距离，使仿人机器人在单脚支撑期产生旋转，增加期望的步长，有利于提高行走速度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种仿人机器人控制单脚支撑期支撑脚板旋转增加步幅的方法，包括：

计算虚拟零力矩点并检测支撑脚板旋转角度的步骤；

确定支撑脚板旋转角度的步骤；

确定虚拟零力矩点位置的步骤；

限制虚拟零力矩点位置的步骤；

根据上述步骤，通过计算虚拟零力矩点的公式，设定虚拟零力矩点相对于支撑区域边界的距离d，使仿人机器人在单脚支撑期旋转一定的角度θ，从而增大行走的步幅ΔD与速度，有利于快速行走的实现。

2.根据权利要求1所述的方法，其中计算虚拟零力矩点并检测支撑脚板旋转角度的步骤中，所述虚拟零力矩点与所述零力矩点计算方法相同，包括：

在每个控制周期内计算虚拟零力矩点位置：

$x_{\mathrm{ZMP}}=\frac{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{m}_i({\stackrel{\·\·}{z}}_i+g)x_i-\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{m}_i{\stackrel{\·\·}{x}}_i{z}_i-\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{I}_{\mathrm{iy}}{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\Ω}}}_{\mathrm{iy}}}{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{m}_i({\stackrel{\·\·}{z}}_i+g)}$

$y_{\mathrm{ZMP}}=\frac{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{m}_i({\stackrel{\·\·}{z}}_i+g)y_i-\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{m}_i{\stackrel{\·\·}{y}}_i{z}_i-\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{I}_{\mathrm{ix}}{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\Ω}}}_{\mathrm{ix}}}{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{m}_i({\stackrel{\·\·}{z}}_i+g)}$

其中m_i为第i部分的质量，g为重力加速度，I_ix和I_iy分别是仿人机器人第i部分沿X轴和Y轴的转动惯量，Ω_ix和Ω_iy是机器人的第i部分重心绕X轴和Y轴的绝对角位移；(x_i,y_i,z_i)是机器人第i部分的质心在坐标系中的绝对坐标，x_zmp，y_zmp为虚拟零力矩点在X轴和Y轴的位置坐标；

在每个控制周期内利用安装在脚板上的角度检测元件检测支撑脚板旋转角度θ。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述确定支撑脚板旋转角度的步骤中步长增加量与旋转角度的关系由以下公式确定：

$\mathrm{\ΔD}=x=l_7+\sqrt{h^2+{l_7}^2}\·\cos (\mathrm{\π}-\mathrm{\θ}-\arctan \frac{h}{l_7})$

上式可简要描述为：ΔD＝f₁（θ)，f₁是函数关系；

以上的h是行走设定的质心高度数据，l₇为脚板上脚踝至脚尖处在X方向上的距离，为已知量。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述确定虚拟零力矩点位置的步骤中支撑脚旋转角度θ与虚拟零力矩点距离支撑区域边界的距离d的关系由以下公式计算：

$l_7+d=p_x=x-\frac{(h+l_6)\stackrel{\·\·}{x}}{g}$

$x=l_7+\sqrt{h^2+{l_7}^2}\·\cos (\mathrm{\π}-\mathrm{\θ}-\arctan \frac{h}{l_7})$

支撑脚旋转角度θ与虚拟零力矩点距离支撑区域边界的距离d的关系可由以下公式简要表示：

θ＝f₂(d)，f₂是函数关系。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述限制虚拟零力矩点位置的步骤中虚拟零力矩点至支撑边界最大距离n由以下公式计算：

n＝L-l

$L=\underset{i=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}{l}_i\·\cos {\mathrm{\θ}}_i$

l＝l₇·cosθ₇＝l₇·cosθ_max

其中，仿人机器人脚踝关节与脚底板之间长度为l₁，其与地面夹角θ₁为固定值90度，类似地，其他下肢部分长度为l_i，对应地面夹角为θ_i（i=2,3,…，7），其中，θ₇＝θ_max，即支撑脚最大旋转角度；

因此，步幅增加量与支撑脚旋转角度及虚拟零力矩点距离支撑区域边界的距离关系表达为：

ΔD＝f₁(θ)＝f₁(f₂(d))，且d≤n。

6.一种仿人机器人单脚支撑期支撑脚板旋转增加步幅的控制***，所述控制***通过计算虚拟零力矩点的公式，设定虚拟零力矩点相对于支撑区域边界的距离d，使仿人机器人在单脚支撑期旋转一定的角度θ，从而增大行走的步幅ΔD与速度，有利于快速行走的实现，其特征在于，所述控制***包括：

用于计算虚拟零力矩点并检测支撑脚板旋转角度的装置，其计算虚拟零力矩点位置和检测支撑脚脚板旋转角度；

用于控制支撑脚板旋转角度的装置，其根据期望的步幅增加量确定单脚支撑期支撑脚脚板旋转角度；

用于控制虚拟零力矩点位置的装置，其根据期望的支撑脚板旋转角度确定虚拟零力矩点位置；

用于限制虚拟零力矩点位置的装置，其限制虚拟零力矩点超出支撑区域边界的最大距离。

7.根据权利要求6所述的控制***，其中所述用于计算虚拟零力矩点并检测支撑脚板旋转角度的装置包括：

用于在每个控制周期内计算虚拟零力矩点位置的装置，计算公式如下：

$x_{\mathrm{ZMP}}=\frac{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{m}_i({\stackrel{\·\·}{z}}_i+g)x_i-\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{m}_i{\stackrel{\·\·}{x}}_i{z}_i-\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{I}_{\mathrm{iy}}{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\Ω}}}_{\mathrm{iy}}}{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{m}_i({\stackrel{\·\·}{z}}_i+g)}$

$y_{\mathrm{ZMP}}=\frac{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{m}_i({\stackrel{\·\·}{z}}_i+g)y_i-\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{m}_i{\stackrel{\·\·}{y}}_i{z}_i-\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{I}_{\mathrm{ix}}{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\Ω}}}_{\mathrm{ix}}}{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{m}_i({\stackrel{\·\·}{z}}_i+g)}$

其中m_i为第i部分的质量，g为重力加速度，I_ix和I_iy分别是仿人机器人第i部分沿X轴和Y轴的转动惯量，Ω_ix和Ω_iy是机器人的第i部分重心绕X轴和Y轴的绝对角位移；(x_i,y_i,z_i)是机器人第i部分的质心在坐标系中的绝对坐标，x_zmp，y_zmp为虚拟零力矩点在X轴和Y轴的位置坐标。

用于在每个控制周期内用安装在脚板上的角度检测元件检测支撑脚板旋转角度θ的装置。

8.根据权利要求7所述的控制***，其中所述用于控制支撑脚板旋转角度的装置中步长增加量与旋转角度的关系由以下公式确定：

$\mathrm{\ΔD}=x=l_7+\sqrt{h^2+{l_7}^2}\·\cos (\mathrm{\π}-\mathrm{\θ}-\arctan \frac{h}{l_7})$

其中，h是行走设定的质心高度数据，l₇为脚板上脚踝至脚尖处在x方向上的距离，为已知量。

上式可简要描述为：ΔD＝f₁（θ)，f₁是函数关系。

9.根据权利要求8所述的控制***，其中用于控制虚拟零力矩点位置的装置中支撑脚旋转角度θ与虚拟零力矩点距离支撑区域边界的距离d的关系由以下公式计算：

$l_7+d=p_x=x-\frac{(h+l_6)\stackrel{\·\·}{x}}{g}$

$x=l_7+\sqrt{h^2+{l_7}^2}\·\cos (\mathrm{\π}-\mathrm{\θ}-\arctan \frac{h}{l_7})$

支撑脚旋转角度θ与虚拟零力矩点距离支撑区域边界的距离d的关系可由以下公式简要表示：

θ＝f₂(d)，f₂是函数关系。

10.根据权利要求9所述的控制***，其中用于限制虚拟零力矩点位置的装置中虚拟零力矩点至支撑边界最大距离n由以下公式计算：

n＝L-l

$L=\underset{i=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}{l}_i\·\cos {\mathrm{\θ}}_i$

l＝l₇·cosθ₇＝l₇·cosθ_max

其中，仿人机器人脚踝关节与脚底板之间长度为l₁,其与地面夹角θ₁为固定值90度，类似地，其他下肢部分长度为l_i，对应地面夹角为θ_i（i=2,3,…，7），其中，θ₇＝θ_max，即支撑脚最大旋转角度；

因此，步幅增加量与支撑脚旋转角度及虚拟零力矩点距离支撑区域边界的距离关系表达为：

ΔD＝f₁(θ)＝f₁(f₂(d))，且d≤n。

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