双足步行机器人的步行控制方法
双足步行机器人的步行控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种双足步行机器人的步行控制方法，包括以下步骤：步骤一设置双足步行机器人的步行参数；步骤二计算双足步行机器人的质心和参考ZMP的轨迹；步骤三通过逆运动学计算出双足步行机器人的步行模式；步骤四计算双足步行机器人步行不打滑所需的地面摩擦系数，判断双足步行机器人步行是否打滑；步骤五如果双足步行机器人步行打滑，则调节双足步行机器人的步行参数，重复上述步骤二、步骤三和步骤四。本发明双足步行机器人的步行控制方法，可以判断双足步行机器人在低摩擦系数地面是否会打滑，同时通过调节双足步行机器人步行模式的步行参数，减小步行模式所需的最小地面摩擦系数，提高双足步行机器人在低摩擦系数地面的步行能力。
【专利说明】双足步行机器人的步行控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种机器人的控制方法，具体地说，涉及一种机器人的步行控制方法。
【背景技术】
[0002] 目前双足步行机器人的稳定性控制方法都是采用ZMP稳定性判据，ZMP是指地面 作用力的力矩水平分量为零的作用点，ZMP稳定性判据是指双足步行机器人稳定步行的前 提条件是ZMP始终位于支撑多边形中，支撑多边形是指双足机器人的脚与地面接触区域的 凸集。满足ZMP稳定性判据的双足步行的直观物理意义，是指双足机器人步行过程中不会 发生倾倒。现有的双足机器人的步行控制，都是基于ZMP稳定性判据来规划双足步行机器 人的各个关节运动，以满足步行过程中双足步行机器人的ZMP始终位于支撑多边形内。
[0003] 然而现有的ZMP稳定性判据具有一定的局限性，日本AIST的知名双足步行机器人 专家Kajita曾指出ZMP有三种情况无法应用，其中之一就是机器人脚底与地面发生打滑 的情况。事实上，ZMP稳定性判据是以忽略地面摩擦力为前提的，即认为双足机器人脚与地 面之间的摩擦力足够大，双足步行机器人的脚与地面之间不可能发生打滑的情况。这一前 提在理想环境下是可行的，理所当然，基于ZMP稳定性判据规划的双足步行机器人的步行 运动满足步行的稳定性要求。但是对于双足步行机器人的脚与地面之间的摩擦力较小的情 况，基于ZMP稳定性判据规划的双足步行机器人的步行运动，只能保证机器人步行过程中 不会发生倾倒，但无法保证机器人不会打滑。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种双足步行机器人的步行控制方法，可以判断双足步行 机器人在低摩擦系数地面是否会打滑，同时通过调节双足步行机器人步行模式的步行参 数，减小步行模式所需的最小地面摩擦系数，提高双足步行机器人在低摩擦系数地面的步 行能力。
[0005] 为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
[0006] 一种双足步行机器人的步行控制方法，包括以下步骤：步骤一：设置所述双足步 行机器人的步行参数；步骤二：计算所述双足步行机器人的质心和参考ZMP的轨迹；步骤 三：通过逆运动学计算出所述双足步行机器人的步行模式；步骤四：计算所述双足步行机 器人步行不打滑所需的地面摩擦系数，判断所述双足步行机器人步行是否打滑；步骤五： 如果所述双足步行机器人步行打滑，则调节所述双足步行机器人的所述步行参数，重复上 述步骤二、步骤三和步骤四。
[0007] 进一步，步骤四中根据所述双足步行机器人支撑脚与地面之间作用力的水平力分 量和垂直力分量计算出所述双足步行机器人步行不打滑所需的所述地面摩擦系数。
[0008] 进一步，步骤四中计算出的所述双足步行机器人步行不打滑所需的所述地面摩擦 系数与实际地面摩擦系数相比较，如果所需的所述地面摩擦系数小于所述实际地面摩擦系 数，则所述双足步行机器人步行不打滑，反之则打滑。
[0009] 进一步，步骤四中如果所述双足步行机器人步行不打滑，则所规划的所述双足步 行机器人的所述步行模式满足ZMP稳定性要求。
[0010] 进一步，步骤三中所述双足步行机器人的所述步行模式的生成是以桌子-小车为 双足步行机器人的步行模型。
[0011] 进一步，步骤三中所述双足步行机器人的所述步行模式的生成是以质心的加速度 的微分为系统输入。
[0012] 进一步，步骤三中所述双足步行机器人的所述步行模式的生成是通过评价函数最 小化的方法跟踪控制参考ZMP轨迹，评价函数中的参数用于设定所述步行参数。
[0013] 进一步，所述评价函数中的参数用于设定所述步行参数的步行速度和步长。
[0014] 进一步，步骤三中所生成的所述双足步行机器人的所述步行模式满足双足步行的 ZMP稳定性判据，与是否打滑稳定判据相结合。
[0015] 与现有技术相比，本发明双足步行机器人的步行控制方法，可以判断双足步行机 器人在低摩擦系数地面是否会打滑，同时通过调节双足步行机器人步行模式的步行参数， 减小步行模式所需的最小地面摩擦系数，提高双足步行机器人在低摩擦系数地面的步行能 力。
【专利附图】
【附图说明】
[0016] 图1为本发明双足步行机器人的步行控制方法的双足步行机器人的原理图；
[0017] 图2为本发明双足步行机器人的步行控制方法的桌子-小车模型的示意图；
[0018] 图3为本发明双足步行机器人的步行控制方法的流程示意图。
【具体实施方式】
[0019] 下面结合附图和具体实施例对本发明双足步行机器人的步行控制方法作进一步 说明。
[0020] 本发明提供一种双足步行机器人1在低摩擦系数地面步行的方法，通过设计一种 步行速度和步长可调的步行模式生成方法，并结合考虑滑动摩擦力约束的稳定性判据，调 节步行模式的参数，设定适合地面摩擦系数的步行模式，完善双足步行机器人1的步行控 制方法。
[0021] 请参阅图1，考虑滑动摩擦力约束时的所述双足步行机器人1步行稳定性的判定 方法，具体如下：
[0022] 所述双足步行机器人1在地面上步行时，右脚11R (为支撑脚）与地面之间的作用 力为f，其水平分量为ft，垂直分量为fz，地面的摩擦系数为μ，所述右脚11R与地面之间不 滑动需满足以下条件
[0023]
【权利要求】
1. 一种双足步行机器人的步行控制方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤一：设置所述双足步行机器人的步行参数； 步骤二：计算所述双足步行机器人的质心和参考ZMP的轨迹； 步骤三：通过逆运动学计算出所述双足步行机器人的步行模式； 步骤四：计算所述双足步行机器人步行不打滑所需的地面摩擦系数，判断所述双足步 行机器人步行是否打滑； 步骤五：如果所述双足步行机器人步行打滑，则调节所述双足步行机器人的所述步行 参数，重复上述步骤二、步骤三和步骤四。
2. 如权利要求1所述的双足步行机器人的步行控制方法，其特征在于：步骤四中根据 所述双足步行机器人支撑脚与地面之间作用力的水平力分量和垂直力分量计算出所述双 足步行机器人步行不打滑所需的所述地面摩擦系数。
3. 如权利要求2所述的双足步行机器人的步行控制方法，其特征在于：步骤四中计算 出的所述双足步行机器人步行不打滑所需的所述地面摩擦系数与实际地面摩擦系数相比 较，如果所需的所述地面摩擦系数小于所述实际地面摩擦系数，则所述双足步行机器人步 行不打滑，反之则打滑。
4. 如权利要求1所述的双足步行机器人的步行控制方法，其特征在于：步骤四中如果 所述双足步行机器人步行不打滑，则所规划的所述双足步行机器人的所述步行模式满足 ZMP稳定性要求。
5. 如权利要求1所述的双足步行机器人的步行控制方法，其特征在于：步骤三中所述 双足步行机器人的所述步行模式的生成是以桌子-小车为双足步行机器人的步行模型。
6. 如权利要求5所述的双足步行机器人的步行控制方法，其特征在于：步骤三中所述 双足步行机器人的所述步行模式的生成是以质心的加速度的微分为系统输入。
7. 如权利要求6所述的双足步行机器人的步行控制方法，其特征在于：步骤三中所述 双足步行机器人的所述步行模式的生成是通过评价函数最小化的方法跟踪控制参考ZMP 轨迹，评价函数中的参数用于设定所述步行参数。
8. 如权利要求7所述的双足步行机器人的步行控制方法，其特征在于：所述评价函数 中的参数用于设定所述步行参数的步行速度和步长。
9. 如权利要求8所述的双足步行机器人的步行控制方法，其特征在于：步骤三中所生 成的所述双足步行机器人的所述步行模式满足双足步行的ZMP稳定性判据，与是否打滑稳 定判据相结合。
【文档编号】G05D1/02GK104252173SQ201310265173
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2013年6月27日 优先权日:2013年6月27日
【发明者】周雪峰, 孙克争, 张弓, 陈贤帅 申请人:广州中国科学院先进技术研究所
【专利摘要】本发明公开了一种双足步行机器人的步行控制方法，包括以下步骤：步骤一设置双足步行机器人的步行参数；步骤二计算双足步行机器人的质心和参考ZMP的轨迹；步骤三通过逆运动学计算出双足步行机器人的步行模式；步骤四计算双足步行机器人步行不打滑所需的地面摩擦系数，判断双足步行机器人步行是否打滑；步骤五如果双足步行机器人步行打滑，则调节双足步行机器人的步行参数，重复上述步骤二、步骤三和步骤四。本发明双足步行机器人的步行控制方法，可以判断双足步行机器人在低摩擦系数地面是否会打滑，同时通过调节双足步行机器人步行模式的步行参数，减小步行模式所需的最小地面摩擦系数，提高双足步行机器人在低摩擦系数地面的步行能力。
【专利说明】双足步行机器人的步行控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种机器人的控制方法，具体地说，涉及一种机器人的步行控制方法。
【背景技术】
[0002] 目前双足步行机器人的稳定性控制方法都是采用ZMP稳定性判据，ZMP是指地面 作用力的力矩水平分量为零的作用点，ZMP稳定性判据是指双足步行机器人稳定步行的前 提条件是ZMP始终位于支撑多边形中，支撑多边形是指双足机器人的脚与地面接触区域的 凸集。满足ZMP稳定性判据的双足步行的直观物理意义，是指双足机器人步行过程中不会 发生倾倒。现有的双足机器人的步行控制，都是基于ZMP稳定性判据来规划双足步行机器 人的各个关节运动，以满足步行过程中双足步行机器人的ZMP始终位于支撑多边形内。
[0003] 然而现有的ZMP稳定性判据具有一定的局限性，日本AIST的知名双足步行机器人 专家Kajita曾指出ZMP有三种情况无法应用，其中之一就是机器人脚底与地面发生打滑 的情况。事实上，ZMP稳定性判据是以忽略地面摩擦力为前提的，即认为双足机器人脚与地 面之间的摩擦力足够大，双足步行机器人的脚与地面之间不可能发生打滑的情况。这一前 提在理想环境下是可行的，理所当然，基于ZMP稳定性判据规划的双足步行机器人的步行 运动满足步行的稳定性要求。但是对于双足步行机器人的脚与地面之间的摩擦力较小的情 况，基于ZMP稳定性判据规划的双足步行机器人的步行运动，只能保证机器人步行过程中 不会发生倾倒，但无法保证机器人不会打滑。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种双足步行机器人的步行控制方法，可以判断双足步行 机器人在低摩擦系数地面是否会打滑，同时通过调节双足步行机器人步行模式的步行参 数，减小步行模式所需的最小地面摩擦系数，提高双足步行机器人在低摩擦系数地面的步 行能力。
[0005] 为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
[0006] 一种双足步行机器人的步行控制方法，包括以下步骤：步骤一：设置所述双足步 行机器人的步行参数；步骤二：计算所述双足步行机器人的质心和参考ZMP的轨迹；步骤 三：通过逆运动学计算出所述双足步行机器人的步行模式；步骤四：计算所述双足步行机 器人步行不打滑所需的地面摩擦系数，判断所述双足步行机器人步行是否打滑；步骤五： 如果所述双足步行机器人步行打滑，则调节所述双足步行机器人的所述步行参数，重复上 述步骤二、步骤三和步骤四。
[0007] 进一步，步骤四中根据所述双足步行机器人支撑脚与地面之间作用力的水平力分 量和垂直力分量计算出所述双足步行机器人步行不打滑所需的所述地面摩擦系数。
[0008] 进一步，步骤四中计算出的所述双足步行机器人步行不打滑所需的所述地面摩擦 系数与实际地面摩擦系数相比较，如果所需的所述地面摩擦系数小于所述实际地面摩擦系 数，则所述双足步行机器人步行不打滑，反之则打滑。
[0009] 进一步，步骤四中如果所述双足步行机器人步行不打滑，则所规划的所述双足步 行机器人的所述步行模式满足ZMP稳定性要求。
[0010] 进一步，步骤三中所述双足步行机器人的所述步行模式的生成是以桌子-小车为 双足步行机器人的步行模型。
[0011] 进一步，步骤三中所述双足步行机器人的所述步行模式的生成是以质心的加速度 的微分为系统输入。
[0012] 进一步，步骤三中所述双足步行机器人的所述步行模式的生成是通过评价函数最 小化的方法跟踪控制参考ZMP轨迹，评价函数中的参数用于设定所述步行参数。
[0013] 进一步，所述评价函数中的参数用于设定所述步行参数的步行速度和步长。
[0014] 进一步，步骤三中所生成的所述双足步行机器人的所述步行模式满足双足步行的 ZMP稳定性判据，与是否打滑稳定判据相结合。
[0015] 与现有技术相比，本发明双足步行机器人的步行控制方法，可以判断双足步行机 器人在低摩擦系数地面是否会打滑，同时通过调节双足步行机器人步行模式的步行参数， 减小步行模式所需的最小地面摩擦系数，提高双足步行机器人在低摩擦系数地面的步行能 力。
【专利附图】
【附图说明】
[0016] 图1为本发明双足步行机器人的步行控制方法的双足步行机器人的原理图；
[0017] 图2为本发明双足步行机器人的步行控制方法的桌子-小车模型的示意图；
[0018] 图3为本发明双足步行机器人的步行控制方法的流程示意图。
【具体实施方式】
[0019] 下面结合附图和具体实施例对本发明双足步行机器人的步行控制方法作进一步 说明。
[0020] 本发明提供一种双足步行机器人1在低摩擦系数地面步行的方法，通过设计一种 步行速度和步长可调的步行模式生成方法，并结合考虑滑动摩擦力约束的稳定性判据，调 节步行模式的参数，设定适合地面摩擦系数的步行模式，完善双足步行机器人1的步行控 制方法。
[0021] 请参阅图1，考虑滑动摩擦力约束时的所述双足步行机器人1步行稳定性的判定 方法，具体如下：
[0022] 所述双足步行机器人1在地面上步行时，右脚11R (为支撑脚）与地面之间的作用 力为f，其水平分量为ft，垂直分量为fz，地面的摩擦系数为μ，所述右脚11R与地面之间不 滑动需满足以下条件
[0023]
【权利要求】
1. 一种双足步行机器人的步行控制方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤一：设置所述双足步行机器人的步行参数； 步骤二：计算所述双足步行机器人的质心和参考ZMP的轨迹； 步骤三：通过逆运动学计算出所述双足步行机器人的步行模式； 步骤四：计算所述双足步行机器人步行不打滑所需的地面摩擦系数，判断所述双足步 行机器人步行是否打滑； 步骤五：如果所述双足步行机器人步行打滑，则调节所述双足步行机器人的所述步行 参数，重复上述步骤二、步骤三和步骤四。
2. 如权利要求1所述的双足步行机器人的步行控制方法，其特征在于：步骤四中根据 所述双足步行机器人支撑脚与地面之间作用力的水平力分量和垂直力分量计算出所述双 足步行机器人步行不打滑所需的所述地面摩擦系数。
3. 如权利要求2所述的双足步行机器人的步行控制方法，其特征在于：步骤四中计算 出的所述双足步行机器人步行不打滑所需的所述地面摩擦系数与实际地面摩擦系数相比 较，如果所需的所述地面摩擦系数小于所述实际地面摩擦系数，则所述双足步行机器人步 行不打滑，反之则打滑。
4. 如权利要求1所述的双足步行机器人的步行控制方法，其特征在于：步骤四中如果 所述双足步行机器人步行不打滑，则所规划的所述双足步行机器人的所述步行模式满足 ZMP稳定性要求。
5. 如权利要求1所述的双足步行机器人的步行控制方法，其特征在于：步骤三中所述 双足步行机器人的所述步行模式的生成是以桌子-小车为双足步行机器人的步行模型。
6. 如权利要求5所述的双足步行机器人的步行控制方法，其特征在于：步骤三中所述 双足步行机器人的所述步行模式的生成是以质心的加速度的微分为系统输入。
7. 如权利要求6所述的双足步行机器人的步行控制方法，其特征在于：步骤三中所述 双足步行机器人的所述步行模式的生成是通过评价函数最小化的方法跟踪控制参考ZMP 轨迹，评价函数中的参数用于设定所述步行参数。
8. 如权利要求7所述的双足步行机器人的步行控制方法，其特征在于：所述评价函数 中的参数用于设定所述步行参数的步行速度和步长。
9. 如权利要求8所述的双足步行机器人的步行控制方法，其特征在于：步骤三中所生 成的所述双足步行机器人的所述步行模式满足双足步行的ZMP稳定性判据，与是否打滑稳 定判据相结合。
【文档编号】G05D1/02GK104252173SQ201310265173
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2013年6月27日 优先权日:2013年6月27日
【发明者】周雪峰, 孙克争, 张弓, 陈贤帅 申请人:广州中国科学院先进技术研究所
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