双足步行式移动系统、其步行控制器及步行控制方法 【技术领域】
本发明涉及一种双足步行式移动系统，具体地讲，涉及该系统中的能够使步行具有稳定性和低能量消耗的步行控制器。
背景技术
现有技术中所谓的双足步行式机器人包括：本体；设在本体下部两侧的一对腿部，每个腿部分别以可沿两轴方向转动的方式连接在本体上，并且每个腿部在其中间部位具有膝部，在其下端具有足部，所述足部以可沿两轴方向转动的方式连接在它们相应的腿部上；关节部，它们支承着腿部、膝部和足部，以带动它们转动；驱动装置，其用于转动所述关节部；步态生成器，其用于根据目标动作生成步态数据；以及步行控制器，其用于基于步态数据驱动控制驱动装置。
根据如此构造的双足步行式机器人，预定的步行模式(以下称为“步态”)数据由步态生成部分生成，驱动装置由步行控制器根据步态数据进行驱动控制，因此，双足步行能够通过根据预定的步行模式转动腿部、膝部和足部的各个关节部得到实现。在此，为了使步行姿势稳定，机器人的稳定化是被称作ZMP(零力矩点)补偿的ZMP调节的目标，在这种情况下，当每次地面反作用力和重力的合成力矩变为零时的机器人的足底上的点接近于目标值。
顺便地讲，这种双足步行式机器人的各个关节部包括要通过驱动装置驱动的主动驱动关节，或要通过从驱动装置解放出来而能自由移动的被动关节。
用于主动驱动作为驱动装置的各个致动器以转动关节部地驱动关节可通过移动腿部和足部实现步行。驱动关节具有这种优点，即能够通过主动地驱动关节部致动器相对自由地生成步态。然而，驱动关节由于主动使用致动器的转矩而会存在以下问题，例如通常会增加能量消耗，以及使使用数目更多的关节部的控制规则变得更加复杂。而且，存在这样一种问题，即自由步态的生成会受到ZMP调节规则的显著限制。
另一方面，被动关节是这样的，即不使用致动器而是通过使用外力例如重力来被动地转动关节部。由于被动关节当双足步行时可只借助于外力转动关节部，因此可实现自然稳定性，并且ZMP可接近足底。此外，由于被动关节能节省能量消耗并可简化控制规则，因此可降低步行控制的计算成本。然而，由于被动关节是依靠外力例如重力等而被转动的，因此很难实现自由转动运动和自由步行。
尽管驱动关节和被动关节具有如此互为相反的优点，但对于它们的研究均是彼此独立地进行的，并且绝大部分的传统的双足步行式机器人只使用了驱动关节。因此，如果使用只设有驱动关节的双足步行式机器人，用于驱动关节部的致动器的能量消耗就会增加。另一方面，只设有被动关节的步行式机器人作为玩具早已为大家所公知，但它们不能自由地步行，并且不具有足够的步行稳定性。
尽管对组合了驱动和被动关节两者的优点的双足步行控制进行了研究，但其是对驱动和被动关节的简单组合，其中作为驱动关节的关节部一直充当驱动关节，相反，作为被动关节的关节部一直充当被动关节，并且它们实际上并不实用。
【发明内容】
考虑到上述问题，本发明的目的是提供一种双足步行式移动系统、其步行控制器以及用于此的步行控制方法，以提高步行稳定性。
上述目的是根据提供了一种双足步行式移动系统的本发明的第一个方面实现的，所述双足步行式移动系统包括：本体；设在本体下部两侧的一对腿部，每个所述腿部分别以可沿两轴方向转动的方式连接在所述本体上，并且每个所述腿部在其中间部位具有膝部，在其下端具有足部，所述足部以可沿两轴方向转动的方式连接在它们相应的腿部上；关节部，它们支承着所述腿部、膝部和足部，以带动它们转动；驱动装置，其用于使所述关节部转动；以及步行控制器，其用于生成与预期动作对应的步态数据。其特征在于，所述步行控制器可选择性地切换执行常规驱动控制的主动模式和一个以与被动关节相同的方式驱动控制所述驱动装置的被动模式，从而可驱动控制每个关节部。
根据本发明的双足步行式移动系统优选设有所述本体，所述本体是类人机器人的上体，并且连接有一个头部和两个手部。根据本发明的双足步行式移动系统优选是这样的，即主动模式和被动模式由所述步行控制器相对于膝部和足部的关节部进行切换。根据本发明的双足步行式移动系统优选是这样的，即主动模式用于步行动作中的抬腿和着地，同时模式可由所述步行控制器切换到用于自由足部状态的被动模式。根据本发明的双足步行式移动系统优选是这样的，即在被动模式中由所述步行控制器执行柔顺控制。
为了实现上述目的，本发明还提供了一种作为本发明第二个方面的双足步行式移动系统的步行控制器，所述双足步行式移动系统包括：本体；设在本体下部两侧的一对腿部，每个所述腿部分别以可沿两轴方向转动的方式连接在所述本体上，并且每个所述腿部在其中间部位具有膝部，在其下端具有足部，所述足部以可沿两轴方向转动的方式连接在它们相应的腿部上；关节部，它们支承着所述腿部、膝部和足部，以带动它们转动；驱动装置，其用于使所述关节部转动；其中，所述步行控制器用于生成与目标动作对应的步态数据，并根据步态数据驱动控制所述驱动装置。其特征在于，所述步行控制器可选择性地切换执行常规驱动控制的主动模式和一个以与被动关节相同的方式驱动控制所述驱动装置的被动模式，从而可驱动控制每个关节部。
根据本发明的双足步行式移动系统的步行控制器优选是这样的，即主动模式和被动模式由所述步行控制器相对于膝部和足部的关节部进行切换。根据本发明的双足步行式移动系统的步行控制器优选是这样的，即主动模式用于步行动作中的抬腿和着地，同时该模式可由所述步行驱动器切换到用于自由足部状态的被动模式。根据本发明的双足步行式移动系统的步行控制器优选是这样的，即在被动模式中由所述步行控制器执行柔顺控制。
为了实现上述目的，本发明又提供了一种作为本发明第三个方面的双足步行式移动系统的步行控制方法，所述双足步行式移动系统包括：本体；设在本体下部两侧的一对腿部，每个所述腿部分别以可沿两轴方向转动的方式连接在所述本体上，并且每个所述腿部在其中间部位具有膝部，在其下端具有足部，所述足部以可沿两轴方向转动的方式连接在它们相应的腿部上；关节部，它们支承着所述腿部、膝部和足部，以带动它们转动；驱动装置，其用于使所述关节部转动，在此，所述双足步行式移动系统的步行控制方法根据生成的与目标动作对应的步态数据驱动控制所述驱动装置。其特征在于，所述步行控制方法可选择性地切换执行常规驱动控制的主动模式和一个以与被动关节相同的方式驱动控制所述驱动装置的被动模式，从而可驱动控制每个关节部。
根据本发明的双足步行式移动系统的步行控制方法优选是这样的，即针对膝部和足部的关节部切换主动模式和被动模式。根据本发明的双足步行式移动系统的步行控制方法优选是这样的，即将驱动模式切换到用于步行动作中的抬腿和着地的主动模式，以及切换到用于自由足部状态的被动模式。根据本发明的双足步行式移动系统的步行控制方法优选是这样的，即在被动模式中由所述步行控制器执行柔顺控制。
根据上述方面，步行控制器生成与目标动作对应的步态数据，并且基于所述步态数据驱动控制驱动装置。在这种情况下，由于步行控制器是在正确地切换驱动和被动模式的前提下驱动控制驱动装置的，因此在主动模式中由驱动装置驱动控制的关节部充当驱动关节，在被动模式中由驱动装置驱动控制的关节部充当被动关节。这样，由于相同的关节部充当由驱动或被动模式驱动控制的驱动和被动关节，因此，当双足步行式移动系统步行时，驱动装置通常由主动模式驱动控制，如果例如膝部和足部的关节部需要时又可由被动模式驱动控制，在这种情况下，可以利用驱动和被动关节两者的优点，同时能克服缺点。因此，被动关节所具有的自然稳定性能够引入到步行中，并且ZMP可自动地趋向于足底，同时能节省能量消耗，而且可降低转矩。从而，ZMP在任意步态时均可安全地趋向于足底，并且双足步行式移动系统的稳定性得到了改善。
当步行时膝部和足部的所述关节部被动驱动时，由于一旦需要模式就可相对于膝部和足部的关节部切换到主动模式或被动模式，因此，能够获得步行稳定性。在切换到用于步行动作中的抬腿和着地的主动模式及用于自由足部状态的被动模式的情况下，冲击能够通过在抬腿时供给自由足部状态所需的能量和在着地时吸收能量得到吸收。在被动模式中执行柔顺控制的情况下，由用于关节驱动的驱动装置驱动控制的作为驱动关节的关节部可受到柔顺控制的驱动控制，并且还可充当被动关节。(这一段写得很乱)
【附图说明】
通过以下详细的描述和示出了本发明实施例的某些示例性形式的附图，可使本发明被更好地理解。在这点上，应当指出，这些附图中示出的实施例的这些形式决不是用于限制本发明，而是用于有利于本发明的说明和理解。附图包括：
图1是示意图，图中示出了作为本发明实施例的一种形式的根据本发明的双足步行式机器人的机械构成；
图2是框图，图中示出了图1中所示的双足步行式机器人的步行控制器；
图3是侧视图和主视图，图中示出了图1中所示的双足步行式机器人的步行的三个相态；
图4是示意图，图中示出了在图1中所示的双足步行式机器人的相态2中的能量损失；
图5是示出了图1中所示的双足步行式机器人的腿切换模型的视图；
图6是示出了图1中所示的双足步行式机器人的步行控制器的柔顺控制的控制规则的视图；
图7是示意图，图中示出了图1中所示的双足步行式机器人的虚拟致动器控制；
图8是示出了通过对图1中所示的双足步行式机器人的踩踏动作的数字模拟计算出的θ的变化的图；
图9是图8的数字模拟中的线图；
图10是示出了在对图1中所示的双足步行式机器人进行现场试验时的yz平面中的机器人本体的角度变化的视图；以及
图11是示出了在进行图10的现场试验时的机器人足底的地面反作用力的变化的图。
【具体实施方式】
下面，参看附图中所示的本发明实施例的合适形式来详细地描述本发明。
图1和图2示出了应用了根据本发明的双足步行式移动系统的双足步行式机器人的实施例的构成。参看图1，双足步行式机器人10包含作为本体的上体11，所述上体11的下部的两侧具有一对连接在其上的腿部13L和13R，每个所述腿部在其中间部位具有膝部12L、12R，在其下端具有足部14L、14R。
在此，每个腿部13L、13R分别具有六个关节部，即从上至下依次为：用于使腰段中的腿部相对于上体11旋转(绕z轴)的关节部15L和15R、用于腰段的横摆运动(绕x轴)的关节部16L和16R、用于腰段的俯仰运动(绕y轴)的关节部17L和17R、用于膝部12L和12R的俯仰运动的关节部18L和18R、用于使踝部相对于足部14L和14R俯仰运动的关节部19L和19R以及用于踝部的横摆运动的关节部20L和20R。而且，每个关节部15L、15R至20L、20R均设有关节驱动电机(致动器)。因此，腰关节包括关节部15L、15R、16L、16R、17L和17R，足关节包括关节部19L、19R、20L和20R。
此外，腰关节和膝关节之间由大腿连杆21L、21R连接着，膝关节和足关节之间由小腿连杆22L、22R连接着。因此，在双足步行式机器人10的左右两侧上的腿部13L、13R和足部14L、14R分别具有六个自由度，并且通过在步行过程中使用相应的驱动电机驱动控制这十二个关节部使它们转动合适的角度，以及通过给予所有腿部13L、13R和足部14L、14R预期动作，可使所述双足步行式机器人10构造成能够在三维空间中随意步行。在此，上体11仅被示为箱体状，但实际上其可以设有头部和两只手。
图2示出了图1中所示的双足步行式机器人10的步行控制器30。在图2中，步行控制器30设有用于指定下一步的位置的动作规划部分31、用于基于下一步的所述位置计算出步态信息的参数的步态稳定化部分32、用于基于来自步态稳定化部分32的参数生成步态数据的步态生成部分33、用于基于步态数据驱动控制驱动装置即上述各个关节部也即关节驱动电机15L、15R至20L、20R的控制部分34以及用于探测机器人的各个关节部的角度的角度测量单元35。在为双足步行式机器人10建立坐标系中，于此使用的是xyz坐标系，所述xyz坐标系具有沿着前后方向(前侧为+)延伸的x轴、沿着水平横向(内侧为+)延伸的y轴以及沿着上下方向(上侧为+)延伸的z轴。
动作规划部分31指定与期望动作对应的下一步时的支持腿的踝部中心的路面平面坐标(X，Y)。步态稳定化部分32用于基于路面平面坐标(X，Y)计算出步态信息的参数。在此，动作规划部分31和步态稳定化部分32配对操作，并且在一步周期中的步行开始(抬腿)时和着地时进行两次采样，并保持这些采样信息。步态稳定化部分32通过参照来自以下描述的角度测量单元35的姿势信息θreal由路面平面坐标(X，Y)计算出步态信息的参数。
步态生成部分33基于来自步态稳定化部分32的参数生成作为步态数据的矢量θref和模式信号，所述步态数据包括双足步行式机器人10步行所需的各个关节部15L、15R至20L、20R的目标角度轨迹、目标角速度和目标角加速度。
控制部分34基于来自步态生成部分33的作为步态数据的θref和模式信号生成各个关节驱动电机的控制信号即角矢量θ并且驱动控制各个关节驱动电机。控制部分34在主动模式期间以与驱动控制传统驱动关节同样的方式驱动控制驱动关节，以向各个关节驱动电机供给能量或从它们吸收能量。控制部分34也可以在被动模式期间通过利用已供给各个关节驱动电机的能量执行自由运动来以与驱动控制传统被动关节同样的方式驱动控制被动关节。
角度测量单元35通过输入各个关节驱动电机的角度信息来测量各个关节驱动电机的角度位置，即，关于角度和角速度的状态信息，也即为机器人10的姿势信息θreal。上述信息是通过例如设在各个关节部15L、15R至20L、20R的关节驱动电机上的旋转编码器或类似装置输入的，进而可输出至步态稳定化部分32。角度测量单元35与步态生成部分33配对动作，并且执行采样操作。
在此，如图3所示，双足步行式机器人10在一个步行周期的步行可被临时分解成三个相态。
图3(A)示出了作为相态1的两腿支持期，这时，两足与地面接触，即为后足即将通过抬腿向前移动的抬腿时刻。相态1是用于供给步行系统所需能量的供给能量期。在此，两腿的步行系统被看作单连杆加弹簧系统，由主动模式驱动控制。
图3(B)示出了作为相态2的单腿支持期，这时，一足与地面接触，即为一足从地面抬起的自由腿时刻。在相态2中，踝部和膝部的关节部被作为被动关节驱动控制，以利用先前供给自由腿的能量进行自由运动。在此，两腿的步行系统被作为三连杆系统，由被动模式驱动控制。
图3(C)示出了作为相态3的两腿支持期，此时，两足再次与地面接触，即为前足即将着地的着地时刻。相态3是用于从步行系统吸收着地能量的吸收能量期。在此，两腿的步行系统被作为单连杆加弹簧系统，由主动模式驱动控制。
在连续步行的过程中，在相态3之后，下一个相态1要紧接着进行左右腿交换。因此，步态稳定化部分32将通过参考机器人10的姿势和状态在相态3的结束时刻计算出下一步的相态2所需的能量。
下面，描述对相态2所需能量的计算。
首先，如图4所示，步态稳定化部分32在相态1中由来自动作规划部分31的路面平面坐标(X，Y)和来自角度测量单元35的作为姿势信息的矢量θreal确定作为参数的弹簧刚度K或转动弹簧Φ的自然长度。
下面，描述步行系统在相态3中的损失和获得的能量。在相态3中由环境损失的能量可由图5中所示的单腿切换模型来计算。在图5中，能量损失Eex-loss由为二连杆加单质点模型的几何学的腿切换模型计算，可得到方程(1)。
Eex-loss=M2L2q·f2{1-cos2(qi+qf)}--(1)]]>
其中，Lf是腿切换之前的长度，Li是腿切换之后的长度，qf是腿切换之前的角度，qi是腿切换之后的角度。
更精确地讲，一个步行周期中的能量损失Eall-loss为
Eall-loss＝Eex-loss+Evi-loss+Edi-loss (2)
其中，Evi-loss是由关节驱动电机的摩擦所引起的能量损失，Edi-loss是被表示为内部能量损失的外界干扰。
由于上述结果能够适用于xz和yz平面，因此步行动作能够通过分别向xz和yz平面补充上述Eall-loss而得到继续。
另一方面，例如，在相态2中将能量注入步行系统以便下坡步行的情况下，也可以使用上面示出的方程(1)相似地计算出过剩能量，以及确定下一步的位置，从而发生选择着地位置所希望的能量损失。为了补充这种能量损失，步态稳定化部分32将在不管着地位置的情况下通过计算上述参数K和φ来保持步行稳定，以恒定地控制步行系统的能量。
下面，描述由控制部分34所执行的驱动控制。控制部分34在模式信号为被动的情况下将执行虚拟柔顺控制，在主动模式的情况下应执行虚拟致动器控制。
在此，虚拟柔顺控制是如以下描述的方式通过使用阻抗控制的控制方法执行的。即如图6所示，矢量θref作为步态数据输入到控制部分34中，并且角矢量θ从控制部分34输出至关节驱动电机。该角度信息θ通过环境刚度矩阵(-Ke)转变为τext，τref从外部施加，然后再输入到动力控制对角补偿器矩阵G中。
在动力控制对角补偿器矩阵G中，作以下计算：
G＝(s2M+sD+K)-1 (3)
然后再加到矢量θref上作为反馈。
因此，例如如果τref＝0，可获得由下面的方程表示的控制规则：
θref＝(s2M+sD+K)-1τext (4)
在此，对于被动关节来说，惯性矩阵M可被调节为具有刚度系数矩阵K＝0和粘性系数矩阵D＝0的实际动作。例如，如果单连杆模型用作执行动作，上述方程(3)将变为一元方程，从而实时计算极易成为可能。
因此，在被动模式中，由相应的驱动关节构成的关节部件能够通过使用阻抗控制的特殊系统和执行对关节驱动电机的虚拟柔顺控制而被作为被动关节操作。通过该过程，步行系统能够更加稳定。
另一方面，例如如图7所示，对于虚拟致动器控制来说，如果示为符号A的致动器期望实现，其动作实际上可通过对示为符号B的致动器的驱动控制来实现。通过该过程，可以通过例如降低自由度实现相同动作，并且ZMP稳定性可得到保证，这是由于不必向支持腿的踝部施加转矩进行驱动。
所示的本发明的双足步行式机器人10被构造成如上所述的形式，其步行动作以如下方式进行。
首先，作为对所要求的动作的响应，动作规划部分31指定下一步时的支持腿踝部的中心的路面平面位置(X，Y)，并输出到步态稳定化部分32。通过该过程，步态稳定化部分32由路面平面位置(X，Y)和来自角度测量单元35的姿势信息θreal计算出步态信息的参数，并输出到步态生成部分33。然后，步态生成部分33基于来自步态稳定化部分32的参数生成作为步态数据的矢量θref，并输出到控制部分34。通过该过程，控制部分34基于矢量θref为各个关节驱动电机生成控制信号即角矢量θ，并且基于这些角矢量和模式信号通过驱动或被动模式对各个关节部的关节驱动电机进行驱动控制。因此，双足步行式机器人10可执行与所要求的动作对应的步行动作。
在这种情况下，当对双足步行式机器人10的各个关节驱动电机进行驱动控制时，由于步态稳定化部分32可通过参照机器人此刻的姿势信息由路面平面位置(X，Y)生成步态信息所要求的参数，因此由步态生成部分33生成的步态数据可由机器人此刻的姿势和状态生成，以供给所必需的能量。因而，在当双足步行时一个腿部从地面抬起以变成自由腿的单腿支持期中，这个腿部的膝部和足部的关节部作为被动关节执行自由运动。然后，由于不需向充当被动关节的关节驱动电机供给能量，因此，可节省能量消耗。而且，由于不需要对充当被动关节的关节驱动电机进行控制计算，因此，可节省计算成本，并且能使步态数据的生成变得容易。
下面，描述对根据本发明的双足步行式机器人10进行的数字模拟和现场试验。
首先示出的是对在yz平面上的实际步态生成的数字模拟。对于要在yz平面上动态踩踏的双足步行式机器人10来说，4个步行周期的步态在上述相态1和3中生成，其中所述双足步行式机器人10具有1.62×10-1(Nm/度)的弹簧常数和6度的弹簧自然长度。结果，获得了如图8所示的θ的变化。并且，生成的步态的线图如图9所示。从这些图中可显然看出，在每个步行周期的开始和结束时的大约120毫秒是两腿支持期。因此，由于每个步行周期的开始和结束部分表现为光滑的S形曲线，该曲线不同于常规单连杆系统的轨迹，因此作用在关节驱动电机上的载荷不会降低到使其变得不连续，并且步行系统可变得稳定。
接着示出的是现场试验的结果。作为用于现场试验的双足步行式机器人10，其下体具有12个自由度，总重量为2.0kg，总高度为35.6cm，并且其设有用于最大转矩为±1.27Nm的模型的伺服电机，以用作各个关节部的关节驱动电机。而且，机器人本体11的yz平面上的角度可通过使其执行8个步行周期的正常踩踏动作来测量。结果，如图10所示，在通过于本发明的相态1、2和3中执行步行控制的情况(实线所示)下，可显然看出，与仅通过在相态2中执行步行控制的情况(虚线所示)相比，获得了稳定的角速度轨迹。即显而易见，通过相态1中的能量供给进行“抬腿”可保证获得连续的步行稳定性，在这种情况下，根据本发明的步行控制的有效性得到了确认。
在此，上述动作中的足底的地面反作用力可通过例如6轴力传感器测量，并且获得了如图10所示的地面反作用力的变化。由此，可显然看出，在相态3中的能量吸收动作以与冲击吸收相同的方式作用，并且地面反作用力可显示出在踩踏动作的每个步行周期中轨迹均相对稳定，在这种情况下，相态3中能量吸收动作的有效性得到了确认。
因此，根据双足步行式机器人10的本发明的实施例，通过例如当驱动或被动关节适当地切换动作模式时驱动控制膝部和足部的关节部，步行稳定性能够借助于步行控制的柔性作用得到改善，并且能够节省步行动作的电力消耗。
尽管是以应用于双足步行式机器人的实施例的某些形式描述了本发明，但显而易见，本发明可适用于具有由两腿支持并且可与这两腿一同步行的其它各种装置的任何双足步行式移动系统。
工业实用性
根据如上所述的本发明，由于相同的关节部可充当由驱动或被动模式驱动控制的驱动或被动关节，因此，当双足步行式移动系统步行时，驱动装置通常由主动模式驱动控制，在例如膝部和足部的关节部需要时又可由被动模式驱动控制，在这种情况下，驱动和被动关节的优点均能得到利用，同时又能克服缺点。因此，由被动关节产生的自然稳定性能够引入到步行中，并且ZMP可自动地接近足底，同时能节省能量损耗，降低转矩。这样，ZMP就可在任意步态时安全地接近足底，并且双足步行式移动系统的步行稳定性可得到改善。
因此，根据本发明，提供了可提高步行稳定性的极好的双足步行式移动系统、其步行控制器以及步行控制方法。