[发明专利]仿人双足机器人步态切换控制系统及控制方法

权利要求书

1.一种仿人双足机器人步态切换控制系统，包括至少一个柔顺控制器，所述柔顺控制器连接机器人大腿、小腿、躯干或其它关节杆件的上部与下部，其特征在于：

所述柔顺控制器包括长度调节单元和反馈回路；

所述长度调节单元包括固定于所述机器人关节杆件上部(1)底端的法兰盘(2)，固定于所述机器人关节杆件下部(10)顶端的隔磁铜罩(4)及设于所述隔磁铜罩(4)内的磁流变单元、吸盘(6)及电磁阀(5)；

所述磁流变单元包括缸体(7)、配置于缸体(7)内的活塞(9)、连接于活塞(9)顶部的活塞杆(3)以及绕制于缸体上的励磁线圈(8)，所述缸体(7)内设有磁流变液；所述缸体(7)的底端固定于所述隔磁铜罩(4)底部，所述电磁阀(5)固定于所述隔磁铜罩(4)的顶部，所述电磁阀(5)和隔磁铜罩(4)顶部的中心处均设有开孔，所述活塞杆(3)经所述开孔穿出后连接所述法兰盘(2)；所述吸盘(6)固定于所述活塞杆(3)上，且位于所述缸体顶端和电磁阀之间；

所述反馈回路包括位移传感器(11)、加速度传感器(12)、控制器和检测控制电路；所述位移传感器和加速度传感器设于所述法兰盘的中心处，通过信号线与所述控制器相连，所述控制器通过控制线与励磁线圈相连；所述检测控制电路用于处理所述位移传感器和加速度传感器检测到的信号，并转化为标准的电流或者电压信号，所述控制器根据所述电流或者电压信号发出控制指令改变所述励磁线圈中的励磁电流和所述电磁阀的控制电流，从而改变所述磁流变液的阻尼和电磁阀的磁场。

2.一种仿人双足机器人步态切换方法，应用于安装有如权利要求1所述的步态切换控制系统的仿人双足机器人，所述机器人的关节运动由电机驱动，且于大腿、小腿及躯干关节杆件处各装有至少一个柔顺控制器，用于实现机器人走路/跑步两种步态的自由切换，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，根据步态切换指令，在步态切换的瞬间将两种步态下关节杆件的运动参数进行插值，同时进行滚动在线优化，得到所述运动参数连续平滑的轨迹曲线；所述运动参数包括关节杆件质心位置S_i、速度V_i及加速度a_i，其中，i表示第i个关节杆件；

步骤二，根据所述轨迹曲线对应的运动参数，调节电机输出，同时调节柔顺控制器参数进行协调动作，使关节杆件跟踪所述轨迹曲线运动；具体包括，调节励磁线圈中的励磁电流I_i1和电磁阀控制电流I_i2，改变所述关节杆件的长度L_i，从而改变机器人关节杆件质心位置S_i、速度V_i及其加速度a_i；

步骤三，完成一次调节后，计算机器人稳定性，判断机器人是否稳定；若不稳定，重复步骤二，直到机器人完成步态切换。

3.如权利要求2所述的仿人双足机器人步态切换方法，其特征在于：

所述步骤三中，判断机器人走路步态的稳定性采用ZMP稳定性判据；具体的，走路步态包括单脚支撑期和双脚支撑期，当机器人的单脚或双脚与地面接触时，ZMP落点坐标在支撑区域内即为稳定。

4.如权利要求2所述的仿人双足机器人步态切换方法，其特征在于，所述步骤三中，判断机器人跑步步态的稳定性时，采用如下方法：

1)当跑步步态为单脚支撑期时，采用ZMP稳定性判据；具体的，当机器人的单脚与地面接触时，ZMP落点坐标在支撑区域内即为稳定；

2)当跑步步态为脚与地面不接触的飞行期时，采用质心角动量判据；具体的，机器人关节杆件满足如下表达式时即为稳定：

其中，为第i个关节杆件质心的角动量，ε为不小于零的数，k表示第k个循环周期，T为跑步周期，T_s为飞行期时间。