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CN105511465B - 一种双足机器人的步态控制方法和装置 - Google Patents

一种双足机器人的步态控制方法和装置 Download PDF

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CN105511465B CN201510874545.XA CN201510874545A CN105511465B CN 105511465 B CN105511465 B CN 105511465B CN 201510874545 A CN201510874545 A CN 201510874545A CN 105511465 B CN105511465 B CN 105511465B
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Abstract

本发明公开了一种双足机器人的步态控制方法和装置，该方法包括：选取起步阶段、中步阶段和止步阶段的步态控制参数，并获取双足机器人的零力矩点位于稳定区域内时质心在中步阶段的运动轨迹；得到质心在中步阶段起始时各步态控制参数的第一数值和质心在中步阶段结束时的第二数值；利用第一数值设置在起步阶段结束时的第一约束条件，利用第二数值设置在止步阶段开始时的第二约束条件；基于第一和第二约束条件分别计算质心在起步阶段和止步阶段的运动轨迹；控制双足机器人的行走，使行走时质心的运动轨迹满足质心在起步阶段、中步阶段和止步阶段的各运动轨迹。本发明实施例的技术方案保证了起步、中步和止步步态间的稳定衔接和步行的稳定性。

Description

一种双足机器人的步态控制方法和装置
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种双足机器人的步态控制方法和装置。
背景技术
双足机器人是模仿人腿的结构和运动形式的机器人系统，它具有人腿的运动特性,在行走过程中与地面有着复杂的交互，双足机器人步行时对稳定控制有着更高的要求。因此，合理的步态控制是实现双足机器人仿人稳定动态步行的先决条件。双足机器人一个完整的步态包括起步、中步和止步三个阶段。起步阶段和止步阶段是步态控制中非常关键的部分，关系到机器人能否成功地进入步行状态和结束步行状态。但是，目前双足机器人的研究主要集中于对中步阶段的步态控制，而起步和止步阶段的步态控制研究较少。另外现有技术方案中，起步阶段和止步阶段步行稳定差，不能稳定地进入步行状态及稳定地结束步行状态。
发明内容
本发明提供了一种双足机器人的步态控制方法和装置，以解决现有双足机器人步态控制方案中存在的起步阶段和止步阶段步行稳定差、不能稳定地进入步行状态及稳定地结束步行状态的问题。
根据本发明的一个方面，提供了一种双足机器人的步态控制方法，包括：
选取双足机器人在起步阶段、中步阶段和止步阶段的步态控制参数，并获取双足机器人的零力矩点位于稳定区域内时，双足机器人的质心在中步阶段的运动轨迹；
根据中步阶段质心的运动轨迹得到质心在中步阶段起始时各步态控制参数的第一数值和质心在中步阶段结束时各步态控制参数的第二数值；
利用第一数值设置在起步阶段结束时质心需要满足的第一约束条件，利用第二数值设置在止步阶段开始时质心需要满足的第二约束条件；
基于第一约束条件和第二约束条件分别计算质心在起步阶段和止步阶段的运动轨迹；
控制双足机器人的行走，使双足机器人行走时质心的运动轨迹满足质心在起步阶段、中步阶段和止步阶段的各运动轨迹，实现双足机器人的稳定步行。
根据本发明的另一个方面，提供了一种双足机器人的步态控制装置，该装置包括：
质心中步阶段轨迹获取单元，用于选取双足机器人在起步阶段、中步阶段和止步阶段的步态控制参数，并获取双足机器人的零力矩点位于稳定区域内时，双足机器人的质心在中步阶段的运动轨迹；
参数值获取单元，用于根据中步阶段质心的运动轨迹得到质心在中步阶段起始时各步态控制参数的第一数值和质心在中步阶段结束时各步态控制参数的第二数值；
约束条件设置单元，用于利用第一数值设置在起步阶段结束时质心需要满足的第一约束条件，利用第二数值设置在止步阶段开始时质心需要满足的第二约束条件；
质心起步止步阶段轨迹计算单元，用于基于第一约束条件和第二约束条件分别计算质心在起步阶段和止步阶段的运动轨迹；
质心轨迹控制单元，用于控制双足机器人的行走，使双足机器人行走时质心的运动轨迹满足质心在起步阶段、中步阶段和止步阶段的各运动轨迹，实现双足机器人的稳定步行。
本发明的有益效果是：本发明实施例的双足机器人步态控制方案，先选取双足机器人的步态控制参数，并获取双足机器人的零力矩点ZMP位于稳定区域内时，质心在中步阶段的运动轨迹和各步态控制参数对应的第一数值和第二数值，根据第一数值确定质心在起步阶段的运动轨迹，并利用第二数值计算质心在止步阶段的运动轨迹，从而通过步态控制参数实现起步阶段、止步阶段分别与中步阶段保持连续衔接，且由于中步阶段通过ZMP的条件限定，保证了机器人的稳定步行，则通过步态控制参数对起步、中步及止步阶段合理衔接，使各个阶段都满足稳定步行条件，保证了双足机器人在整体运动阶段的稳定步行。此外，本方案在保证机器人质心满足稳定步行的基础上，基于质心的运动轨迹提供了一种对腿部各关节行走步态的新的控制方案，这种控制方案能够进一步增加步行过程的稳定性，提高整个步行过程的效率，实现步行过程的稳定开始和结束。
附图说明
图1是本发明一个实施例的一种双足机器人步态控制方法的流程示意图；
图2是本发明一个实施例的一种双足机器人九连杆模型前向视图；
图3是本发明一个实施例的一种双足机器人九连杆模型侧向视图；
图4是本发明一个实施例的一种双足机器人行走位置投影示意图；
图5是线性倒立摆模型原理示意图；
图6是本发明一个实施例的一种双足机器人支撑腿前向示意图；
图7是本发明一个实施例的一种双足机器人摆动腿前向示意图；
图8是本发明一个实施例的一种双足机器人双腿侧向示意图；
图9是本发明一个实施例的一种双足机器人肩关节摆动角度示意图；
图10是本发明一个实施例的一种双足机器人关节角度控制结构示意图。
具体实施方式
本发明实施例的技术方案提出了一种双足机器人稳定步行的完整步态控制方案，能够更有效地实现稳定地起步和止步。并且，通过在满足零力矩点始终落在稳定区域内的前提下得到中步阶段的运动轨迹，将起步、止步与中步阶段的运动轨迹在位置、速度和/或加速度上都进行合理地衔接，保证在起步和起步阶段都能满足稳定性条件。另外，本方案利用机器人运动时势能和动能之间的转化，能够在一步之内快速地开始和结束正常的步行过程，避免了现有的方案中需要几个阶段才能达到和结束正常步行状态的问题，实现双足机器人既稳定又快速的行走。
图1是本发明一个实施例的一种双足机器人步态控制方法的流程示意图，参见图1，本实施例中，双足机器人步态控制方法包括如下步骤：
步骤S11，选取双足机器人在起步阶段、中步阶段和止步阶段的步态控制参数，并获取双足机器人的零力矩点(Zero Moment Point，简称ZMP)位于稳定区域内时，双足机器人的质心在中步阶段的运动轨迹；
步骤S12，根据中步阶段质心的运动轨迹得到质心在中步阶段起始时各步态控制参数的第一数值和质心在中步阶段结束时各步态控制参数的第二数值；
步骤S13，利用第一数值设置在起步阶段结束时质心需要满足的第一约束条件，利用第二数值设置在止步阶段开始时质心需要满足的第二约束条件；
步骤S14，基于第一约束条件和第二约束条件分别计算质心在起步阶段和止步阶段的运动轨迹；
步骤S15，控制双足机器人的行走，使双足机器人行走时质心的运动轨迹满足质心在起步阶段、中步阶段和止步阶段的各运动轨迹，实现双足机器人的稳定步行。
在图1所示实施例的基础上，步骤S11中步态控制参数包括位置、速度和加速度，或者步态控制参数包括位置和速度。并且步态控制参数的每个参数都包括在双足机器人行走时前向、侧向和垂直方向的三个方向分量。
由图1所示的方法可知，本实施例的双足机器人步态控制方法对双足机器人的起步和止步阶段质心的运行轨迹都进行控制，通过控制双足机器人的行走，使双足机器人行走时质心的运动轨迹满足质心在起步阶段、中步阶段和止步阶段的各运动轨迹，实现双足机器人的稳定步行。由于获取的中步阶段质心运动轨迹，满足稳定步行条件，因而利用中步阶段质心运动轨迹确定出的步态控制参数的数值来控制起步阶段和止步阶段的运动轨迹，也能保证稳定性。也就是说，与现有技术相比，本实施例的方法能够保证起步阶段和止步阶段的稳定性，同时使得起步阶段与中步阶段、中步阶段和止步阶段更好地衔接。实现了双足机器人在一个完整的步行过程中都能稳定步行。
以下结合具体的双足机器人模型对本发明实施例的这种双足机器人步态控制方法进行说明。
图2是本发明一个实施例的一种双足机器人九连杆模型前向视图，图3是本发明一个实施例的一种双足机器人九连杆模型侧向视图，图4是本发明一个实施例的一种双足机器人行走位置投影示意图；结合图2至图4，图2中P1～P9分别代表双足机器人的不同部位，例如，P8、P9表示双足机器人的左、右手臂。m1～m7分别表示连杆的质量。在本实施例中，以双足机器人行走的前进方向为x轴(即前向)，以双足机器人行走的侧向为y轴(如行走的右侧向)，以与地面垂直向上的方向为z轴构建笛卡尔坐标系，如图2和图3所示，采用九根匀质连杆及关节构成的双足机器人简化模型的前向视图(即xoz平面)和侧向视图(即yoz平面)，其中，双足机器人的单肩关节有一个前后的摆动自由度，单腿踝关节有前后和左右两个摆动自由度，单腿膝关节有一个前后自由度，髋关节有左右、前后和旋转三个自由度。
此外，在双足机器人每个行走步态中，以双足机器人的支撑腿的踝关节在地面的投影为坐标原点，以水平前进方向为X轴，以行走的侧向方向为Y轴，构建双足机器人自身的平面直角坐标系(XOY)。在双足机器人连续行走的中步阶段内，每个单腿支撑期的终止时刻，摆动腿上的脚摆动到合理的位置时，双足机器人的质心就有了新的支撑点。再以该新的支撑点为坐标原点以水平前进方向为X轴，以行走的侧向方向为Y轴，构建双足机器人自身的平面直角坐标系(XOY)，前一个支撑点的终止状态为初始状态，从而机器人又开始了一个新的单步，将这些单步连接起来就形成了机器人连续的行走模式。如图4所示，开始以右支撑腿的踝关节在地面的投影为坐标原点(即O点表示双足机器人的右腿在平面直角坐标系中的投影，与O点在Y轴方向相距预定距离的点表示双足机器人的左腿的投影。)相应的，X轴上的点表示双足机器人行走时右支撑腿的运动轨迹，X轴左边并与X轴相距预定距离的点表示左支撑腿的运动轨迹。
在本发明的一个实施例中，以步态控制参数为位置、速度和加速度进行示例性说明。
双足机器人步态控制方案必须考虑其稳定性，本实施例采用零力矩点(ZeroMoment Point，简称ZMP)作为双足机器人动态步行稳定性的一个重要依据。ZMP是机器人所受合力作用在支撑腿足底上的作用点，而且在这一点上合力的力矩在水平方向为零。要保证双足机器人的步行稳定，必须保证任意时刻的ZMP在行走过程中始终落在稳定区域内。稳定区域即支撑脚所组成的凸形区域在水平面上的投影。
以下分三个阶段描述双足机器人一次完整的步行过程中，应用本发明的步态控制方法具体实现过程。
(一)中步阶段质心运动轨迹控制
中步阶段是双足机器人平稳的周期性步行阶段，一个完整的单步分为单腿支撑期(设时间为T1)和双腿支撑期(设时间为T2)，整个中步阶段有多个周期性出现的单腿支撑期和双腿支撑期。本实施例单腿支撑期和双腿支撑期都采用线性倒立摆模型来控制质心的轨迹，以保证机器人步行时满足稳定性条件(即零力矩点ZMP始终位于稳定区域内)。但本实施例不局限于线性倒立摆模型，也可以采用其他模型来计算质心的运动轨迹。
在获取到双足机器人的质心在中步阶段的运动轨迹后，利用这个运动轨迹获得质心在中步阶段起始时各步态控制参数的数值作为第一数值，获得质心在中步阶段结束时各步态控制参数的数值作为第二数值；更具体的，是要获得双足机器人的如下信息：质心在中步阶段起始时，质心在坐标系的x轴方向的位置Xd(0)、速度和加速度y轴方向的位置Yd(0)、速度和加速度以及质心在中步阶段结束时，质心在坐标系的x轴方向的位置Xs(0)、速度和加速度y轴方向的位置Ys(0)、速度和加速度若在整个中步阶段保持步行稳定性，设定双足机器人的质心高度不变，即质心在z轴方向的位置不变，速度和加速度都等于0，所以z轴方向的运动轨迹可以预先获知。对中步阶段质心高度变化的场景，需要获取中步阶段起始时和结束时质心的高度(z轴方向的具体数值)。
在本实施例中，上述的第一数值和第二数值是从线性倒立摆模型计算结果中获取的。而构建线性倒立摆模型以及利用线性倒立摆模型计算不是本发明实施例的重点，可以采用现有技术方案来实现，其具体算法不再赘述，仅简要说明如下。
为了提高双足机器人步行运动的稳定性，将双腿支撑期的机器人简化为一个虚拟的线性倒立摆模型，图5是本实施例采用的线性倒立摆模型原理示意图，如图5所示，该模型以机器人运动的ZMP点为虚拟支点，以机器人质心51为线性倒立摆模型的质点，支撑脚52、支撑脚53为双腿支撑期机器人的两个支撑脚，ZMP点即倒立摆的虚拟支点，位于两个支撑脚之间。倒立摆模型的特点是质心高度保持不变，摆杆底端不提供力矩。即在中步阶段，双足机器人的质心垂直方向的高度不变，为一预定的值Hz。
本实施例首先规划出双腿支撑期ZMP的运动轨迹，然后求解质心的运动轨迹。这样既能保证ZMP平滑地从先前的支撑脚移动到后来的支撑脚，又能保证质心速度变化的连续性，从而增强了机器人步行运动的稳定性。
如图5所示，在双腿支撑期质心在x轴方向和y轴方向的运动方程为：
公式(1)
公式(2)
其中，公式(1)中的xZMP为ZMP的x轴坐标，公式(2)中的yZMP为ZMP的y轴坐标，Hz为质心在中步阶段的高度。
在双足机器人的单腿支撑期，支撑脚就是ZMP的位置，则xZMP＝0，且yZMP＝0。单腿支撑期质心在x轴方向和y轴方向的运动方程为：
公式(3)
公式(4)
在双腿支撑期，ZMP的位置xZMP和yZMP需要在机器人双足组成的支撑域内预先进行合理的规划，使之在支撑域内平滑地移动。并且要处理好双腿支撑期和单腿支撑期之间的边界条件的约束关系，即公式(1)、(2)和公式(3)、(4)之间的边界保持连续，以保证它们之间能够平稳地过渡。
利用上述公式(1)至(4)可以求得中步阶段双腿支撑期开始时刻的质心在x轴方向和y轴方向的轨迹，并可以求出双腿支撑期开始时刻各步态控制参数，位置、速度和加速度的分别对应的第一数值：Xd(0)、Yd(0)、以及单腿支撑期开始时刻各步态控制参数，位置、速度和加速度分别对应的第二数值：Xs(0)、 Ys(0)、然后将获取到的第一数值和第二数值用于起步和止步阶段的质心运动轨迹控制。
(二)起步阶段质心运动轨迹控制
起步阶段是机器人从双脚并齐的静止站立状态开始到具有平稳周期性的中步步态之间的过渡阶段。设该阶段时间为T1。起步阶段结束时质心满足的第一约束条件包括：第一前向约束条件(即x轴方向的约束条件)、第一侧向约束条件(即y轴方向的约束条件)和第一垂直方向约束条件(即z轴方向的约束条件)。
z轴方向质心运动轨迹控制
在起步阶段，由于机器人要从静止加速到步行速度，为了降低系统能耗，根据机械能守恒定律，本发明实施例通过降低机器人的重心，使势能尽可能转化为动能，这样机器人能够更快地进入中步阶段(即实现一步内起步的有益效果)。
本实施例中，根据期望达到的中步阶段起始时(这里的中步阶段起始时是指与起步阶段相衔接最近的一个双腿支撑期)质心的初始速度，以及动能和势能的转化关系，计算双足机器人的质心在起步阶段结束时垂直方向的高度Hz。具体的，通过下面的公式(5)先估计出重心要下降的大概距离Δz。
公式(5)
其中，质心起步阶段的初始速度v0＝0，v1为起步阶段质心的最终速度，也是期望达到的中步阶段起始时质心的初始速度(数值大小可根据实际应用需要进行设定)，m为机器人质量，g为重力加速度。
因为在中步阶段采用线性倒立摆模型进行质心运动轨迹计算，所以在中步阶段质心的高度要维持不变，即等于起步阶段结束时刻质心的高度Hz。质心在第一垂直方向约束条件包括：起步阶段开始时，位置参数值等于双足机器人质心的初始高度，速度参数值等于0；起步阶段结束时，位置参数值等于质心在起步阶段结束时垂直方向的高度Hz，速度参数值等于0。由此可得，起步阶段结束时刻在z轴方向机器人的质心需要满足的第一约束条件如下：
公式(6)
其中，Z(t)为质心在z轴方向的位置，为质心在z轴方向的速度，为质心在z轴方向的加速度，t为时间，Hz0为双足机器人质心的初始高度(即t等于0时的高度)，Hz为起步阶段结束时刻(即t等于T1时)的质心的高度。
需要说明的是，公式(6)中质心在起步阶段结束时刻的高度Hz，可以由质心的初始高度Hz0与下降距离Δz的差值来确定，也可以是一个与该差值的差不大于预定值范围内的一个值。即，Hz的具体数值可以等于Hz0减去Δz得到的差值，也可以等于该差值附近的一个值，对此不作限制，只要能够获取一个较佳的值以保证步行的稳定即可。可以理解，各步态控制参数的第一数值能够取公式(6)中各等式右侧的数值附近的、偏差不太大的其他数值。
得到起步阶段结束时刻质心在z轴方向满足的第一约束条件后，利用多项式插值，根据该第一约束条件可得质心在z轴方向的轨迹Z(t)为：
Z(t)＝a0+a1t+a2t2+a3t3+a4t4+a5t5 公式(7)
这里，a0至a5是具体参数，将公式(6)中对应的参数值带入公式(7)中可计算得到质心在z轴方向随时间t变化的轨迹。
x轴方向质心运动轨迹
在x轴方向，质心满足的第一前向约束条件包括：起步阶段开始时，位置参数值和速度参数的值都等于0；起步阶段结束时，位置参数值等于位置参数前向第一数值，速度参数值等于速度参数前向第一数值；即质心在初始时刻的位置、速度和加速度都为0，在起步阶段的结束时刻，质心偏离支撑点最远，如果保证此时机器人仍能满足稳定条件(即ZMP点在支撑域内)，则整个起步阶段双足机器人都是稳定的。因而本发明实施例设置起步阶段结束时刻的位置、速度和加速度与中步阶段的双腿支撑期的初始位置、速度和加速度相同，以保证起步阶段的步态到中步阶段步态之间的平稳过渡。因为中步阶段利用线性倒立摆模型进行步态控制，是满足稳定性条件的，所以据此可以保证起步阶段也满足稳定性条件。由此可知，质心在x轴方向上需要满足的第一约束条件如下:
公式(8)
其中，X(0)、和分别为起步阶段开始时刻，双足机器人的质心在x轴方向的位置、速度和加速度；X(T1)、和为起步阶段结束时刻双足机器人的质心在x轴方向的位置、速度和加速度，X(T1)、和的取值为前述中步阶段计算得到的质心在双腿支撑期开始时刻x轴方向的位置Xd(0)、速度和加速度
得到起步阶段结束时刻质心在x轴方向满足的第一约束条件后，利用多项式插值，根据公式(8)的可得质心在x轴方向的轨迹X(t)为：
X(t)＝b0+b1t+b2t2+b3t3+b4t4+b5t5 公式(9)
这里，b0至b5是具体参数，将公式(8)中对应的参数值带入公式(9)可计算得到质心在x轴方向随时间t变化的轨迹。
y轴方向质心运动轨迹
在本实施例中为便于说明，设机器人双足间的距离为W。质心满足的第一侧向约束条件包括：起步阶段开始时，位置参数值等于双足机器人双足之间距离的一半，速度参数值等于0；起步阶段结束时，位置参数值等于位置参数侧向第一数值，速度参数值等于速度参数侧向第一数值；即起步阶段初始时刻，质心在双足距离的中间位置，速度和加速度都为0。在起步阶段的结束时刻质心偏离支撑点最远，本发明实施例中设置y轴方向此时的位置、速度和加速度与中步阶段的双腿支撑期起始时的位置、速度和加速度相同，以保证相互之间的平稳过渡，并保证起步阶段也满足稳定性条件。由此，质心在y轴方向上需要满足的第一约束条件如下:
公式(10)
其中，Y(0)、和分别为起步阶段初始时刻，质心的位置、速度和加速度，Y(T1)、和分别为起步阶段结束时刻双足机器人的质心在y轴方向的位置、速度和加速度，Y(T1)、和的取值、为前述中步阶段计算出的双腿支撑期起始时质心在y轴方向的位置Yd(0)、速度和加速度
得到起步阶段结束时刻质心在y轴方向满足的第一约束条件后，利用多项式插值方法，根据公式(10)的约束条件可得质心在y轴方向的轨迹y(t)为：
y(t)＝c0+c1t+c2t2+c3t3+c4t4+c5t5 公式(11)
这里，c0至c5是具体参数，将公式(10)中对应的参数值带入公式(11)计算得到质心在y轴方向随时间t变化的轨迹。
(三)止步阶段质心运动轨迹控制
止步阶段是指机器人从平稳周期性的中步步态，逐渐降低速度，直至恢复平稳的静止直立状态的过程。设该阶段时间是T1。质心需要满足的第二约束条件包括：第二前向约束条件(即x轴方向的约束条件)、第二侧向约束条件(即y轴方向的约束条件)和第二垂直方向约束条件(即z轴方向的约束条件)。
z轴方向质心运动轨迹
在止步阶段，z轴方向质心的第二垂直方向约束条件包括：止步阶段开始时，位置参数值等于起步阶段结束时垂直方向的高度Hz，速度参数值等于0；止步阶段结束时，位置参数值等于双足机器人质心的初始高度，速度参数值等于0。由于机器人要从中步阶段的步行速度减速直至0，为了加快止步过程，止步阶段和起步阶段能量转换方向相反，根据机械能守恒定律，本发明实施例通过提高机器人的重心，即从中步阶段的质心高度Hz提高到起步开始时的高度Hz0，使动能尽可能转化为势能，使机器人更快地进入平稳静止状态(即实现一步内止步的有益效果)。
在z轴方向，为了实现步行稳定性，本发明实施例设置止步阶段初始时刻的位置、速度和加速度和中步阶段结束时刻(即单腿支撑期起始时)质心的位置、速度和加速度相同。所以可以得到止步阶段开始时刻机器人质心在z轴方向要满足的第二约束条件，如下：
公式(12)
其中，Z(0)、和分别为止步阶段初始时刻，质心在z轴方向的位置、速度和加速度，Z(T1)、和分别为止步阶段结束时刻双足机器人的质心在z轴方向的位置、速度和加速度，Zc为在止步阶段初始时刻的质心高度(可以等于中步阶段质心的高度Hz)，Zc0为止步阶段双足机器人最初平稳直立状态的质心高度(可以等于起步阶段质心的初始高度Hz0)。需要说明的是，各步态控制参数的第二数值也能够取公式(12)中各等式右侧的数值附近的且偏差不太大的其他数值，不限于公式(12)中各等式右侧举例的数值。
得到止步阶段开始时刻质心在z轴方向满足的第二约束条件后，利用多项式插值，根据约束条件(12)可得质心在z轴方向的轨迹Z(t)为：
Z(t)＝a'0+a'1t+a'2t2+a'3t3+a'4t4+a'5t5 公式(13)
这里，a'0至a'5是具体参数，将公式(12)中对应的参数值带入公式(13)计算得到质心在z轴方向随时间t变化的轨迹。
x轴方向质心的运动轨迹
在x轴方向，质心的第二前向约束条件包括：止步阶段开始时，位置参数值等于位置参数前向第二数值，速度参数值等于速度参数前向第二数值；止步阶段结束时，位置参数值和速度参数值都等于0。本发明实施例设置质心在止步阶段初始时刻的位置、速度和加速度分别与中步阶段的双腿支撑期结束时刻的位置、速度和加速度相同，根据对称性和连续性，也就是分别和中步阶段单腿支撑期开始时刻的位置、速度和加速度相同，以保证相互之间的平稳过渡，并保证止步阶段满足稳定性条件。而止步阶段结束时刻质心的位置、速度和加速度都为0，以恢复稳定的静止直立状态。由此可知，质心在止步阶段开始时刻满足的第二约束条件如下：
公式(14)
其中，止步阶段开始时刻的位置X(0)、速度和加速度的取值分别为前述中步阶段计算出的单腿支撑期开始时刻质心在x轴方向的位置Xs(0)、速度和加速度止步阶段结束时刻质心的位置X(T1)等于0、速度等于0、加速度等于0，
得到在x轴方向质心在止步阶段开始时刻满足的第二约束条件后，利用多项式插值，根据公式(14)的约束条件可得质心在x轴方向的轨迹X(t)为：
X(t)＝b'0+b'1t+b'2t2+b'3t3+b'4t4+b'5t5 公式(15)
这里，b'0至b'5是具体参数，将公式(14)中对应的参数值带入公式(15)计算得到质心在x轴方向随时间t变化的轨迹。
y轴方向质心的运动轨迹
在y轴方向，质心的第二侧向约束条件包括：止步阶段开始时，位置参数值等于位置参数侧向第二数值，速度参数值等于速度参数侧向第二数值；止步阶段结束时，位置参数值等于双足机器人双足之间距离的一半，速度参数值等于0。本实施例设置质心在止步阶段开始时刻的位置、速度和加速度分别与中步阶段的双腿支撑期结束时刻的位置、速度和加速度相同，根据对称性和连续性，也就是分别和中步阶段的单腿支撑期开始时刻的位置、速度和加速度相同，以保证相互之间的平稳过渡，并保证止步阶段满足稳定性条件。止步阶段结束时刻质心位于双足距离的中间位置，而速度和加速度都为0，以恢复稳定的静止直立状态。由此可知，止步阶段开始时刻质心在y轴方向满足的第二约束条件，如下：
公式(16)
其中，止步阶段开始时刻的位置Y(0)、速度和加速度分别等于前述中步阶段计算出的单腿支撑期开始时刻质心在y轴方向的位置Ys(0)、速度和加速度
在y轴方向，得到质心止步阶段开始时刻满足的第二约束条件后，利用多项式插值，根据公式(16)的约束条件可得质心在y轴方向的轨迹y(t)为：
Y(t)＝c'0+c'1t+c'2t2+c'3t3+c'4t4+c'5t5 公式(17)
这里，c'0至c'5是具体参数，将公式(16)中对应的参数值带入到公式(17)计算得到质心在y轴方向随时间t变化的轨迹。
至此，可得双足机器人的质心分别在中步阶段、起步阶段和止步阶段的运动轨迹。
需要说明是的，上述实施例中，以步态控制参数包括位置、速度和加速度进行的示例性说明，而在本发明的其他实施例中，步态控制参数可以包括位置和速度，当步态控制参数为位置和速度时，位置参数和速度参数都包括在双足机器人行走时前向、侧向和垂直方向的三个方向分量；具体的计算过程可参见前述实施例的相关描述，这里不再赘述。
本发明又一实施例基于质心的运动轨迹对双腿上各关节点的运动进行控制。为了进一步实现双足机器人步行的稳定性，该方法还包括：根据双足机器人踝关节的期望运动高度，计算双腿踝关节在起步阶段、中步阶段和止步阶段的运动轨迹，利用踝关节的运动轨迹，计算踝关节在各阶段的期望角度轨迹。以及，根据双足机器人在各个阶段的质心、膝关节和踝关节之间的结构位置关系以及步行时质心和踝关节在各个阶段的运动轨迹，计算得到膝关节在各阶段的运动轨迹；利用膝关节在起步阶段、中步阶段和止步阶段的运动轨迹，计算膝关节在各阶段的期望角度轨迹。
在双足机器人摆动腿摆动的过程中，摆动腿踝关节必须经过三个关键点，即初始点、最高点和终止点。根据在这三个点的位置、速度和加速度约束条件，同前类似，应用多项式插值可以求出摆动腿踝关节的运动轨迹。
具体的，图6是本发明一个实施例的一种双足机器人支撑腿前向示意图，图7是本发明一个实施例的一种双足机器人摆动腿前向示意图，如图6所示和图7所示，在前向平面(即机器人运动时在xoz平面内的投影)，Lc表示双足机器人的质心到髋关节的距离，Lk是髋关节到膝关节的距离，La表示膝关节到踝关节的距离，图7中的Hh1表示髋关节到踝关节的距离。这些距离以及髋关节、膝关节、踝关节之间的几何关系根据机器人的设计结构可预先得到，由此，根据机器人支撑腿的几何关系并结合质心的运动轨迹、踝关节的运动轨迹得到支撑腿各关节角度：踝关节关节角θa、膝关节关节角θk和髋关节关节角θh，以及角度随时间变化的轨迹。
可以理解，图6和图7中的α(即髋关节到踝关节的连线与y轴的夹角)、αa、αh、αk以及αa1、αh1、αk1为中间计算过程用到的辅助计算角度。
图8是本发明一个实施例的一种双足机器人双腿侧向示意图，类似地，如图8所示，在侧向平面(即机器人运动在yoz平面内的投影)，质心(即图8中的黑色实心圆)在双足机器人双足之间距离一半W/2，质心与髋关节的距离为zch，髋关节到踝关节的距离为zce，髋关节相对于支撑脚的y坐标为yce。为使机器人能够稳定行走，上体需保持垂直，脚底保持水平，则可将前视平面行走简化为一自由度问题。和步态有关的角度是踝关节的滚动(绕x轴转动)自由度和髋关节的滚动自由度。两踝关节角度大小、方向一致，两髋关节角度大小相等，方向与踝关节相反。根据腿部几何关系，质心的运动轨迹和踝关节的运动轨迹可以得到摆动腿部各关节角度：踝关节关节角θa1、膝关节关节角θk1和髋关节关节角θh1，以及角度随时间变化的轨迹。可以理解，图8中的角度θ和θce是机器人行走时髋关节与踝关节的连线与垂直方向的左右夹角，是辅助计算角度。
结合图6至图8根据双足机器人踝关节的期望运动高度，计算踝关节在起步阶段、中步阶段和止步阶段的运动轨迹的计算过程为：预先设定踝关节的期望运动高度(例如，Hh)，这一高度是踝关节运动的最高点，则踝关节起始点的位置、速度和加速度都为0，终止点的位置、速度和加速度都为0，最高点的位置为Hh，速度和加速度为0。根据这些数值计算踝关节满足的约束条件，并根据约束条件，应用多项式插值可以计算得到踝关节从起始点到最高点的运动轨迹，以及从最高点到终止点的运动轨迹。本实施例中，还包括根据步行时质心和踝关节在各个阶段的运动轨迹，得到在每个时刻质心和踝关节所在的空间位置，并根据机器人的质心和髋关节的几何位置关系得到髋关节的空间位置，再根据双足机器人髋关节、膝关节和踝关节之间的结构位置关系，并结合大腿小腿长度等结构参数，利用三角几何关系计算得到膝关节的位置和角度，进而得到膝关节在起步阶段、中步阶段和止步阶段的运动轨迹，并同时得到膝关节在各阶段的期望角度轨迹。
需要说明的是，本发明一个实施例中通过三角几何关系来计算双足机器人腿部踝关节、膝关节和髋关节的关节角度，在本发明的其他实施例中也可以采取其他算法来完成上述计算过程，只要能够计算双足机器人腿部关节以及髋关节的期望角度即可。例如逆运动学分析。逆运动学是根据已知的末端执行器的位置和姿态，求解相应的关节变量，现有技术中提供了多种计算方案(例如，解析法、几何法、几何解析法和数值解法)，通过现有技术方案能够实现根据髋关节的运动轨迹得到髋关节的期望角度轨迹(即髋关节的关节角度随时间的变化的轨迹)，本发明实施例对逆运动学分析方法不做限制。此外，如何求解期望角度轨迹不是本发明实施例的重点，具体实现时可以采用逆运动学分析中的任何一种方案，这里不再赘述。
另外，本实施例利用多项式插值计算质心的运动轨迹，以及髋关节、踝关节各自的运动轨迹，但是，本发明技术方案中质心和髋关节、踝关节运动轨迹的计算不限于本实施例的多项式插值。也可以采用其他能够实现计算方法。
在计算得到双腿踝关节、膝关节以及双足机器人髋关节的期望角度估计后，选取髋关节、踝关节和膝关节中的一个或多个作为控制点；当双足机器人行走时，实时检测控制点(例如踝关节、膝关节和髋关节)的转角，利用踝关节、膝关节和髋关节在各阶段的期望角度轨迹分别对检测到的髋关节、踝关节的转角进行自适应跟踪控制，实现双足机器人的稳定步行。
图10是本发明一个实施例的一种双足机器人关节角度控制结构示意图，在图10中，θd为期望关节角度，θr为实际检测的关节角度，kp为比例系数，kd为微分系数，τ为转动力矩。如图10所示，在本实施例中以髋关节为例示意性说明，得到机器人行走各阶段中髋关节的期望角度后，采取力矩控制，直接把检测到的髋关节转角作为反馈，与前述各阶段的中的步态所需的关节转角(期望角度)做差后用比例积分微分PID控制器(PID即，比例proportion、积分integration、微分differentiation)或比例微分PD控制器(PD即，比例proportion、微分differentiation)进行控制，输出双足机器人髋关节的输入转矩，从而驱动机器人的髋关节运动，以达到稳定步行的目的，本发明实施例的方案通过力矩控制的手段将双足机器人的非线性耦合系统简化为线性多变量解耦系统。在具体实施时可以对双足机器人的每个关节采用单独的PID或PD控制器，以此实现对各关节的期望角度的跟踪控制，最终实现机器人按设定的步态稳定运行。
需要说明的是，比例积分微分PID控制器或比例微分PD具体工作原理可参见现有方案，在此不再赘述。
在本发明的一个实施例中，为了使双足机器人的步态更加拟人化，并增加稳定性，机器人的双臂也要和腿部配合进行前后摆动，并与两腿的交替摆动相对称。因而该步态控制方法还包括：选取双足机器人的肩关节摆动的角度控制参数：角位移、角速度和角加速度；分别根据双足机器人中步阶段摆动腿摆动的开始时刻和结束时刻，摆动腿对应的肩关节期望达到的角位移值、角速度值和角加速度值，设置摆动腿对应的肩关节需要满足的角度约束条件；根据角度约束条件，并利用多项式插值计算中步阶段肩关节摆动的期望角度轨迹；利用双足机器人中步阶段摆动腿摆动的开始时刻，摆动腿对应的肩关节期望达到的角位移值、角速度值和角加速度值，设置起步阶段肩关节需要满足的角度第一约束条件，和止步阶段肩关节需要满足的角度第二约束条件；根据角度第一约束条件、角度第二约束条件，并利用多项式插值计算起步阶段肩关节摆动的期望角度轨迹和止步阶段肩关节摆动的期望角度轨迹；双足机器人行走时，实时检测肩关节的转角，利用肩关节在上述各阶段的期望角度轨迹对检测到肩关节的转角进行自适应跟踪控制，实现双足机器人的稳定步行。
图9是本发明一个实施例的一种双足机器人肩关节摆动角度示意图，具体的，在中步阶段的一个单步周期T＝T1+T2中，如图9所示，假设右腿为摆动腿，则右肩关节91在单步周期的开始时刻和结束时刻分别达到摆动角度的最大和最小值，可得角度约束条件：
公式(18)
其中，θ(0)是中步阶段单步周期的开始时刻，右肩关节摆动的角位移，表示角速度，表示角加速度，θ(T)中步阶段单步周期的结束时刻，右肩关节摆动的角位移、表示角速度，表示角加速度。其中，θmax是期望达到的摆动角最大值，-θmax是期望达到的摆动角最小值，这里的负号表示方向。
根据公式(18)的角度约束条件可得中步阶段右肩关节摆动的期望角度轨迹为：
θ(t)＝d0+d1t+d2t2+d3t3+d4t4+d5t5 公式(19)
公式(19)中的d0至d5为参数，将公式(18)中对应的参数值带入到公式(19)中，可计算得到期望角度轨迹。
而左肩关节摆动的角度与之前后相对称。
对于起步阶段，肩关节摆动角的初始值为0，对于止步阶段，肩关节摆动角的最终值为0，并要与中步步态中摆动角的衔接，获得第一角度约束条件和第二角度约束条件后，类似地可得起步和止步阶段肩关节摆动角的期望角度轨迹。具体的，起步阶段结束时刻，右肩关节摆动角满足的第一角度约束条件为：
公式(20)
根据公式(20)的第一角度约束条件可得右肩关节起步阶段摆动的期望角度轨迹为：
θ(t)＝e0+e1t+e2t2+e3t3+e4t4+e5t5 公式(21)
将公式(20)中的第一角度约束条件，带入到公式(21)中，可得右肩关节在起步阶段摆动角随时间变化的轨迹。
止步阶段开始时刻，右肩关节摆动角满足的第二角度约束条件为：
公式(22)
根据公式(22)的第二角度约束条件可得止步阶段开始时刻右肩关节摆动的期望角度轨迹为：
θ(t)＝f0+f1t+f2t2+f3t3+f4t4+f5t5 公式(23)
而左肩关节摆动的角度与之前后相对称。具体的计算过程可以参见前述的中步阶段一个单步周期内角度轨迹部分的说明，这里不再赘述。
通过上述实施例的说明可知，针对现有方案中存在的起步阶段和止步阶段步行稳定差，容易导致机器人步行失稳，影响机器人步行的问题。本发明实施例的在双足机器人进入中步步态后，采用线性倒立摆模型对机器人质心位置进行控制(即求出各步态控制参数的第一数值和第二数值)，以增加步行的稳定性，避免行走的中步阶段支撑腿瞬间切换造成的不稳定和对机器人造成的冲击。接着，采用多项式插值，根据各步态控制参数对应的第一数值和第二数值分别确定质心在起步阶段满足的第一约束条件和在止步阶段满足的第二约束条件，从而对双足机器人的起步和止步阶段质心的运行轨迹都进行控制，控制双足机器人的行走，使双足机器人行走时质心的运动轨迹满足质心在起步阶段、中步阶段和止步阶段的各运动轨迹，实现双足机器人的稳定步行。进一步的，本方案根据机器人势能转化的动能，实现起步阶段在一步内进入正常的中步步行状态，以及由动能转化为势能，在止步阶段一步内完成止步过程，并且使得起步阶段、止步阶段分别与中步步态连续地衔接，满足稳定步行条件，实现步行过程高效而稳定地开始和结束。在得到起步阶段、中步阶段和止步阶段质心的轨迹后，通过机器人的结构特点以及逆运动学分析计算双腿髋关节、膝关节和踝关节的关节转角。最后，通过对双足机器人各个关节转角的控制，进一步保证行走时质心的稳定，实现双足机器人步行稳定性。
在发明的另一个实施例中，还提供了一种双足机器人的步态控制装置，该装置包括：
质心中步阶段轨迹获取单元，用于选取双足机器人在起步阶段、中步阶段和止步阶段的步态控制参数，并获取双足机器人的零力矩点位于稳定区域内时，双足机器人的质心在中步阶段的运动轨迹；
参数值获取单元，用于根据中步阶段质心的运动轨迹得到质心在中步阶段起始时各步态控制参数的第一数值和质心在中步阶段结束时各步态控制参数的第二数值；
约束条件设置单元，用于利用第一数值设置在起步阶段结束时质心需要满足的第一约束条件，利用第二数值设置在止步阶段开始时质心需要满足的第二约束条件；
质心起步止步阶段轨迹计算单元，用于基于第一约束条件和第二约束条件分别计算质心在起步阶段和止步阶段的运动轨迹；
质心轨迹控制单元，用于控制双足机器人的行走，使双足机器人行走时质心的运动轨迹满足质心在起步阶段、中步阶段和止步阶段的各运动轨迹，实现双足机器人的稳定步行。
在本发明的一个实施例中，质心轨迹控制单元包括：踝关节轨迹计算单元、髋关节轨迹计算单元、关节角度计算单元和关节角度控制单元；
踝关节轨迹计算单元，用于根据双足机器人踝关节的期望运动高度，计算双腿踝关节在起步阶段、中步阶段和止步阶段的运动轨迹；
髋关节轨迹计算单元，用于根据质心在各阶段的运动轨迹计算双足机器人髋关节在起步阶段、中步阶段和止步阶段的运动轨迹；
关节角度计算单元，用于利用髋关节及踝关节在各阶段的运动轨迹、双足机器人腿部的结构位置关系和腿部长度数值，计算得到髋关节、踝关节、膝关节在各阶段的期望角度轨迹；
关节角度控制单元，用于选取髋关节、踝关节和膝关节中的一个或多个作为控制点；当双足机器人行走时，实时检测控制点的转角，利用控制点在上述各阶段的期望角度轨迹对检测到控制点的转角进行自适应跟踪控制，使双足机器人行走时质心的运动轨迹满足质心在起步阶段、中步阶段和止步阶段的各运动轨迹。
在本实施例中，步态控制参数的每个参数都包括在双足机器人行走时前向、侧向和垂直方向的三个方向分量；其中，该步态控制参数包括位置和速度，或者该步态控制参数包括位置、速度和加速度。
需要说明的是，本实施例中双足机器人步态控制装置是和前述的步态控制方法相对应的，因而，本实施例的步态控制装置的工作过程可以参见前述方法部分的相应说明，这里不再赘述。
综上所述，与以往的技术方案相比，提出了一种更有效的起步和止步阶段的规划方法，能够在一步之内快速地开始和结束正常的步行过程，避免了通常的方案中需要几个阶段才能达到和结束正常步行状态。并且，通过与中步阶段采用倒立摆模型规划出的轨迹在位置、速度和加速度上都进行合理地衔接，保证在起步和起步阶段都能满足稳定性条件。另外，在正常的中步步态中，通过在单腿和双腿支撑阶段都通过线性倒立摆模型进行规划，保证机器人在两个阶段都满足稳定性条件，并降低了支撑腿切换期间对机器人造成的冲击。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (11)

1.一种双足机器人的步态控制方法，其特征在于，所述方法包括：
选取双足机器人在起步阶段、中步阶段和止步阶段的步态控制参数，并获取双足机器人的零力矩点位于稳定区域内时，所述双足机器人的质心在中步阶段的运动轨迹；
根据所述中步阶段质心的运动轨迹得到质心在中步阶段起始时各步态控制参数的第一数值和质心在中步阶段结束时各步态控制参数的第二数值；
利用所述第一数值设置在起步阶段结束时质心需要满足的第一约束条件，利用所述第二数值设置在止步阶段开始时质心需要满足的第二约束条件；
基于所述第一约束条件和所述第二约束条件分别计算质心在起步阶段和止步阶段的运动轨迹；
控制双足机器人的行走，使双足机器人行走时质心的运动轨迹满足所述质心在起步阶段、中步阶段和止步阶段的各运动轨迹，实现所述双足机器人的稳定步行。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制双足机器人的行走，使双足机器人行走时质心的运动轨迹满足所述质心在起步阶段、中步阶段和止步阶段的各运动轨迹包括：
根据质心在各阶段的运动轨迹计算双足机器人髋关节在起步阶段、中步阶段和止步阶段的运动轨迹；
根据双足机器人踝关节的期望运动高度，计算双腿踝关节在起步阶段、中步阶段和止步阶段的运动轨迹；
利用髋关节及踝关节在各阶段的运动轨迹、双足机器人腿部的结构位置关系以及腿部长度数值，计算得到髋关节、踝关节、膝关节在各阶段对应的期望角度轨迹；
选取髋关节、踝关节和膝关节中的一个或多个作为控制点；
当双足机器人行走时，实时检测所述控制点的转角，利用所述控制点在上述各阶段的期望角度轨迹对检测到控制点的转角进行自适应跟踪控制，使双足机器人行走时质心的运动轨迹满足所述质心在起步阶段、中步阶段和止步阶段的各运动轨迹。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步态控制参数的每个参数都包括在双足机器人行走时前向、侧向和垂直方向的三个方向分量；
其中，该步态控制参数包括位置和速度，或者该步态控制参数包括位置、速度和加速度。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据期望达到的中步阶段起始时质心的初始速度，以及动能和势能的转化关系，计算双足机器人的质心在起步阶段结束时垂直方向的高度Hz；
获取到的所述双足机器人的质心在中步阶段的运动轨迹满足下列条件：
所述质心在中步阶段起始时以及中步阶段结束时垂直方向的高度均为Hz。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据期望达到的中步阶段起始时质心的初始速度，以及动能和势能的转化关系，计算双足机器人的质心在起步阶段结束时垂直方向的高度Hz包括：
通过如下公式计算起步阶段结束时质心下降的距离Δz：
其中，v1是期望达到的中步阶段起始时质心的初始速度，v0为起步阶段初始时刻的速度，m为所述双足机器人的质量，g为重力加速度；
由质心在垂直方向的初始高度与Δz之间的差值得到质心在起步阶段结束时垂直方向的高度Hz。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，该方法包括：
当所述步态控制参数为位置和速度时，位置参数和速度参数都包括在双足机器人行走时前向、侧向和垂直方向的三个方向分量；
起步阶段结束时质心满足的所述第一约束条件包括：第一前向约束条件、第一侧向约束条件和第一垂直方向约束条件；
所述第一前向约束条件包括：起步阶段开始时，位置参数值和速度参数的值都等于0；起步阶段结束时，位置参数值等于位置参数前向第一数值，速度参数值等于速度参数前向第一数值；
所述第一侧向约束条件包括：起步阶段开始时，位置参数值等于双足机器人双足之间距离的一半，速度参数值等于0；起步阶段结束时，位置参数值等于位置参数侧向第一数值，速度参数值等于速度参数侧向第一数值；
所述第一垂直方向约束条件包括：起步阶段开始时，位置参数值等于双足机器人质心的初始高度，速度参数值等于0；起步阶段结束时，位置参数值等于所述质心在起步阶段结束时垂直方向的高度Hz，速度参数值等于0；
所述第二约束条件包括：第二前向约束条件、第二侧向约束条件和第二垂直方向约束条件；
所述第二前向约束条件包括：止步阶段开始时，位置参数值等于位置参数前向第二数值，速度参数值等于速度参数前向第二数值；止步阶段结束时，位置参数值和速度参数值都等于0；
所述第二侧向约束条件包括：止步阶段开始时，位置参数值等于位置参数侧向第二数值，速度参数值等于速度参数侧向第二数值；止步阶段结束时，位置参数值等于所述双足机器人双足之间距离的一半，速度参数值等于0；
所述第二垂直方向约束条件包括：止步阶段开始时，位置参数值等于起步阶段结束时垂直方向的高度Hz，速度参数值等于0；止步阶段结束时，位置参数值等于所述双足机器人质心的初始高度，速度参数值等于0；
当所述步态控制参数包括位置、速度和加速度时，位置参数、速度参数和加速度参数都包括在双足机器人行走时前向、侧向和垂直方向的三个方向分量；
所述第一前向约束条件包括：起步阶段开始时，位置参数值、速度参数值和加速度参数值都等于0；起步阶段结束时，位置参数值等于位置参数前向第一数值，速度参数值等于速度参数前向第一数值，加速度参数值等于加速度参数前向第一数值；
所述第一侧向约束条件包括：起步阶段开始时，位置参数值为双足机器人双足之间距离的一半，速度参数值和加速度参数值都等于0；起步阶段结束时，位置参数值等于位置参数侧向第一数值，速度参数值等于速度参数侧向第一数值，加速度参数值等于加速度参数侧向第一数值；
所述第一垂直方向约束条件包括：起步阶段开始时，位置参数值等于双足机器人质心的初始高度，速度参数值和加速度参数值都等于0；起步阶段结束时，位置参数值等于质心在起步阶段结束时垂直方向的高度Hz，速度参数值和加速度参数值都等于0；
所述第二前向约束条件包括：止步阶段开始时，位置参数值等于位置参数前向第二数值，速度参数值等于速度参数前向第二数值，加速度参数值等于加速度参数前向第二数值；止步阶段结束时，位置参数值、速度参数值和加速度参数值都等于0；
所述第二侧向约束条件包括：止步阶段开始时，位置参数值等于位置参数侧向第二数值，速度参数值等于速度参数侧向第二数值，加速度参数值等于加速度参数侧向第二数值；止步阶段结束时，位置参数值等于所述双足机器人双足之间距离的一半，速度参数值和速度参数值都等于0；
所述第二垂直方向约束条件包括：止步阶段开始时，位置参数值等于质心在起步阶段结束时垂直方向的高度Hz，速度参数值和加速度参数值都等于0；止步阶段结束时，位置参数值等于所述双足机器人质心的初始高度，速度参数值和加速度参数值都等于0。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述第一约束条件和所述第二约束条件分别计算质心在起步阶段和止步阶段的运动轨迹包括:
根据所述质心在起步阶段结束时满足的第一约束条件，利用多项式插值计算质心在起步阶段的运动轨迹；
根据质心在止步阶段开始时满足的第二约束条件，利用多项式插值计算质心在止步阶段的运动轨迹。
8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
选取双足机器人的肩关节摆动的角度控制参数：角位移、角速度和角加速度；
分别根据所述双足机器人中步阶段摆动腿摆动的开始时刻和结束时刻，摆动腿对应的肩关节期望达到的角位移值、角速度值和角加速度值，设置摆动腿对应的肩关节需要满足的角度约束条件；
根据所述角度约束条件，并利用多项式插值计算中步阶段肩关节摆动的期望角度轨迹；
利用所述双足机器人中步阶段摆动腿摆动的开始时刻，摆动腿对应的肩关节期望达到的角位移值、角速度值和角加速度值，设置起步阶段所述肩关节需要满足的角度第一约束条件，和止步阶段所述肩关节需要满足的角度第二约束条件；
根据所述角度第一约束条件、所述角度第二约束条件，并利用多项式插值计算起步阶段所述肩关节摆动的期望角度轨迹和止步阶段所述肩关节摆动的期望角度轨迹；
所述双足机器人行走时，实时检测所述肩关节的转角，利用所述肩关节在上述各阶段的期望角度轨迹对检测到肩关节的转角进行自适应跟踪控制，实现所述双足机器人的稳定步行。
9.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述利用所述控制点在上述各阶段的期望角度轨迹对检测到控制点的转角进行自适应跟踪控制包括：
将机器人行走时实际检测到的每个控制点的转角与该关节对应的期望角度作差，将差值输入比例积分微分角度控制器或者比例微分角度控制器进行自适应跟踪控制，得到每个关节的输入转矩，从而利用所述输入转矩驱动机器人的各关节运动。
10.一种双足机器人的步态控制装置，其特征在于，该装置包括：
质心中步阶段轨迹获取单元，用于选取双足机器人在起步阶段、中步阶段和止步阶段的步态控制参数，并获取双足机器人的零力矩点位于稳定区域内时，所述双足机器人的质心在中步阶段的运动轨迹；
参数值获取单元，用于根据所述中步阶段质心的运动轨迹得到质心在中步阶段起始时各步态控制参数的第一数值和质心在中步阶段结束时各步态控制参数的第二数值；
约束条件设置单元，用于利用所述第一数值设置在起步阶段结束时质心需要满足的第一约束条件，利用所述第二数值设置在止步阶段开始时质心需要满足的第二约束条件；
质心起步止步阶段轨迹计算单元，用于基于所述第一约束条件和所述第二约束条件分别计算质心在起步阶段和止步阶段的运动轨迹；
质心轨迹控制单元，用于控制双足机器人的行走，使双足机器人行走时质心的运动轨迹满足所述质心在起步阶段、中步阶段和止步阶段的各运动轨迹，实现所述双足机器人的稳定步行。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述质心轨迹控制单元包括：踝关节轨迹计算模块、髋关节轨迹计算模块、关节角度计算模块和关节角度控制模块；
所述踝关节轨迹计算模块，用于根据双足机器人踝关节的期望运动高度，计算双腿踝关节在起步阶段、中步阶段和止步阶段的运动轨迹；
所述髋关节轨迹计算模块，用于根据质心在各阶段的运动轨迹计算双足机器人髋关节在起步阶段、中步阶段和止步阶段的运动轨迹；
所述关节角度计算模块，用于利用髋关节及踝关节在各阶段的运动轨迹、双足机器人腿部的结构位置关系和腿部长度数值，计算得到髋关节、踝关节、膝关节在各阶段的期望角度轨迹；
所述关节角度控制模块，用于选取髋关节、踝关节和膝关节中的一个或多个作为控制点；当双足机器人行走时，实时检测所述控制点的转角，利用所述控制点在上述各阶段的期望角度轨迹对检测到控制点的转角进行自适应跟踪控制，使双足机器人行走时质心的运动轨迹满足所述质心在起步阶段、中步阶段和止步阶段的各运动轨迹。
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