本發(fā)明涉及一種用于控制可穿著式機器人步態(tài)的方法，其利用假想的懸架使機器人對于穿著者而言更可靠，其中穿著者是指將機器人穿著在他/她下肢從而借助機器人進行行走的人。

背景技術(shù)：
人們已提出多種用于控制步行式或可穿著機器人的步態(tài)的常規(guī)控制方法。在這些用于控制機器人步態(tài)的傳統(tǒng)方法中，控制機器人沿著預(yù)設(shè)路徑行走比較容易，然而在機器人行走或站立在一個地方時難以使機器人保持平衡。特別是當(dāng)機器人因受到外力而擺動時，很難快速地控制機器人并使其保持平衡。在韓國專利公開號10-2012-0121958A中提出一個傳統(tǒng)技術(shù)的例子，其名稱為“機器人的力/力矩傳感器以及利用其來控制機器人步態(tài)的方法（FORCE/TORQUESENSORFORROBOTANDMETHODOFCONTROLLINGGAITOFROBOTUSINGTHESAME）”。該常規(guī)技術(shù)的方法包括下列步驟：利用設(shè)置在機器人腿部的力/力矩傳感器，測量在機器人行走時所產(chǎn)生的垂直旋轉(zhuǎn)力矩；控制機器人上部主體的關(guān)節(jié)，以響應(yīng)于所測量的旋轉(zhuǎn)力矩并調(diào)節(jié)被施加至機器人腿部的負(fù)載。然而，該常規(guī)技術(shù)無法明顯改善機器人在行走或站立在一個地方時使機器人保持平衡的問題。在韓國專利公開號10-1999-0059516A中提出另一個常規(guī)技術(shù)的例子，其名稱為“用于機器人操縱裝置的方法和裝置（METHODANDAPPARATUSFORCONTROLLINGROBOTMANIPULATOR）”。該常規(guī)技術(shù)涉及一種這樣的方法和設(shè)備，其用于控制機器人操縱裝置以改善奇點周圍的機器人的操作特性。具體地，本方法和設(shè)備確定操縱裝置的奇點，利用對應(yīng)于操縱裝置當(dāng)前位置值的雅可比轉(zhuǎn)置矩陣來計算取決于奇點相對大小的控制輸入值，以及依賴于控制輸入值來控制操縱裝置。該常規(guī)技術(shù)的控制方法能夠可靠地操作奇點處或周圍的機器人的操縱裝置。應(yīng)當(dāng)理解的是，上述描述僅僅用于幫助理解本發(fā)明，而并非表示本發(fā)明落在現(xiàn)有技術(shù)的范圍內(nèi)。（專利文獻1）KR10-2012-0121958A（專利文獻2）KR10-1999-0059516A

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種用于控制可穿著機器人的步態(tài)的方法，其利用假想的懸架從而使機器人更加可靠。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種用于控制機器人步態(tài)的方法，包括：在機器人處于雙腿支撐狀態(tài)時，在與機器人的雙腳隔開且向外的位置形成假想壁；利用機器人的關(guān)節(jié)的角度和連桿的長度，動力學(xué)計算（kineticallycalculating）機器人的身體與假想壁之間的距離的變化，以及機器人的身體相對于假想壁的速度的變化；將距離的變化和速度的變化，應(yīng)用于形成于機器人的身體與假想壁之間的假想的彈簧阻尼器模型，并計算機器人的身體所需的假想的反作用力；以及利用雅可比轉(zhuǎn)置矩陣，將所計算的反作用力轉(zhuǎn)換成機器人的身體所需的驅(qū)動力矩。假想壁可以包括分別形成于機器人的兩側(cè)和機器人的前后的假想壁。機器人可以包括踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)。轉(zhuǎn)換所計算的反作用力的步驟可以包括：當(dāng)機器人處于單腿支撐狀態(tài)時，動力學(xué)計算機器人的髖部與支撐身體的那條腿的腳的腳底之間的高度的變化，并且利用機器人的關(guān)節(jié)的角度和連桿的長度，動力學(xué)計算髖部相對于腳底的速度的變化。動力學(xué)計算高度的變化的步驟包括：將髖部的高度的變化和速度的變化，應(yīng)用于存在于髖部與腳底之間的假想的彈簧阻尼器模型，并計算支撐機器人的身體的腿所需的假想支撐力。計算假想支撐力的可以步驟包括：利用雅可比轉(zhuǎn)置矩陣，將所計算的支撐力轉(zhuǎn)換成機器人的關(guān)節(jié)所需的驅(qū)動力矩。機器人可以包括設(shè)置在其髖部中的俯仰關(guān)節(jié)，并且轉(zhuǎn)換所計算的反作用力的步驟可以包括：將俯仰關(guān)節(jié)（pitchingjoint）的角度的變化和俯仰關(guān)節(jié)的角速度的變化，應(yīng)用于存在于通過俯仰關(guān)節(jié)彼此連接的兩條連桿之間的假想的彈簧阻尼器模型，并計算俯仰關(guān)節(jié)所需的俯仰力矩（pitchingtorque）。機器人可以包括設(shè)置在其髖部中的滾動關(guān)節(jié)（rollingjoint），并且轉(zhuǎn)換所計算的反作用力的步驟包括：將滾動關(guān)節(jié)的角度的變化和滾動關(guān)節(jié)的角速度的變化，應(yīng)用于存在于通過滾動關(guān)節(jié)彼此連接的兩條連桿之間的假想的彈簧阻尼器模型，并計算滾動關(guān)節(jié)所需的滾動力矩（rollingtorque）。如上所述，在用于控制機器人步態(tài)的方法中，假想的彈簧阻尼器模型的懸架控制器起到保持穿著者初始姿勢的功能，以響應(yīng)于穿著者的外觀，其中假想的彈簧阻尼器模型垂直地設(shè)置在關(guān)節(jié)坐標(biāo)系統(tǒng)中。另外，當(dāng)穿著者預(yù)期的力或外力施加給機器人時，懸架控制器還具有對力進行分散、反作用（react）或恢復(fù)的功能。即使當(dāng)機器人處于單腿支撐的狀態(tài)時，這些功能也明顯地用于保持機器人的穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)機器人從雙腿支撐狀態(tài)向單腿支撐狀態(tài)轉(zhuǎn)變時，由于重力變化以及支撐機器人身體的部位的變化，使動力學(xué)方程模型瞬間改變。此時，上述功能能夠防止快速動力學(xué)性能的變化，并降低由實際模型與動力學(xué)方程模型變量之間的差異造成的運動誤差。當(dāng)機器人行走時，機器人的狀態(tài)在單腿支撐狀態(tài)和雙腿支撐狀態(tài)之間周期性變化。此處，當(dāng)機器人在地面上步行并進入單腿支撐狀態(tài)時，較大的外力瞬間施加給機器人?？梢栽O(shè)置在例如三俯仰軸上的假想的旋轉(zhuǎn)式懸架，可以起到阻擋瞬間被施加給機器人的較大沖擊的功能，從而吸附震動。使懸架回復(fù)到其原始狀態(tài)的恢復(fù)力有助于穿著者返回到他/她的初始姿勢，從而降低穿著者的能量消耗。附圖說明下面結(jié)合附圖對說明書進行描述，本發(fā)明的上述和其它目的、特征和優(yōu)點將會更加顯而易見，其中：圖1是根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的用于控制機器人步態(tài)的方法的流程圖；圖2和圖3是示出根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的機器人步態(tài)控制方法中的機器人的雙腿支撐狀態(tài)的視圖；圖4是示出根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的機器人步態(tài)控制方法中的動力學(xué)計算的視圖；以及圖5至圖7是示出根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的機器人步態(tài)控制方法中的機器人的單腿支撐狀態(tài)的視圖。具體實施方式下面將參考附圖詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的用于控制機器人步態(tài)的方法。圖1是根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的機器人步態(tài)控制方法的流程圖。圖2和圖3是示出機器人步態(tài)控制方法中的機器人的雙腿支撐狀態(tài)的視圖。圖4示出機器人步態(tài)控制方法的動力學(xué)計算的視圖。圖5至圖7示出機器人步態(tài)控制方法中的機器人的單腿支撐狀態(tài)。本發(fā)明涉及一種機器人步態(tài)控制方法，其能夠利用假想的懸架系統(tǒng)來控制例如可穿著的下肢外骨骼機器人的步態(tài)。本發(fā)明示例性的機器人步態(tài)控制方法包括：假想壁形成步驟S200，在機器人處于雙腿支撐狀態(tài)時，在與機器人的雙腳隔開且向外預(yù)定距離的位置上形成假想壁；變化計算步驟S210，利用機器人關(guān)節(jié)的角度和連桿的長度，動力學(xué)計算機器人的身體與每個假想壁之間的距離的變化，以及機器人的身體相對于每個假想壁的速度變化；反作用力計算步驟S220，將距離變化和速度變化應(yīng)用到假想的彈簧阻尼器模型，該假想的彈簧阻尼器模型形成于機器人的身體與每個假想壁之間，并計算機器人的身體所需的假想的反作用力；以及反作用力轉(zhuǎn)換步驟S230，利用雅可比轉(zhuǎn)置矩陣，將所計算的反作用力轉(zhuǎn)換成機器人關(guān)節(jié)所需的驅(qū)動力矩。機器人可分為自動動作的無人操縱機器人，和人行走時穿著的可穿著機器人。盡管本發(fā)明可被應(yīng)用到這兩種機器人，但是在下列示例性實施例中將描述可穿著機器人。本發(fā)明被設(shè)計成使人穿著機器人行走。為了提供機器人步態(tài)的可靠性，本發(fā)明能夠分開控制機器人的雙腿支撐狀態(tài)（即，站立狀態(tài)），和單腿支撐狀態(tài)（即，行走狀態(tài)）。此外，即使在行走期間腳開始與地面接觸時，也能夠執(zhí)行用于雙腿支撐狀態(tài)的控制。圖2至圖3示出根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的機器人步態(tài)控制方法的機器人的雙腿支撐狀態(tài)。在步驟S100，確定機器人是處于雙腿支撐狀態(tài)還是單腿支撐狀態(tài)。如果機器人處于雙腿支撐狀態(tài)，則首先執(zhí)行假想壁形成步驟S200，形成與機器人的雙腳分隔開且向外預(yù)定距離的假想壁200和200’。在形成假想壁200和200’之后，在假想壁與機器人之間形成包含彈簧阻尼器模型300和300’的懸架。假設(shè)懸架將反作用力施加給機器人，以將反作用力提供給機器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)的方式來控制機器人，以便在機器人沿一個方向傾斜時，機器人好像懸架吸收震動或者機器人跳動一樣起反應(yīng)，由此機器人能夠自動地保持其平衡。為此，首先形成假想壁。假想壁形成于與機器人的腳的相應(yīng)腳底100隔開預(yù)定距離的位置上。也就是，如圖2所示，側(cè)壁形成在腳的腳底的兩側(cè)、與相應(yīng)腳底隔開距離A的位置上。如圖3所示，在腳的腳底的前后、隔開距離B的位置上還分別形成有前壁和后壁。機器人包括關(guān)節(jié)，以及將關(guān)節(jié)彼此連接的連桿。在變化計算步驟S210中，利用機器人關(guān)節(jié)的角度和連桿的長度，動力學(xué)計算機器人的身體與每個假想壁之間的距離的變化和機器人的身體相對于每個假想壁的速度的變化。因此，如果通過編碼器測量關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度，能夠動力學(xué)計算機器人的身體的預(yù)定部分與每個假想壁之間的距離的變化。由于基于機器人的腳的腳底來確定假想壁的位置，因此假想壁的位置可被看作是相對于機器人被固定。以這種方式，能夠易于確定假想壁的位置。此外，利用基于機器人的腳的腳底的三角函數(shù)，能夠動力學(xué)地確定機器人的身體的位置。因而，能夠易于確定每個假想壁與機器人的身體之間的相對距離的變化。此外，通過對距離變化求微分可以獲得機器人的身體的速度的變化。在反作用計算步驟S220，將距離的變化和速度的變化應(yīng)用到存在于機器人的身體與每個假想壁之間的假想的彈簧阻尼器模型，以便計算機器人的身體所需的假想的反作用力。如圖2和圖3所示，假想彈簧/阻尼器300和300’分別設(shè)置在每個相應(yīng)的假想壁與機器人的身體之間。將距離的變化和速度的變化應(yīng)用到每個假想的彈簧阻尼器模型，由此能夠獲得被施加給機器人的身體的反作用力。根據(jù)下列概念可獲得示例性等式：【等式1】τ=JT·F在等式1，k和c分別表示彈簧常數(shù)和阻尼系數(shù)。在反作用力轉(zhuǎn)換步驟S230中，通過雅可比轉(zhuǎn)置矩陣將所計算的反作用力轉(zhuǎn)換成機器人關(guān)節(jié)所需的驅(qū)動力矩。也就是，在步驟S400，通過雅可比轉(zhuǎn)置矩陣，將施加給機器人的身體端部的反作用力轉(zhuǎn)換成關(guān)節(jié)所需的驅(qū)動力矩，并且用于控制關(guān)節(jié)的電動機。因此，機器人可被控制成好像機器人實際上分別通過假想壁200和200’上的懸架300和300’支撐一樣。此外，假想壁分別形成于機器人的相反兩側(cè)（200）和機器人的前后（200’），以便能夠通過懸架向前、向后、向左和向右支撐機器人，由此當(dāng)機器人處于雙腿支撐狀態(tài)時，能夠自動地維持穩(wěn)定的姿勢，從而提高穿著者的安全。此外，機器人可包括踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)。反作用力作為驅(qū)動力矩被分配和輸入到相應(yīng)的關(guān)節(jié)。圖4示出根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的機器人步態(tài)控制方法的動力學(xué)計算的視圖。圖5至圖7示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的機器人步態(tài)控制方法中的機器人的單腿支撐狀態(tài)。當(dāng)機器人處于單腿支撐狀態(tài)時，機器人正在行走。為了使機器人保持平衡，機器人的用于支撐機器人的身體的至少一條腿被加強地控制。每條腿可包括踝關(guān)節(jié)130、膝關(guān)節(jié)140和髖關(guān)節(jié)120。髖關(guān)節(jié)120可包括俯仰關(guān)節(jié)122和滾動關(guān)節(jié)124，使得髖部可以圍繞兩軸旋轉(zhuǎn)，從而可以以人類腰部一樣的方式平穩(wěn)地移動。在機器人的單腿支撐狀態(tài)下，在高度計算步驟S300中，利用機器人的關(guān)節(jié)的角度（例如，q1和q2）和連桿的長度（例如，L1和L2），動力學(xué)計算用于支撐機器人的身體那條腿的腳底100與相應(yīng)髖關(guān)節(jié)120之間的高度Yd的變化，以及髖關(guān)節(jié)120相對于腳底100的速度的變化。在支撐力計算步驟S310中，將高度的變化和速度的變化應(yīng)用于存在于髖關(guān)節(jié)和腳底之間的假想的彈簧-阻尼器模型，從而計算由支撐腿所需的假想支撐力。在支撐力計算步驟S310之后，在支撐力矩轉(zhuǎn)換步驟S320，利用雅可比轉(zhuǎn)置力矩將所計算的支撐力轉(zhuǎn)換成機器人關(guān)節(jié)所需的驅(qū)動力矩。如圖4所示，通過動力學(xué)分析，能夠獲得機器人髖部與相應(yīng)腳的腳底或地面之間的距離。也就是，利用機器人的關(guān)節(jié)的角度和連桿的長度，通過下列等式可以動力學(xué)地計算該距離?！镜仁?】Yd=L1·cos(q1)+L2·cos(q2-q1)在已經(jīng)得到機器人的髖部高度之后，在機器人的髖部與地面或腳的腳底之間形成假想的彈簧-阻尼器模型，然后根據(jù)髖部的高度變化和髖部的移動速度的變化來計算用于支撐髖部的假想支撐力。利用雅可比轉(zhuǎn)置力矩將支撐力轉(zhuǎn)換成每個關(guān)節(jié)的所需力矩。由相應(yīng)力矩操作這些關(guān)節(jié)，以便用于支撐機器人的身體的腿的關(guān)節(jié)可以吸收機器人行走時的震動。機器人包括設(shè)置在髖部中的俯仰關(guān)節(jié)122。反作用力轉(zhuǎn)換步驟S320包括俯仰計算步驟S330。在俯仰計算步驟S330中，俯仰關(guān)節(jié)122的角度（Q2）的變化和俯仰關(guān)節(jié)122的角速度的變化被應(yīng)用于假想的彈簧-阻尼器模型600，該模型存在于通過俯仰關(guān)節(jié)122彼此連接的兩個連桿122a和122b之間，并且計算俯仰關(guān)節(jié)所需的俯仰力矩。此外，機器人包括設(shè)置在髖部中的滾動關(guān)節(jié)124。反作用力轉(zhuǎn)換步驟S320還包括滾動計算步驟S340。在滾動計算步驟S340中，滾動關(guān)節(jié)124的角度（Q1）的變化和滾動關(guān)節(jié)124的角速度的變化被應(yīng)用于假想的彈簧-阻尼器模型500，其存在于通過滾動關(guān)節(jié)124彼此連接的兩個連桿124a和124b之間，并計算滾動關(guān)節(jié)所需的滾動力矩。圖5至圖7示出根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的機器人步態(tài)控制方法中的機器人的單腿支撐狀態(tài)。下列等式可分別表示滾動力矩和俯仰力矩：【等式3】在示例性實施例中，可以通過旋轉(zhuǎn)編碼器推導(dǎo)和計算每個關(guān)節(jié)的角度變化和關(guān)節(jié)的角速度的變化。這些被推導(dǎo)的變化被應(yīng)用于懸架模型，以計算相應(yīng)關(guān)節(jié)所需的驅(qū)動力矩，由此即使在俯仰或滾動時，也能夠以與彈簧相同的方式使關(guān)節(jié)復(fù)位，并且通過阻尼器可靠地被操作。如上所述，在用于控制機器人步態(tài)的方法中，假想的彈簧-阻尼器模型的懸架控制器起到保持穿著者初始姿勢的作用，以響應(yīng)穿著者的外觀，其中假想的彈簧阻尼器模型可以垂直地設(shè)置在關(guān)節(jié)坐標(biāo)系統(tǒng)中。另外，當(dāng)穿著者預(yù)期的力或外力施加于機器人時，懸架控制器還可用作對該力進行分散、反應(yīng)或恢復(fù)。即使當(dāng)機器人處于單腿支撐狀態(tài)時，這些功能也顯著地用于保持機器人的穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)機器人從雙腿支撐狀態(tài)轉(zhuǎn)變成單腿支撐狀態(tài)時，動態(tài)等式模型瞬間變化，這是由于重力變化和支撐機器人的身體的部分變化所致。此時，上述功能能夠防止快速的動態(tài)性能變化，并降低可能由實際模型和動態(tài)等式模型變量之間的差異造成的運動誤差。當(dāng)機器人行走時，機器人狀態(tài)在單腿支撐狀態(tài)和雙腿支撐狀態(tài)之間周期性變化。在此，當(dāng)機器人踏在地面上并進入單腿支撐狀態(tài)時，較大的外力瞬間施加給機器人?？梢栽O(shè)置在例如三俯仰軸（threepitchingaxes）上的假想的旋轉(zhuǎn)式懸架可以起到阻擋瞬間施加到機器人上的大的沖擊的功能，從而吸收震動。懸架通過其返回至其原始狀態(tài)的恢復(fù)力，有助于穿著者返回至他/她的初始姿勢，從而降低穿著者的能量消耗。雖然已出于說明的目的，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行了描述。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該清楚的是，在不背離所附權(quán)利要求中的范圍和精神的情況下，還可以進行各種修改、添加和替代。