基于串联弹性驱动器的带上身双足机器人平地行走方法

摘要

本发明属于机器人行走控制技术领域，尤其涉及一种基于串联弹性驱动器的带上身双足机器人平地行走方法，包括：在带上身双足机器人的上身和双腿之间分别安装串联弹性驱动器，所述串联弹性驱动器由电机与线性扭转弹簧串联而成；髋部串联弹性驱动器不仅支撑上身，并且以弹性势能为媒介完成能量补入，驱动机器人行走；以摆动腿落地碰撞以及驱动阶段时长作为事件，将机器人行走时的每一步依次分为两个驱动阶段和一个自由摆动阶段；通过事件驱动的状态机控制串联弹性驱动器的动作，实现对行走的控制；并通过调节电机预设驱动角度幅值、驱动阶段的时长、弹簧弹性系数来实现机器人的行走状态达到预设目标。

权利要求

1.一种基于串联弹性驱动器的带上身双足机器人平地行走方法，其特征在于，包括：

步骤1、在带上身双足机器人的上身和双腿之间分别安装串联弹性驱动器，所述串联弹性驱动器由电机与线性扭转弹簧串联而成，电机固定在上身，电机的转动输出端与线性扭转弹簧的一端连接，连接处与上身的夹角定义为电机驱动角度，线性扭转弹簧的另一端与腿相连；在双腿的脚底分别安装有开关式传感器；

步骤2、将带上身双足机器人行走时的双腿分别定义为摆动腿和支撑腿，将带上身双足机器人行走时的每一步依次分为两个驱动阶段和一个自由摆动阶段；

第一阶段：上一步的摆动腿即当前步的支撑腿与地面发生碰撞时，两个电机开始匀速转动，支撑腿对应的电机驱动角度从正的预设驱动角度变为零，摆动腿对应的电机驱动角度从零变为负的预设驱动角度；

第二阶段：支撑腿对应的电机停止转动，摆动腿对应的电机反向匀速转动，摆动腿对应的电机驱动角度从负的预设驱动角度变为正的预设驱动角度；

第三阶段：两个电机均停止转动，直到摆动腿与地面发生碰撞后返回到第一阶段，摆动腿和支撑腿互换角色；

步骤3、当带上身双足机器人的行走状态未达到预设目标时，则调节预设驱动角度；

步骤4、当仅调节预设驱动角度无法使带上身双足机器人的行走状态达到预设目标时，则调节两个驱动阶段的时长；

步骤5、当无论如何调节预设驱动角度大小以及驱动阶段的时长，均不能使得带上身双足机器人的行走状态达到预设目标，则调节线性扭转弹簧的弹性系数，直到带上身双足机器人的行走状态达到预设目标。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤3中，当带上身双足机器人开始行走后行动缓慢，步幅过小，且在未达到预设目标的情况下摔倒，则增加预设驱动角度幅值；当带上身双足机器人开始行走后行动快速，步幅过大，且在未达到预设目标的情况下摔倒，则减小预设驱动角度幅值。

3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤4中调节两个驱动阶段的时长，先固定第一阶段时长，调节第二阶段时长，若仍不能达到预设目标，则继续调节第一阶段时长；

具体调节标准为：

当带上身双足机器人开始行走后行动缓慢，步幅过小，且在未达到预设目标的情况下摔倒，则需增加驱动阶段时长；当带上身双足机器人开始行走后行动快速，步幅过大，且在未达到预设目标的情况下摔倒，则需减小驱动阶段时长。

4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤5中调节线性扭转弹簧的弹性系数具体包括：当带上身双足机器人开始行走后行动缓慢，步幅过小，且在未达到预设目标的情况下摔倒，则需更换弹性系数大的线性扭转弹簧，并重复改变过程，直到带上身双足机器人的行走状态达到预设目标；

当带上身双足机器人开始行走后行动快速，步幅过大，且在未达到预设目标的情况下摔倒，则需更换弹性系数小的线性扭转弹簧，并重复改变过程，直到带上身双足机器人的行走状态达到预设目标。

5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述带上身双足机器人的行走状态包括如下参数：支撑腿与髋部到地面的铅垂线之间的夹角，摆动腿与髋部到地面的铅垂线之间的夹角，上身与髋部到地面的铅垂线之间的夹角，以及三个夹角相对应的角速度。

说明书

基于串联弹性驱动器的带上身双足机器人平地行走方法

技术领域

[0001] 本发明属于机器人行走控制技术领域，尤其涉及一种基于串联弹性驱动器的带上身双足机器人平地行走方法。

背景技术

[0002] 众多研究者希望实现双足机器人具有类似人类一般的行走性能：自然、稳定且高效。为了降低动态行走运动控制的复杂性，会给机器人添加一些约束。目前，依据约束的多少可将双足机器人的行走模式分为三类，包括静态行走，ZMP行走，以及极限环行走。其中，静态行走是出现最早的也是最基础的一种行走方法，其要求行走过程中机器人的质心始终保持在地面上双脚构成的多边形以内，这种方法很容易保持机器人的稳定，但也极大地限制了机器人的行走速度并消耗过多能量。ZMP行走要求机器人的零力矩点(Zero Moment Point,ZMP)始终保持在双脚构成的多边形以内，这种方法在一定程度上比静态行走减少了人为约束。但是ZMP行走仍然使用了较多的人为约束，因此在能量效率、行走速度、抗干扰能力、以及步态自然性等方面与人类的行走相比依然有较大差距。

[0003] 极限环行走是近年来出现的一种新的行走理念，它的提出受到了人类行走的启发，进一步减少对机器人的人为约束，充分地利用了机器人自身的动力学特性，因而具有较大的空间提高机器人的能量效率、行走速度、以及抗干扰能力。极限环行走要求周期性的步态序列是轨道稳定的，即步态序列可以在状态空间中形成一个稳定的极限环，但在步态周期中的任意瞬时并不具备局部稳定性。目前，极限环行走所采用的步态生成方法较为繁琐，有些则需要使用机器学习，对实验环境的要求较高。

[0004] 被动行走是极限环行走的一种典型范例，被动双足机器人在不施加任何控制的情况下，仅靠重力作用即可沿着小坡度斜坡稳定行走，斜坡提供的重力势能转化为机器人行走所需的动能。被动行走生成的步态非常自然，能量效率可以达到人类的水平。众多研究人员试图依据此原理实现被动双足机器人平地上的动力行走，为此需要为机器人提供新的动力来源以代替斜坡上的重力。有的使用了在机器人脚踝处增加激励的方法，在每步摆动腿与地面发生碰撞后脚掌蹬地，为行走注入能量；有的采用在摆动腿与地面碰撞前夹紧髋关节的做法，同样达到了补入能量的目的。但是以上两种方法的能量补入时机均位于碰撞时刻前后，能量为瞬时补入，要求具有极高的能量密度，因此在很大程度上限制了机器人的行走速度，同时这种能量补入方法会给步态造成较大的扰动，降低了行走的稳定性。

[0005] 早期被动行走所使用的模型常常只关注下肢而忽略上身，2000年后带上身双足机器人的被动行走逐渐出现。支撑上身的主要方法有三类：1.通过特殊设计的机构，如髋部对分机构，保持上身向上；2.通过在髋部使用驱动器对上身施加力矩支撑上身；3.通过髋部弹性元件支撑上身。第一种方法引入了动力约束，限制了上身的动力学特性在行走中的作用，其上身并不具有真正的自由度，无法算作真正自由的上身。第二种方法使增加了驱动器与控制，破坏了模型自身的被动动力学特性。第三种方法是一种真正被动的在双足机器人上增加上身的方法。在其基础上开发动力式行走方法，使用驱动器代替被动行走中的斜坡，将在平地上实现自然高效的动力式极限环行走。

[0006] 已经存在的带上身双足机器人平地动力式行走方法，主要通过在髋部使用驱动器施加力矩来实现。目前所采用的方法都使用了高增益的控制手段，破坏了机器人自身的被动特性，所产生的步态上身始终前倾，姿态不自然，同时在能量效率上也有不足。

发明内容

[0007] 为了解决目前机器人平地行走存在的不足，本发明提出了一种基于串联弹性驱动器的带上身双足机器人平地行走方法，包括：

[0008] 步骤1、在带上身双足机器人的上身和双腿之间分别安装串联弹性驱动器，所述串联弹性驱动器由电机与线性扭转弹簧串联而成，电机固定在上身，电机的转动输出端与扭转弹簧的一端连接，连接处与上身的夹角定义为电机驱动角度，扭转弹簧的另一端与腿相连；在双腿的脚底分别安装有开关式传感器；

[0009] 步骤2、将机器人行走时的双腿分别定义为摆动腿和支撑腿，将机器人行走时的每一步依次分为两个驱动阶段和一个自由摆动阶段；

[0010] 第一阶段：上一步的摆动腿即当前步的支撑腿与地面发生碰撞时，两个电机开始匀速转动，支撑腿对应的电机驱动角度从正的预设驱动角度变为零，摆动腿对应的电机驱动角度从零变为负的预设驱动角度；

[0011] 第二阶段：支撑腿对应的电机停止转动，摆动腿对应的电机反向匀速转动，摆动腿对应的电机驱动角度从负的预设驱动角度变为正的预设驱动角度；

[0012] 第三阶段：两个电机均停止转动，直到摆动腿与地面发生碰撞后返回到第一阶段，摆动腿和支撑腿互换角色；

[0013] 步骤3、当机器人的行走状态未达到预设目标时，则调节预设驱动角度；

[0014] 步骤4、当仅调节预设驱动角度无法使机器人的行走状态达到预设目标时，则调节两个驱动阶段的时长；

[0015] 步骤5、当无论如何调节预设驱动角度大小以及驱动阶段的时长，均不能使得机器人的行走状态达到预设目标，则调节弹簧的弹性系数，直到机器人的行走状态达到预设目标。

[0016] 所述步骤3中，当机器人开始行走后行动缓慢，步幅过小，且在未达到预设目标的情况下摔倒，则增加预设驱动角度幅值；当机器人开始行走后行动快速，步幅过大，且在未达到预设目标的情况下摔倒，则减小预设驱动角度幅值。

[0017] 所述步骤4中调节两个驱动阶段的时长，先固定第一阶段时长，调节第二阶段时长，若仍不能达到预设目标，则继续调节第一阶段时长；具体调节标准为：

[0018] 当机器人开始行走后行动缓慢，步幅过小，且在未达到预设目标的情况下摔倒，则需增加驱动阶段时长；当机器人开始行走后行动快速，步幅过大，且在未达到预设目标的情况下摔倒，则需减小驱动阶段时长。

[0019] 所述步骤5中调节弹簧的弹性系数具体包括：当机器人开始行走后行动缓慢，步幅过小，且在未达到预设目标的情况下摔倒，则需更换弹性系数大的弹簧，并重复改变过程，直到机器人的行走状态达到预设目标；

[0020] 当机器人开始行走后行动快速，步幅过大，且在未达到预设目标的情况下摔倒，则需更换弹性系数小的弹簧，并重复改变过程，直到机器人的行走状态达到预设目标。

[0021] 所述机器人的行走状态包括如下参数：支撑腿与髋部到地面的铅垂线之间的夹角，摆动腿与髋部到地面的铅垂线之间的夹角，上身与髋部到地面的铅垂线之间的夹角，以及三个夹角相对应的角速度。

[0022] 本发明的有益效果在于：采用髋部串联弹性驱动器的带上身双足机器人平地动力式行走方法以被动行走原理为基础，通过髋部弹性支撑上身，在机器人行走过程中控制串联弹性驱动器中的电机转动，进而通过控制扭转弹簧的形变调节机器人系统的弹性势能，对机器人的能量进行补充，实现机器人平地上的稳定行走。这种方法很好的继承了被动行走机器人良好的行走性能，行走姿态自然，控制方法简单，且能实现对机器人行走性能的调节，而且本方法实现简单且计算量非常小，因此适用于对实时性要求较高的场合。本发明所述的双足机器人具有步态进化的特性，这种特性的表现为随着参数持续变化，包括驱动角度幅值等控制参数与扭转弹簧弹性系数等结构参数，步态出现分岔现象，具体类型包括：倍周期分岔、Neimark-Sacker分岔、Neimark-Sacker-2分岔、多周期分岔以及Neimark-Sacker-X分岔。步态进化的特性体现了本发明所述的带上身双足机器人步态的多样性，也表明本发明所述方法保持了机器人的被动特性。

附图说明

[0023] 图1是本发明中串联弹性驱动器原理图；

[0024] 图2是本发明中机器人模型侧视原理图；

[0025] 图3是本发明中所述行走方法在一步行走过程中的分阶段原理图；

[0026] 图4是本发明所述行走方法所用状态机控制器；

[0027] 图5是本发明所述行走方法生成的稳定单周期步态实例一步行走棒图；

[0028] 图6是本发明所述行走方法生成的稳定单周期步态实例一步状态-时间曲线。

具体实施方式

[0029] 下面结合附图，对实施例作详细说明。

[0030] 首先结合图1和图2进一步说明本发明所用机器人的建立。

[0031] 建立机器人上身与两腿的连接：上身与两腿同轴于髋部关节，上身与两腿间分别安装串联弹性驱动器。

[0032] 上述串联弹性驱动器的原理图如图1(A)所示，1是上身，2是髋部关节，3(4)是腿，5(6)是电机，9(10)是扭转弹簧，扭转弹簧的形变由上身与腿的姿态以及电机输出共同决定，扭转弹簧的自由角度为180°。为了表达与理解方便，图2与图3使用图1(B)中的驱动杆7(8)的位置来表示电机驱动角度。

[0033] 该上身与左右同轴放置的第一电机以及第二电机的本体分别固定连接，所述第一电机的转动输出端与第一扭转弹簧一端同轴连接，第一扭转弹簧另一端与第一腿同轴连接，所述第二电机的转动输出端与第二扭转弹簧一端同轴连接，第二扭转弹簧另一端与第二腿同轴连接。

[0034] 上述的两个电机均采用伺服电机，分别用 和 表示所述第一电机和第二电机的驱动角度，并用一个上位机控制所述两电机，其中：

[0035] 所述 为所述第一电机对应驱动杆与上身的夹角，当该第一电机对应驱动杆位置位于上身后方时 而位于上身前方时

[0036] 所述 为所述第二电机对应驱动杆与上身的夹角，当该第二电机对应驱动杆位置位于上身后方时 而位于上身前方时

[0037] 上述各个电机的控制信号输入端分别与一个上位机的控制信号输出端相连；在脚底安装开关式传感器探测与地面的接触，信号接入上位机。

[0038] 在一步中，总有一条腿起支撑作用，称为支撑腿，另一条腿在空中摆动，称为摆动腿，在以下对一步行走过程的描述中，用支撑腿与摆动腿区分两腿功能。

[0039] 机器人整体结构原理图如图2所示。1是上身，2是髋部关节，3、4是双腿，其中3为支撑腿，4为摆动腿，7、8是代表电机输出的驱动杆，分别对应支撑腿与摆动腿，9、10是扭转弹簧，分别与支撑腿与摆动腿相连，11、12是脚底开关式传感器，分别安装在两腿脚底。使用和 表示与支撑腿与摆动腿相对应的两驱动杆与上身的夹角，也就是两串联弹性驱动器中电机的驱动角度，单位为弧度，其方向的规定与 保持一致。使用θst、θsw、θto描述机器人姿态，单位为弧度，分别为：

[0040] θst，为支撑腿与髋部到地面的铅垂线之间的夹角，

[0041] θsw，为摆动腿与髋部到地面的铅垂线之间的夹角，

[0042] θto，为上身与髋部到地面的铅垂线之间的夹角，

[0043] 当所述支撑腿位于髋部到地面的铅垂线之前时θst>0，之后时θst<0，[0044] 当所述摆动腿位于髋部到地面的铅垂线之前时θsw>0，之后时θsw<0，[0045] 当所述上身位于髋部到地面的铅垂线的反向延长线之前时θto<π，之后时θto>π；

[0046] 针对上述的机器人模型，本发明实施例所述一种采用髋部串联弹性驱动器的带上身双足机器人平地动力式行走方法，具体包括以下步骤：

[0047] 首先，设定机器人的初始状态和参数，其中包括初始状态θst0、θsw0、θto0、以及参数K。

[0048] θst0、θsw0、θto0描述机器人的初始姿态。

[0049] 描述机器人的初始速度。

[0050] K为弹性系数，单位为牛米每弧度，其大小可以通过更换扭转弹簧来调节。

[0051] 在上位机设置三个关键控制参数，包括第一驱动阶段时长t1、第二驱动阶段时长t2以及预设驱动角度幅度Φ。所述一步，历经两个驱动阶段及一个自由摆动阶段，从上一步摆动腿落地为开始，并以当前步摆动腿落地为结束，下一步支撑腿与摆动腿角色交换。摆动腿离地与落地由脚底开关式传感器的开闭状态改变感知。设定一步开始时由上位机内部时钟开始一步的计时，记t＝0；此后开始两驱动阶段，通过时钟定时控制，t1和t2单位皆为秒；两驱动阶段结束后，电机不再有动作，机器人进入自由摆动状态，直到摆动腿落地，触发脚底开关式传感器通知上位机当前步结束。预设驱动角度幅度Φ，是串联弹性驱动器中电机输出端与上身之间夹角的最大值，也是第一驱动阶段开始时支撑腿对应电机驱动角度大小、第一驱动阶段结束时摆动腿对应电机驱动角度大小的相反数以及第二驱动阶段结束时摆动腿对应电机驱动角度大小，单位为弧度。

[0052] 一步之中的上述三个阶段可由四个关键帧表示，关键帧之间的电机动作用匀速转动连接。

[0053] 在上位机中，所述一个步态周期内，设置以下四个关键帧：

[0054] 第一关键帧，位于t＝0时刻，表示机器人一步的初始，此时机器人的状态为初始状态，其中：

[0055] 表示t＝0时刻两电机的驱动角度，此时，与支撑腿相连的扭转弹簧的形变不仅由该时刻支撑腿与上身的姿态决定，还由于电机动作被额外增加了大小为Φ的形变量，与摆动腿相连的扭转弹簧在t＝0时刻的形变则完全由摆动腿与上身的姿态决定。

[0056] 第二关键帧，位于t＝t1时刻，是第一驱动阶段的终止时刻，也是第二驱动阶段的开始时刻，其中：

[0057] 表示t＝t1时刻两电机的驱动角度，此时，与支撑腿相连的扭转弹簧不再有额外由电机带来的形变量，与摆动腿相连的扭转弹簧则有额外的由与其串联的电机带来的大小为-Φ的形变量。

[0058] 第三关键帧，位于t＝t1+t2时，是第二驱动阶段的终止时刻，也是第三阶段的开始时刻，其中：

[0059] 表示t＝t1+t2时刻两电机的驱动角度，此时，与支撑腿相连的扭转弹簧不再有额外由电机带来的形变量，与摆动腿相连的扭转弹簧则有额外的由与其串联的电机带来的大小为Φ的形变量。

[0060] 第四关键帧，位于摆动腿落地时刻，也是当前步的结束，记为t＝T，其中：

[0061] 与第三关键帧相同，T的大小并不固定，由摆动腿落地决定，落地将触发脚底开关式传感器通知上位机当前步的结束。

[0062] 上述过程如图3所示，I到IV分别对应上述四个关键帧。I到II为第一阶段，II到III为第二阶段，III到IV为第三阶段，IV到I是摆动腿碰撞瞬间，既是当前步的结束，也是下一步的开始。第一、二阶段整体时间相对于一步来说较短，第三阶段占据了大部分时间且驱动器没有动作，所以机器人在一步中大多处于被动状态，充分利用了机器人自身的动力学特性。

[0063] 假设由第一腿先充当第一步支撑腿的角色，完成初始状态与参数的设定后，所述上位机依次按以下步骤控制所述机器人行走：

[0064] 1.设定控制参数t1、t2和Φ的值；

[0065] 2.Δt为计算步长，i为计算次数，行走时i从0开始，按下式计算从0开始每隔Δt时间所述 和 的值：

[0066] 当0≤Δt·i

[0067]

[0068] 当t1≤Δt·i

[0069]

[0070] 当Δt·i≥t1+t2时，

[0071]

[0072] 3.在上述上位机中，按下式计算当步数为n时，第一和第二电机驱动角度 和[0073] 当n＝1,3,5,7,9...时，

[0074]

[0075] 当n＝2,4,6,8,10...时，

[0076]

[0077] 也就是说当n由奇数变为该奇数加1所形成的偶数时，作为支撑腿的第一腿与作为摆动腿的第二腿在一步行走结束后互换角色。

[0078] 4.当脚底开关式传感器未检测到摆动腿落地碰撞时，i增大1，回到步骤2。当脚底开关式传感器检测到摆动腿落地碰撞时，计时归零，重新由t＝0开始计时，计算次数i归零，步数n增大1，并开始下一步行走。如下一步需要改变参数，则从1开始，如果不改变参数，则可以从2直接开始。

[0079] 上述步骤，本发明使用状态机控制器来实现，如图4所示，图中ωst和ωsw分别代表与支撑腿和摆动腿对应电机的转速，其正方向定义为从机器人前进方向的右侧看去的逆时针方向。三个阶段分别对应不同的电机转动角速度：第一阶段，两电机均以-Φ/t1为速度同方向转动；第二阶段，与支撑腿相对应的电机停止转动，与摆动腿相对应的电机以2Φ/t2转动，方向与第一阶段相反；第三阶段，两电机均停止转动。

[0080] 对该方法对机器人行走的调节进行解释说明：

[0081] 在行走过程中，当机器人的行走状态未达到预设目标，则改变机器人的预定设置来实现调节，包括预设驱动角度幅值Φ和驱动阶段时长t1和t2，其中优先调节Φ，其次调节t2，再次调节t1，具体为：

[0082] 改变预设驱动角度幅值Φ的大小，然后继续驱动机器人行走，再次判断机器人的行走状态是否达到预设目标；若还未达到预设目标，重复改变预设驱动角度幅值的过程，直到该机器人的行走状态达到预设目标。

[0083] 其中，需要改动预设驱动角度幅值大小的具体情况为：

[0084] 所述机器人开始行走后行动缓慢，步幅过小，且在未达到预设目标的情况下摔倒，说明Φ过小，补入的能量不足，使Φ增加0.01弧度，重复此过程，直到该机器人能够行走100步为止。

[0085] 所述机器人开始行走后行走快速，步幅过大，且在未达到预设目标的情况下摔倒，说明Φ过大，补入的能量太多，使Φ减小0.01弧度，重复此过程，直到该机器人能够行走100步为止。

[0086] 类似的，当仅调节预设驱动角度幅值无法达到目的时，可以调节驱动时长，两个时长参数对行走的影响规律一致，可以先调节t2，因为此参数取值范围要稍大于t1，具体为：

[0087] 所述机器人开始行走后行动缓慢，步幅过小，且在未达到预设目标的情况下摔倒，说明时长过小，使时长增加0.01秒，重复此过程，直到该机器人能够行走100步为止。

[0088] 所述机器人开始行走后行走快速，步幅过大，且在未达到预设目标的情况下摔倒，说明时长过大，使时长减小0.01秒，重复此过程，直到该机器人能够行走100步为止。

[0089] 值得说明的是，实际操作过程中，通过观察机器人100步行走情况来判断机器人是否能够稳定行走，根据实际要求可以减少或增加观察的行走步数。

[0090] 还存在这样一种情况，当无论如何改变预设驱动角度幅值的大小，均不能使得机器人的行走状态达到预设目标，则做出的改变具体为：

[0091] 当机器人开始行走后行动缓慢，步幅过小，且在未达到预设目标的情况下摔倒，则需通过更换弹性系数更大的弹簧，增加系统补入的能量，重复此过程，直到该机器人能够行走100步为止；

[0092] 当机器人开始行走后行动快速，步幅过大，且在未达到预设目标的情况下摔倒，则需通过更换弹性系数更小的弹簧，减小系统补入的能量，重复此过程，直到该机器人能够行走100步为止。

[0093] 无论操作人员如何调整，都不能使所述机器人行走100步，或者能够行走100步，但需要改变步速或步幅，则增加或减小Φ的大小，增加或减小t1和t2的大小，或者更换弹簧系数更大或更小的弹簧，从而得到不同的步幅及步态周期，实现不同速度的行走。

[0094] 下面解释上述机器人模型和实现机器人模型行走控制的策略：

[0095] 机器人完整的一步行走由摆动过程和落地碰撞组成，其中摆动过程指机器人支撑腿末端着地，以末端为轴向前摆动，同时摆动腿在空中由支撑腿后方摆动到支撑腿前方；落地碰撞指摆动过程结束时摆动腿末端与地面发生瞬时间碰撞。碰撞后摆动腿转换为支撑腿，支撑腿转换为摆动腿。此过程中，上身由髋部的扭转弹簧提供支撑力矩，保持向上姿态。

[0096] 机器人一步开始时具有一定的初速度，同时电机开始动作。在第一、二阶段中，电机分别增大连接支撑腿与摆动腿的扭转弹簧的形变程度，以此来增加系统的弹性势能，为系统补充能量。电机带动扭转弹簧给系统补入能量，系统能量增加E1。摆动腿与地面发生碰撞及其他因素造成系统能量减少E2，为使系统能够形成稳定的极限环行走，应使E1大致等于E2。如果E1大于E2，则机器可能收敛至另一极限环以更快的速度行走，或者以分岔步态行走，或者速度过快向前摔倒。如果E1小于E2，则机器可能收敛至另一极限环以更慢的速度行走，或者系统能量增加量无法补足系统能量损失量而使行走越来越慢，最终摔倒。

[0097] 本发明所述的双足机器人具有能量渐进平衡的特性，这种特性的表现如下：一步行走过程中，当补入的能量和摆动腿碰撞损失的能量一样时，机器人的行走就进入极限环，碰撞后的起始速度为不动点处的速度。如果补入的能量大于系统碰撞损失的能量，则机器人以更大的步幅、更快速度行走，碰撞能量损失增大，最终补入的能量和摆动腿碰撞损失的能量达到平衡，机器人步态收敛至步幅更大、行走速度更快的极限环。如果补入的能量小于系统碰撞损失的能量，则机器人以更小的步幅、更慢速度行走，碰撞能量损失减小，最终补入的能量和摆动腿碰撞损失的能量达到平衡，机器人步态收敛至步幅更小、行走速度更慢的极限环。

[0098] 效果示例：

[0099] 本发明所述的行走方法生成的稳定单周期步态实例如图5所示，上述实例的机器人状态-时间曲线如图6所示，图6(a)是两腿与上身角度状态随时间变化曲线，图6(b)是两腿与上身角速度状态随时间变化曲线。

[0100] 一步行走过程中，支撑腿绕脚与地面的接触点单调前摆；摆动腿先微小后摆离地，再向前摆动，摆动到身体前方到最高点后发生回摆，继而落地；上身先向前再向后最后再向前往复摆动，与人类行走过程相似。

[0101] 本发明所述的基于髋部弹性串联驱动器的带上身双足机器人平地动力式行走方法以被动行走原理为基础，使用髋部弹性支撑上身，在机器人行走过程中控制与扭转弹簧相连接的电机，进而通过调节机器人系统的弹性势能，对机器人的能量进行补充，实现机器人平地上的稳定行走。这种方法很好的继承了被动行走机器人良好的行走性能，行走姿态自然，控制方法简单，计算量小，且能实现对机器人行走速度的调节。

[0102] 此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。