本发明的实施方式总体上涉及人形机器人，更具体地，涉及一种人形机器人运动机构及控制方法、设备和人形机器人。
背景技术：
1、人形机器人是一种外貌和行为类似于人类的机器人，被设计用于模仿人类的动作、交流和行为，为人类带来更多的便利。然而，尽管人形机器人技术已取得了巨大进步，其平衡和运动控制仍是待解决的一大难题。
2、轮足机器人是一种特殊人形机器人结构，通常具有类似于人类的上半身和腿部，而足部替换为轮式结构，这种设计使其在保持人类外观的同时，具备了敏捷的移动和转向能力，但同样难以实现机器人姿态的稳定和快速响应。
3、控制算法上，轮足结构通常使用倒立摆控制算法来实现机器人的平衡、进退和转向控制，但是存在两个问题：当存在外部干扰倾覆力矩时，轮足机器人需大幅度摆动以维持平衡，抗干扰性弱；需要做加减速运动时，需先向相反方向加速以产生倾角，导致启动性能差、突发情况时无法急停。
技术实现思路
1、为了解决现有技术中的上述问题，在第一方面，本发明的实施方式提供了一种人形机器人运动机构，所述人形机器人运动机构包括框架、两个控制力矩陀螺、伺服电机、两个车轮及其轮毂电机、腿部、速度传感器、倾角传感器、转向角速度传感器、速度闭环控制器、控制力矩陀螺闭环控制器、直立闭环控制器和转向闭环控制器。所述两个车轮相对于行进方向左右并排布置，所述轮毂电机用于驱动所述车轮的行驶和转向。所述两个控制力矩陀螺安装在所述框架内部并且左右对称布置，其内部飞轮轴线与行进方向垂直，并且在平衡状态下与竖直方向平行，其中每个控制力矩陀螺沿行进方向前后分别伸出两个支撑轴，两个支撑轴支承在所述框架上，所述两个控制力矩陀螺的飞轮旋转方向相反。所述伺服电机固定在所述支撑轴一侧，所述伺服电机的轴线与行进方向相同，用于向所述支撑轴施加进动力矩使两个支撑轴绕其各自轴线彼此反向翻转，进而带动所述两个控制力矩陀螺彼此反向翻转。所述腿部安装在所述框架和所述车轮之间，所述腿部包括弹簧减震器和/或关节电机和腿部连杆。所述速度传感器用于感测所述人形机器人运动机构的当前速度。所述倾角传感器用于感测所述人形机器人运动机构的当前倾角。所述转向角速度传感器用于感测所述人形机器人运动机构的当前转向角速度。所述速度闭环控制器用于接收速度控制命令，并且根据所述速度控制命令中指定的目标速度和所述当前速度来确定所述人形机器人运动机构的目标倾角。所述直立闭环控制器用于根据所述目标倾角、机械零点、所述当前倾角来确定轮毂电机控制扭矩。所述转向闭环控制器用于接收转向控制命令，根据所述转向控制命令指定的目标角速度和所述当前转向角速度来确定转角误差，根据所述转角误差确定轮毂电机修正扭矩，其中所述轮毂电机修正扭矩和所述轮毂电机控制扭矩共同用于控制轮毂电机。所述控制力矩陀螺闭环控制器用于根据所述当前倾角、机械零点和所述目标倾角，来确定伺服电机控制扭矩。
2、在一些实施方式中，所述人形机器人运动机构还包括控制力矩陀螺翻转角度传感器和控制力矩陀螺恢复环控制器。所述控制力矩陀螺翻转角度传感器用于感测所述控制力矩陀螺的当前翻转角度；所述控制力矩陀螺恢复环控制器用于在所述当前翻转角度超过预定翻转角度阈值时，根据所述当前翻转角度确定控制力矩陀螺恢复所需倾角；所述直立闭环控制器还用于根据所述目标倾角、机械零点、所述当前倾角、所述控制力矩陀螺恢复所需倾角来确定轮毂电机控制扭矩。
3、在一些实施方式中，所述两个控制力矩陀螺的飞轮旋转速度大小相同，所述两个控制力矩陀螺的翻转角度和角速度大小相同。
4、在一些实施方式中，所述人形机器人运动机构还包括载物平台，所述载物平台设置在所述框架的顶部。
5、在第二方面，本发明的实施方式提出了一种人形机器人，所述人形机器人包括根据上述任何实施方式所述的人形机器人运动机构。
6、在第三方面，本发明的实施方式提出了一种用于控制人形机器人运动机构的方法，所述人形机器人运动机构包括框架、两个控制力矩陀螺、伺服电机、两个车轮及其轮毂电机、腿部、速度传感器、倾角传感器和转向角速度传感器。所述两个车轮相对于行进方向左右并排布置，所述轮毂电机用于驱动所述车轮的行驶和转向。所述两个控制力矩陀螺安装在所述框架内部并且左右对称布置，其内部飞轮轴线与行进方向垂直，并且在平衡状态下与竖直方向平行，其中每个控制力矩陀螺沿行进方向前后分别伸出两个支撑轴，两个支撑轴支承在所述框架上，所述两个控制力矩陀螺的飞轮旋转方向相反。所述伺服电机固定在所述支撑轴一侧，所述伺服电机的轴线与行进方向相同，用于向所述支撑轴施加进动力矩使两个支撑轴绕其各自轴线彼此反向翻转，进而带动所述两个控制力矩陀螺彼此反向翻转。所述腿部安装在所述框架和所述车轮之间，所述腿部包括弹簧减震器和/或关节电机和腿部连杆。所述速度传感器用于感测所述人形机器人运动机构的当前速度。所述倾角传感器用于感测所述人形机器人运动机构的当前倾角。所述转向角速度传感器用于感测所述人形机器人运动机构的当前转向角速度。所述方法包括：通过速度闭环控制器接收速度控制命令，并且根据所述速度控制命令中指定的目标速度和所述当前速度来确定所述人形机器人运动机构的目标倾角；通过直立闭环控制器根据所述目标倾角、机械零点、所述当前倾角来确定轮毂电机控制扭矩；通过转向闭环控制器接收转向控制命令，根据所述转向控制命令指定的目标角速度和所述当前转向角速度来确定转角误差，根据所述转角误差确定轮毂电机修正扭矩，其中所述轮毂电机修正扭矩和所述轮毂电机控制扭矩共同用于控制轮毂电机；通过控制力矩陀螺闭环控制器用于根据所述当前倾角、机械零点和所述目标倾角，来确定伺服电机控制扭矩。
7、在一些实施方式中，所述人形机器人运动机构还包括控制力矩陀螺翻转角度传感器，用于感测所述控制力矩陀螺的当前翻转角度。所述方法还包括：通过控制力矩陀螺恢复环控制器在所述当前翻转角度超过预定翻转角度阈值时，根据所述当前翻转角度确定控制力矩陀螺恢复所需倾角；通过直立闭环控制器根据所述目标倾角、机械零点、所述当前倾角、所述控制力矩陀螺恢复所需倾角来确定轮毂电机控制扭矩。
8、在第四方面，本发明的实施方式提出了一种用于控制人形机器人运动机构的方法，所述人形机器人运动机构包括框架、两个控制力矩陀螺、伺服电机、两个车轮及其轮毂电机、腿部、速度传感器、倾角传感器和转向角速度传感器。所述两个车轮相对于行进方向左右并排布置，所述轮毂电机用于驱动所述车轮的行驶和转向。所述两个控制力矩陀螺安装在所述框架内部并且左右对称布置，其内部飞轮轴线与行进方向垂直，并且在平衡状态下与竖直方向平行，其中每个控制力矩陀螺沿行进方向前后分别伸出两个支撑轴，两个支撑轴支承在所述框架上，所述两个控制力矩陀螺的飞轮旋转方向相反。所述伺服电机固定在所述支撑轴一侧，所述伺服电机的轴线与行进方向相同，用于向所述支撑轴施加进动力矩使两个支撑轴绕其各自轴线彼此反向翻转，进而带动所述两个控制力矩陀螺彼此反向翻转。所述腿部安装在所述框架和所述车轮之间，所述腿部包括弹簧减震器和/或关节电机和腿部连杆。所述速度传感器用于感测所述人形机器人运动机构的当前速度。所述倾角传感器用于感测所述人形机器人运动机构的当前倾角。所述转向角速度传感器用于感测所述人形机器人运动机构的当前转向角速度。所述方法由处理器执行，所述方法包括：接收速度控制命令，并且根据所述速度控制命令中指定的目标速度和所述当前速度来确定所述人形机器人运动机构的目标倾角；根据所述目标倾角、机械零点、所述当前倾角来确定轮毂电机控制扭矩；接收转向控制命令，根据所述转向控制命令指定的目标角速度和所述当前转向角速度来确定转角误差，根据所述转角误差确定轮毂电机修正扭矩，其中所述轮毂电机修正扭矩和所述轮毂电机控制扭矩共同用于控制轮毂电机；根据所述当前倾角、机械零点和所述目标倾角，来确定伺服电机控制扭矩。
9、在一些实施方式中，所述人形机器人运动机构还包括控制力矩陀螺翻转角度传感器，用于感测所述控制力矩陀螺的当前翻转角度。所述方法还包括：在所述当前翻转角度超过预定翻转角度阈值时，根据所述当前翻转角度确定控制力矩陀螺恢复所需倾角；根据所述目标倾角、机械零点、所述当前倾角、所述控制力矩陀螺恢复所需倾角来确定轮毂电机控制扭矩。
10、在第五方面，本发明的实施方式提出了一种用于控制人形机器人运动机构的设备，所述设备包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，在所述计算机程序被所述处理器执行时实现上述任何实施方式所述的用于控制人形机器人运动机构的方法。
11、本发明的实施方式在人形机器人结构形式上联合轮足结构和cmgs，由框架、cmgs、伺服电机、腿部、车轮及轮毂电机组成：两个cmgs内部飞轮轴线在平衡状态下平行于竖直方向，cmgs侧面伸出两根支撑轴，通过框架进行支承，伺服电机固定在支撑轴一侧，其轴线与前进方向相同、与cmgs飞轮轴线方向垂直，可驱动cmgs绕其轴线翻转；腿部安装在框架两侧，可由一个弹簧减震器组成，也可由关节电机和连杆构成类似于人腿的结构，通过弹簧减震器或关节电机的内收外展，可实现机器人垂直方向的振动抑制；车轮及轮毂电机安装于腿部末端，用于敏捷的行驶与转向。两cmgs自转速度方向相反、大小相同、翻转角度及角速度方向相反、大小相同，运行时两cmgs产生的干扰力矩相互抵消，只保留期望方向的力矩，进而实现机器人的姿态控制。
12、本发明的实施方式可以实现以下有益效果：
13、两cmgs对称布置、反向旋转，产生的干扰方向力矩相互抵消，只保留俯仰方向力矩，人形机器人倾斜放置、准备直立运行时，仅通过cmgs产生的力矩实现机器人大角度原地起摆，不依靠轮毂电机，避免起摆过程机器人移动造成的不良影响。
14、两cmgs对称布置、反向旋转，产生的干扰方向力矩相互抵消，只保留俯仰方向力矩，可迅速消除外部倾覆力矩的干扰，维持机器人俯仰角稳定，实现机器人的稳定姿态控制。
15、两cmgs对称布置、反向旋转，产生的干扰方向力矩相互抵消，只保留俯仰方向力矩，该俯仰力矩可驱动机器人迅速倾斜，配合轮毂电机加/减速控制，实现机器人的急加速和急停功能。
16、当人形机器人处于颠簸路面或跌落状态时，通过人形机器人腿部关节电机或弹簧减震结构，可抑制机器人垂直方向的振动，维持机器人姿态稳定。
1.一种人形机器人运动机构，其特征在于，所述人形机器人运动机构包括框架、两个控制力矩陀螺、伺服电机、两个车轮及其轮毂电机、腿部、速度传感器、倾角传感器、转向角速度传感器、速度闭环控制器、控制力矩陀螺闭环控制器、直立闭环控制器和转向闭环控制器，其中，
2.根据权利要求1所述的人形机器人运动机构，其特征在于，所述人形机器人运动机构还包括控制力矩陀螺翻转角度传感器和控制力矩陀螺恢复环控制器，
3.根据权利要求1所述的人形机器人运动机构，其特征在于，所述两个控制力矩陀螺的飞轮旋转速度大小相同，所述两个控制力矩陀螺的翻转角度和角速度大小相同。
4.根据权利要求1所述的人形机器人运动机构，其特征在于，所述人形机器人运动机构还包括载物平台，所述载物平台设置在所述框架的顶部。
5.一种人形机器人，其特征在于，所述人形机器人包括根据权利要求1-4中任一项所述的人形机器人运动机构。
6.一种用于控制人形机器人运动机构的方法，其特征在于，所述人形机器人运动机构包括框架、两个控制力矩陀螺、伺服电机、两个车轮及其轮毂电机、腿部、速度传感器、倾角传感器和转向角速度传感器，其中，
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述人形机器人运动机构还包括控制力矩陀螺翻转角度传感器，用于感测所述控制力矩陀螺的当前翻转角度，
8.一种用于控制人形机器人运动机构的方法，其特征在于，所述人形机器人运动机构包括框架、两个控制力矩陀螺、伺服电机、两个车轮及其轮毂电机、腿部、速度传感器、倾角传感器和转向角速度传感器，其中，
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述人形机器人运动机构还包括控制力矩陀螺翻转角度传感器，用于感测所述控制力矩陀螺的当前翻转角度，
10.一种用于控制人形机器人运动机构的设备，其特征在于，所述设备包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，在所述计算机程序被所述处理器执行时实现权利要求8-9中任一项所述的用于控制人形机器人运动机构的方法。
