[发明专利]一种基于虚拟腿的四足机器人多支撑腿力分配方法

说明书

本发明提出一种基于虚拟腿的四足机器人多支撑腿力分配方法，包括计算各支撑腿足端在胯关节坐标系下的三维位置；将各支撑腿足端在胯关节坐标系下的三维位置转化为机体坐标系下的三维位置；获取当前全局坐标系与机体坐标系间的转换矩阵，并将各支撑腿足端在机体坐标系下的三维位置转换为全局坐标系下的三维位置；计算前后两侧对应虚拟腿分配权重，并计算虚拟腿位置；构建全局坐标系下两点支撑的静力学平衡问题；求解虚拟腿对应的足底力；基于虚拟腿分配权重将虚拟腿足底力向具体支撑腿进行分配。本发明能够保证四足机器人在复杂步态相序切换中支撑控制量输出足底力能合成相应的位姿虚拟控制量，为机器人实现高动态步态提供可靠的控制分配机制。

技术领域

本发明属于机器人运动控制技术领域，具体涉及一种基于虚拟腿的四足机器人多支撑腿力分配方法。

背景技术

四足机器人稳定控制需要将期望力足底力向支撑腿进行分解，从而产生相应足底力完成对机体的支撑。在四足机器人步态相序切换中会出现多腿着地的情况，以Bound、Trot、Pace步态为例，同一时刻仅有2条腿支撑，以Gallop和站立步态为例，同一时刻有3条以上腿支撑，对其足底力的分配需要求解超定方程难以获取解析解，因此为实现对期望足底力的准确分配，保证位姿闭环控制运算的有效性，需要提出一种快速、在线的力分配方法。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提出一种基于虚拟腿的四足机器人多支撑腿力分配方法，以解决四足机器人支撑相力平衡控制中对虚拟伺服力的分配，实现将位姿控制所需虚拟力分解为各支撑腿所需三维足底力的的技术问题。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提出一种基于虚拟腿的四足机器人多支撑腿力分配方法，该方法包括如下步骤：

S1.基于机器人结构参数与单腿构型，使用关节角度反馈值，采用运动学正解计算各支撑腿足端在胯关节坐标系{H}下的三维位置：

P_i^H＝f(q),i＝1…4

其中，P_i^H为第i条支撑腿足端在胯关节坐标系{H}下的三维位置，q为关节角度反馈值，f(q)为对应单腿构型的运动学正解计算函数；

S2.基于机器人左右两侧支撑腿胯关节间距和前后两侧支撑腿胯关节间距，将各支撑腿足端在胯关节坐标系{H}下的三维位置转化为机体坐标系{B}下的三维位置：

其中，P_i^B为第i条支撑腿足端在机体坐标系{B}下的三维位置，W为机器人左右两侧支撑腿胯关节间距，H为机器人前后两侧支撑腿胯关节间距；

S3.基于机器人机载IMU测量得到的姿态四元数，获取当前全局坐标系{N}与机体坐标系{B}间的转换矩阵，并将各支撑腿足端在机体坐标系{B}下的三维位置转换为全局坐标系{N}下的三维位置：

其中，为全局坐标系{N}与机体坐标系{B}间的转换矩阵，q₀、q₁、q₂、q₃为机器人当前的姿态四元数，为的转置，P_i^N为空间中第i条支撑腿足端在全局坐标系{N}下的三维位置；

S4.基于当前支撑腿Z轴支撑力估计情况，计算前后两侧对应虚拟腿分配权重，并计算虚拟腿位置：