[发明专利]基于落足点调整的四足机器人对角步态柔顺控制方法

说明书

基于落足点调整的四足机器人对角步态柔顺控制方法，涉及电驱动四足机器人。包括：建立四足机器人简化的刚体模型；根据简化后的刚体模型，结合电机编码器、足底激光距离传感器、关节力传感器、IMU等传感器数据计算得到关节角、触地信号、髋部运动状态、机体质心姿态；进行落足点调整、抬腿高度自适应的足端轨迹规划；设计起步姿态与行走过渡，进行对角小跑步态规划；设计对角小跑步态切换的状态机；建立四足机器人运动的阻抗控制器和虚拟模型控制器。通过建立一种基于落足点调整的电驱动四足机器人对角小跑步态柔顺行走控制方法，实现四足机器人柔顺且稳定地行走。

技术领域

本发明涉及电驱动四足机器人，尤其是涉及一种基于落足点调整的四足机器人对角步态柔顺控制方法。

背景技术

机器人技术是一门涉及机械制造、电子学、计算机科学、人工智能等学科的交叉学科。机器人可以帮助人们进行一些危险、机械重复等方面的工作。研究机器人技术具有很高的应用价值和社会价值。

相比于轮式、履带式机器人，足式机器人可在不平坦、非结构化的环境灵活行走，其具有更好的地形适应能力和灵活运动性能。基于灵活的运动能力，足式机器人可以参与复杂工况的工作任务如野外未知环境负载仪器勘探、灾后(如地震、火灾等)危险环境救援物质运输、长时间的野外行军运输、核电站作业(如核泄漏)等完成特殊工况的应用。

足式机器人按照足的数量划分，一般有双足、四足、六足等足式机器人。相较于双足机器人，四足机器人具有更灵活的运动能力；相较于六足机器人，四足机器人的机械结构、控制算法等更简单。综上，四足机器人在较简单的机械结构、控制算法的基础上能够实现灵活的运动能力。

四足机器人的步态指的是有时序地进行足端轨迹规划，使得四足机器人能够有节律地运动。四足机器人的运动分为支撑相和摆动相，按照每条腿之间的相位差，步态大致可以爬行(Crawl)步态、对侧(Pace)步态、对角小跑(Trot)步态、跳跃(Bound)步态、疾驰(Gallop)步态等。

虚拟模型控制就是假设在质心、足端等位置有弹簧阻尼模型与外部作用点连接，进而产生对四足机器人的虚拟力。虚拟力通过一定的映射关系转化为关节力矩，进而实现对四足机器人的控制。

柔顺控制分为被动柔顺控制和主动柔顺控制。被动柔顺控制就是在四足机器人的机体(如足端)配备上用于减震缓冲的弹簧等，进而减小外部冲击实现柔顺性能。主动柔顺控制就是通过控制算法实现柔顺性能。相比于被动柔顺控制，主动柔顺控制具有机械结构简单、控制灵活性高等优点。

目前，基于落足点调整的电驱动四足机器人在足端轨迹规划方面主要采取静态的规划方法，不能很好地适应地形；在对角小跑步态规划方面，目前关于起步姿态与行走过渡的研究有所欠缺，不利于四足机器人起步时的稳定性；在对角小跑步态状态转换方面，只有两对虚拟腿之间的状态转换，但实际可能发生一对虚拟腿一条腿先着地、一条腿后着地的情况；在产生及转化虚拟力、虚拟力矩方面，一般的方法是在质心处产生六自由度的虚拟力和虚拟力矩，再通过空间映射矩阵和雅可比矩阵转化到各个关节，计算复杂度高、算法复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种包括刚体建模、姿态获取、足端轨迹规划、对角小跑步态规划、状态机设计、阻抗控制器和改进型虚拟模型控制器设计的基于落足点调整的四足机器人对角步态柔顺控制方法，以实现电驱动四足机器人基于落足点调整的对角小跑步态更加稳定且柔顺地行走。

本发明包括以下步骤：

1)建立四足机器人简化的刚体模型；

2)根据简化后的刚体模型，结合电机编码器、足底激光距离传感器、关节力传感器、IMU等传感器数据计算得到关节角、触地信号、髋部运动状态、机体质心姿态；

3)进行落足点调整、抬腿高度自适应的足端轨迹规划；

4)设计起步姿态与行走过渡，进行对角小跑步态规划；