[发明专利]一种四足机器人基于trot步态的平衡控制算法

说明书

本发明公开了一种四足机器人基于trot步态的平衡控制算法，该方法包括以下步骤：S1、设计四足机器人的步态，并给出步态时序图；S2、搭建平衡控制框图，从期望状态的输入到期望关节力矩的输出，根据四足机器人期望状态的导数和当前状态，求得期望的地面反作用力，地面反作用力包括沿x、y轴的摩擦力和沿z轴的支撑力，再根据期望的地面反作用力和四足机器人单腿的雅可比矩阵求得期望的关节力矩的大小。本发明通过提出了一种面对复杂地形的平衡控制算法用以保证四足机器人最基本的平衡控制，解决了四足机器人在任一时刻下都处于自不稳定的状态的问题。

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体为一种四足机器人基于trot步态的平衡控制算法。

背景技术

机器人技术是一门多学科、多专业的交叉学科，涉及到机械、电子学、仿生科学、计算机、控制算法等多方面的知识，虽然机器人技术较复杂，但其研究一直在进行，而且机器人相关产品为实现工业的自动化提供了很大的帮助，具有很高的研究价值。

移动机器人发展迅速，目前，移动机器人主要分为轮式机器人、履带式机器人、足式机器人，相比于前两种机器人，足式机器人具有明显的优势，主要表现在对崎岖地形的适应能力、爬坡、跨越障碍物的能力等，正是由于这些特性的存在，使得对于足式机器人的研发十分火热。

足式机器人又可以分为双足、四足、六足机器人，由于四足机器人的高稳定性和强负载能力，另外，从仿生学的角度来说，自然界中的绝大多数动物都是四足动物，因此，四足机器人的研究变得普遍起来。

众所周知，四足机器人的运动是强耦合、低柔性、末端有约束的问题，四足机器人在运动过程中有以下步态：

①静步态：walk步态；

②动步态：trot步态、pronking步态；

但无论是哪种步态，四足机器人在任一时刻下都处于自不稳定的状态，因此四足机器人的平衡控制算法至关重要，特别是对于四足机器人处于复杂地形时的平衡控制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种四足机器人基于trot步态的平衡控制算法，以解决上述背景技术中提出无论是哪种步态，四足机器人在任一时刻下都处于自不稳定的状态的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种四足机器人基于trot 步态的平衡控制算法，该方法包括以下步骤：

S1、设计四足机器人的步态，并给出步态时序图；

S2、搭建平衡控制框图，从期望状态的输入到期望关节力矩的输出，根据四足机器人期望状态的导数和当前状态，求得期望的地面反作用力，地面反作用力包括沿x、y轴的摩擦力和沿z轴的支撑力，再根据期望的地面反作用力和四足机器人单腿的雅可比矩阵求得期望的关节力矩的大小，再通过四足机器人关节模组的电流环使四足机器人到达期望的位姿并保持平衡；

S3、建立四足机器人的动力学模型，并基于此模型结合现代控制理论的知识设计状态方程，四足机器人动力学模型，推导如下：

首先，建立了四足机器人的SOLIDWORKS模型：

四足机器人由机身和四条腿组成，其中每条腿的机械结构基本是一致的，四足机器人单腿主要由三个关节来驱动，分别为测摆关节、髋关节和膝关节，通过这三个关节的耦合是机器人末端按照研究人员的预期状态工作；

其次，以四足机器人移动在水平平面为例介绍平衡控制算法的推导过程，建立了四足机器人的动力学模型，O(x-y-z)为世界坐标系，B(x-y-z)为机身坐标系，其坐标原点为机身中心位置，世界坐标系与机身坐标系之间的转换矩阵如下：