[发明专利]一种基于足端力调节的仿生四足机器人控制系统及方法

权利要求书

1.一种基于足端力调节的仿生四足机器人控制方法，其特征在于：包括：

搭建仿生四足机器人主体、世界坐标体系和闭环控制系统；

搭建6自由度虚拟关节，所述6自由度虚拟关节建立于仿生四足机器人主体和世界坐标体系之间，使所述仿生四足机器人主体构成13关节的固定基座机器人；

所述闭环控制系统获取仿生四足机器人主体中每个支撑足对地面的作用力，并建立标准动力学模型；

其中，搭建闭环控制系统的步骤，包括：

获取仿生机器人主体在世界坐标体系中的位置，确定每个支撑足的接触点以及地面作用到支撑足的力；

依据标准动力学模型解算每个关节所需的扭矩并生成力矩指令；

根据力矩指令反馈至每个关节和支撑足；

所述标准动力学模型的公式为，该公式中，为质量矩阵，为关节角度，为期望关节加速度，为关节速度，为偏置力，是选择矩阵，为关节扭矩，为接触雅克比矩阵，为地面接触力；

其中，为待求量，经过转化得到，计算结果生成力矩指令反馈至每个关节和支撑足；

在标准动力学模型的基础上计算出每个关节所需的扭矩，利用模型预测控制确定每个支撑足最优的足端落脚力；

将所述仿生四足机器人主体搭建为单刚体模型，在世界坐标体系中描述出仿生四足机器人主体的状态；

建立仿生四足机器人主体运动轨迹的预测模型；

获取仿生四足机器人主体在世界坐标体系中的姿态参数，利用预测模型递推出仿生四足机器人主体的预测轨迹以及落脚点；

获取所述仿生四足机器人运动的实际运动轨迹以及落脚点，依据预测轨迹和实际运动轨迹计算出足底反力；

其中，依据预测轨迹和实际运动轨迹计算出足底反力的步骤，包括：

建立预测估计方程：

其中，表示系统矩阵，表示控制输入矩阵，表示第步时的系统状态，表示第步时的控制输入；

根据上式预测出下一时刻的状态：；

其中，X表示预测轨迹中下一时刻的状态，和表示上式离散化后的矩阵；

将预测的轨迹与实际轨迹做差，根据目标函数，使控制问题转化为优化问题，并求解出作为控制量的足底反力；

其中，表示实际轨迹状态，表示此状态下的控制输入，和为对角矩阵，表示此控制量下的最小足底反力；

所述仿生四足机器人主体上设有数据采集模块和数据处理模块，所述数据采集模块用于获取周围环境信息，所述环境信息包括静态信息和动态信息，其中，所述动态信息分为接近动作信息和远离动作信息；

其中，所述数据采集模块包括激光雷达传感器和红外扫描器，所述获取周围环境信息的步骤，包括：

所述激光雷达传感器和红外扫描器采集仿生四足机器人行进方向的环境影像，并上传至数据处理模块；

所述数据处理模块解析环境影像中是否存在静态信息和动态信息；

若存在静态信息，获取该静态信息在世界坐标体系中的坐标信息，依据预测轨迹公式，判断该坐标是否与支撑足运动轨迹重合；

若是，则生成新的力矩指令并反馈至每个关节和支撑足，使仿生四足机器人主体行进方向作出调整；

若否，则仿生四足机器人主体正常行进；

若存在动态信息，解析动态信息数据，判断该动作信息是否靠近仿生四足机器人主体，若是，则标记为接近动作信息，并反馈至闭环控制器，使仿生四足机器人主体作出调整，若否，则标记为远离动作信息，仿生四足机器人主体正常行进。

2.根据权利要求1所述的一种基于足端力调节的仿生四足机器人控制方法，其特征在于：所述生成新的力矩指令并反馈至每个关节和支撑足，使仿生四足机器人主体行进方向作出调整的步骤，包括：

获取仿生四足机器人主体的姿态以及期望关节加速度；

在保证仿生四足机器人姿态稳定的状态下，依据仿生四足机器人主体的姿态调整各关节角度；

获取关节速度，依据调整的关节角度进行修正，再结合关节角度以及期望关节加速度计算出关节扭矩，其中，关节速度和关节角度均能通过闭环控制系统直接调节，期望关节加速度基于全身控制算法得出。