[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

说明书

本发明属于机器人稳定性控制的技术领域，具体涉及一种基于足端力调节的仿生四足机器人控制系统及方法，包括：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，依据预测轨迹和实际运动轨迹计算出足底反力，通过每个支撑足对地面的作用力解算出每个关节所需的扭矩，由电机动作使每个支撑足对地面的作用力得到控制，利用激光雷达传感器和模型预测控制结合，根据周围环境信息及时作出调整动作，可以实现在遇到动态信息或者接近静态信息时主动避让，后续利用模型预测控制还能够规划出新的行进轨迹，此过程中配合闭环控制系统及时的对各个关节个支撑足的力矩进行调整。

技术领域

本发明属于机器人稳定性控制的技术领域，具体涉及一种基于足端力调节的仿生四足机器人控制系统及方法。

背景技术

仿生机器人是指模仿生物和从事生物特点工作的机器人，传统的仿生机器人多是依靠轮式和履带式的底盘进行移动，但是陆地地面并不平坦，其在移动时多会受到异物的阻挡，其移动轨迹不可解耦控制，基于这一问题，人们又根据人体和其他动物研制出腿足式的机器人，相较于轮式和履带式的机器人而言，其在运动灵活性、环境适应性方面具有显著优势。

仿生四足机器人是腿足式机器人中的一种，现有技术中，其控制方法为：首先在机身坐标系下规划一条足端轨迹，在机器人行走的任意时刻，从轨迹中获取当前足底位置，再通过运动学方法获得每个关节的位置，最终发送给电机位置指令，其过分重视了足端到质心的位置关系，而不重视机器躯干是否平稳，在踩到异物时容易导致机身不平稳而倾倒。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于足端力调节的仿生四足机器人控制系统及方法，能够在支撑足踩到异物时，能够适应地形的改变，更加柔顺的保证机身平稳。

本发明采取的技术方案具体如下：

一种基于足端力调节的仿生四足机器人控制方法，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；

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；

作为本发明的一种优选方案，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：

其中预测估计方程为：

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。