[发明专利]基于三维空间中步态调整的四足机器人平衡稳定控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于维持躯干俯仰角、横滚角稳定的四足机器人躯干平衡稳定的控制方 法，属于四足机器人稳定控制技术领域。

背景技术

现有的车辆在崎岖度大或者复杂多变地形环境的应用受到很大的限制，比如地面出现间 断的沟壑或者砂石地、泥土地等都可能造成车辆通行障碍。对此腿足式动物的运动对地面的 需求只有点接触不需要连续的地面，而且多自由度的腿足有更大的灵活性，对复杂的地形有 更强的适应能力，所以结合腿足特点的足式车辆具有广阔的应用前景。

目前足式车辆仅限制在人为控制下的实现规划好动作的移动，对复杂的环境的适应或者 外界侧向冲击造成的倾翻没有主动的姿态调整，然而四足机器人在行进过程中，不可避免存 在环境与自身机构不确定性，这些情况会对四足机器人的运动产生扰动，使得预先规划好的 重心轨迹与摆动腿轨迹难以取得良好的效果。

足式车辆的平衡稳定问题对其更好的适应环境提高复杂地面运动能力和抗击扰动具有 重要意义。

发明内容

针对现有足式车辆的平衡稳定问题，本发明提供一种实现四足机器人的平衡控制、防止 倾倒侧翻等情况的基于三维空间中步态调整的四足机器人平衡稳定控制方法。

本发明的基于三维空间中步态调整的四足机器人平衡稳定控制方法，是：

对四足机器人建立基于躯干的移动坐标系和基于髋关节的局部坐标系，所述四足机器人 的腿部结构至少需要三自由度；采集四足机器人的躯干俯仰角度、俯仰角速度、横滚角度及 横滚角速度，从而得到四足机器人的当前躯干姿态；将四足机器人的当前躯干姿态与给定的 躯干姿态(俯仰角和横滚角)比较并通过弹簧负载倒立摆模型计算，折算出四足机器人的落 足点步态，调整四足机器人在坐标系的落足点，从而维持其躯干横滚角和俯仰角的稳定。

所述采集频率为100hz。

所述弹簧负载倒立摆模型计算，折算出四足机器人的落足点的过程是：

①通过摆动相负责z方向上抬腿高度控制以及摆动过程中xy方向落足点控制；通过支 撑相负责姿态控制维持躯干的平衡，包括维持z方向的高度稳定，维持目标速度的xy方向 的控制；

支撑相的足端计算公式：

其中x_s0表示支撑相x方向初始位置，表示x方向目标速度，kp_roll表示横滚姿态调节 的比例环节系数，kd_roll表示横滚姿态调节的微分环节系数，θ_roll表示采集的躯干当前横滚角， θ_{roll_d}表示躯干目标横滚角度；表示采集的躯干当前横滚角速度；表示躯干目标横 滚角速度；表示y方向目标速度，kp_pitch表示俯仰角闭环参数，kd_pitch表示俯仰角速度闭环 参数；z₀表示z方向初始高度；θ_pitch表示采集的躯干当前俯仰角度；θ_{pitch_d}表示躯干目标俯 仰角度；表示采集的躯干当前俯仰角速度；表示躯干目标俯仰角速度；

摆动相控制目标总结为：

其中T_f表示摆动相时间周期，x_f0表示摆动相初始x方向位置，表示摆动相初始x方 向速度，表示摆动相初始x方向加速度，x_fT表示摆动相结束时x方向目标位置，表示 摆动相结束时x方向目标速度，z_f0表示摆动相初始z方向位置，z_fT表示摆动相结束时z 方向目标位置，H表示目标抬腿高度；

其中：k_xv为x方向速度跟随参数(取值范围：[0.01,0.2])；

②通过以上目标规划得到5次函数构成的x方向步态规划和y方向步态规划，并得到4 次函数构成的z方向控制方法；

其中：k_xv表示x方向速度跟随参数；

k_yv表示y方向速度跟随参数。