[发明专利]一种基于空间二阶倒立摆模型的双足机器人姿态控制方法

说明书

本发明公开了一种基于空间二阶倒立摆模型的双足机器人姿态控制方法，属于双足机器人运动控制技术领域。该方法将双足机器人上身姿态的控制映射到空间二阶倒立摆模型四个关节的控制上，实现了双足机器人姿态的耦合非线性控制，在简化机器人动力学模型的同时，保留了姿态角度的耦合与非线性特性，兼顾计算速度与控制精度，改善了双足机器人的平衡能力与动态特性，并提高了能量利用效率。

技术领域

本发明属于双足机器人运动控制技术领域，具体涉及一种基于空间二阶倒立摆模型的双足机器人姿态控制方法。

背景技术

双足机器人采用双腿轮换支撑的方式进行运动，具有跨越障碍、通过崎岖路面等能力，能够适应室内、楼宇、道路、野外等多种环境。一般通过给定腿部关节轨迹使双足机器人产生期望的运动。当实际执行轨迹与期望轨迹误差较大、环境信息误差较大、外部扰动较大时，机器人容易失去平衡、倾倒从而损坏。上身姿态角度是判断双足机器人是否平衡的重要依据，因此，基于上身姿态角度的反馈控制常被用来保持机器人稳定运动。双足机器人的运动方式主要包括站立、行走、奔跑、跳跃，运动状态包括单脚支撑、双脚支撑、腾空。腾空时机器人无着力点，无法进行上身姿态控制，因此上身姿态控制一般作用在单脚支撑期与双脚支撑期。

目前，双足机器人的上身姿态控制主要包括直接控制与间接控制。现有技术基于上身姿态角度与角速度测量，使用PD反馈控制计算腰部关节调节量，直接叠加在腰部关节轨迹上，实现上身姿态晃动的控制。现有技术还在机器人质心与外部环境之间构建虚拟的弹簧阻尼约束，将机器人位置姿态信息转化为虚拟力与力矩信息，再通过导纳控制生成新的质心位置姿态，实现机器人克服外界扰动的姿态柔顺控制。上述方法均忽略了姿态角度间的耦合关系，控制精度与适用范围有限，且没有考虑机器人本体动力学特性，导致运动不自然、能量利用效率低。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于空间二阶倒立摆模型的双足机器人姿态控制方法，通过坐标变换、雅可比矩阵将双足机器人的姿态控制映射到空间二阶倒立摆的关节控制上，实现姿态角度的耦合控制；且空间二阶倒立摆与双足机器人动力学特性相似，能够产生更为自然的运动，从而改善机器人的动态特性、提高能量利用效率。

本发明是采用以下技术方案实现上述技术目的的。

一种基于空间二阶倒立摆模型的双足机器人姿态控制方法，获取空间二阶倒立摆模型各关节角度的参考值和实际值以及各关节角速度的参考值和实际值，输入关节力矩控制器，再根据关节力矩限幅，获取实际力矩，从而得到关节修正角度q^*，更新机器人髋部参考轨迹，实现姿态控制。

进一步，所述空间二阶倒立摆模型包括踝部两个关节、髋部两个关节。

进一步，所述踝部两个关节旋转轴相互垂直、髋部两个关节旋转轴相互垂直，使得连杆HB与连杆AH在三维空间内复合运动。

进一步，所述各关节角速度的参考值为：其中J⁺为雅可比矩阵J的伪逆，为空间二阶倒立摆模型连杆HB绕基坐标各坐标轴的参考旋转速度。

更进一步，所述参考旋转速度与绕空间二阶倒立摆模型基坐标系Σ₀各坐标轴的旋转速度之间的关系为：

且其中为参考旋转矩阵微分，⁰R_HB为上半身相对基坐标系Σ₀的旋转矩阵，为参考姿态角速度，⁰θ_HB,p、⁰θ_HB,r为实际姿态角度。

本发明的有益效果为：