[发明专利]一种基于并联机构思维的多足支撑步行机器人运动控制框架

说明书

本发明公开一种基于并联机构思维的多足支撑步行机器人运动控制框架，将多足支撑的步行机器人视为并联机构来对其运动进行规划和控制。对于支撑腿控制来说，将步行机器人的机身作为并联机构动平台，将步行机器人多个支撑足与地面接触部分作为并联机构静平台，将步行机器人各支撑腿作为并联机构不同的支链；通过动平台的位姿规划来使步行机器人按期望的全方位运动目标运动，从而将步行机器人的全方位移动问题只作为位置规划与位置控制问题。而对于步行机器人运动过程中出现的机身位姿偏差，则通过动平台的位姿控制降低，最终将姿态控制归结到关节控制中，如此将机身的倾斜、转向问题只作为姿态规划与姿态问题；大大简化机器人机身的规划和位姿控制。

技术领域

本发明涉及一种运动控制框架，特别是一种多足支撑步行机器人的运动控制框架，具体来说是一种基于并联机构思维的多足支撑步行机器人运动控制框架。

背景技术

在复杂地形下，如何使步行机器人平稳地向期望的目标行走是其主要难点。这要求对机器人进行运动规划、轨迹规划和位姿控制等，运动规划用于规划机器人的运动路径，轨迹规划使得机器人在特定路径上按一定的运动学规律运动，位姿控制用于降低机器人移动过程中的位置和姿态误差以保证机器人的平稳运行。

合理的运动控制框架设计对于步行机器人的运动是非常重要的，当前多足支撑步行机器人(如四足机器人、六足机器人)对机身的控制大都基于串联机构思维：把机身当作基座，而把各腿当作独立的串联支链，将机身的运动看作各腿相对于机身的相对摆动，进而通过规划和控制腿部运动来达到控制机身的目的。基于这种思想，足式机器人的运动需要按一定顺序依次规划各腿足端轨迹，并且为了控制步行机器人的运动方向，需要分别按特定方向规划足端轨迹，再进行轨迹融合；而为了控制步行机器人的运动姿态，需要将部分机身的位姿控制融入轨迹规划中，以使步行机器人按一定的位姿要求沿设定方向运动。这种基于串联机构思维进行的机器人运动控制主要通过规划和控制腿部运动来达到控制机身运动的目的，因此对于机身的运动控制不够直观；由于腿部规划和机器人机身位姿控制相互耦合，使得轨迹规划复杂化，增大了机器人位姿控制难度与调试复杂度，也不利于规划和位姿控制算法的合理性分析和功能的优化。

发明内容

为了避免上述基于串联机构思维进行足式机器人运动控制造成的问题，本发明提出一种基于并联机构思维的多足支撑步行机器人运动控制框架，基于并联机构思维的运动控制框架使得步行机器人的运动规划问题和位姿控制问题可直接针对机器人的机身来进行设计，大大简化机器人机身的规划和位姿控制。

本发明基于并联机构思维的多足支撑步行机器人运动控制框架，将多足支撑的步行机器人视为并联机构来对其运动进行规划和控制。首先，对于支撑腿控制来说，将步行机器人的机身作为并联机构动平台，将步行机器人多个支撑足与地面接触部分作为并联机构静平台，将步行机器人各支撑腿作为并联机构不同的支链。由此，步行机器人机身运动即可视为并联机构动平台的运动。其中机器人的前进、后退、上下运动即可视为动平台的平动；机器人机身的倾斜、转向运动可视为动平台的转动；最终通过动平台的位姿规划和位姿控制来使步行机器人按期望的全方位运动目标运动。对于步行机器人运动过程中出现的机身位姿偏差，通过动平台的位姿控制降低，且最终将位姿控制归结到关节控制中，将机身的移动、倾斜、转向问题作为位姿规划与位姿控制问题。

本发明基于并联机构思维的多足支撑步行机器人运动控制框架，主要基于三个坐标系，分别为:

A、世界坐标系或者导航坐标系W(X_w，Y_w，Z_w)，表示机器人的世界坐标参考系；

B、机器人机身平面坐标系B(X_B，Y_B，Z_B)，该坐标系建立在动平台上，原点一般为机器人机身的几何中心，表示并联机构动平台固连的坐标参考系；