[发明专利]一种四足机器人仿生跳跃动作的控制方法和装置

说明书

本发明公开了一种四足机器人仿生跳跃动作的控制方法和装置，该方法包括：将四足机器人简化成刚体模型；根据简化后的刚体模型，利用陀螺仪数据结合足端状态计算得到身体质心的实际状态；考虑实际状态和期望状态的闭环，计算出质心处需要的虚拟力和力矩；根据得出的质心需要的虚拟力和力矩，获得支撑腿各关节力矩；支撑腿各关节力矩经电机执行后实现跳跃动作。根据以上技术方案，优化了机器人的腿部发力方式，即分为三个阶段，采用前后腿根据阶段分别发力的方式，此举将机器人腿部控制电机的扭矩输出能力几乎利用到极限，并且更加合理的利用了机器人在空中滞留的时间，得到了明显优于“Pronk”动作的跳跃距离和清障高度，跨越距离达到1.5m左右。

技术领域

本发明涉及机器人控制领域，尤其涉及一种四足机器人仿生跳跃动作的控制方法和装置。

背景技术

目前现有的机器人可以实现简单的步行、跑跳等动作，对于一些草地、坡地和台阶有一定的通过能力。现实世界中除了以上规整的路面还存在大量不规则的障碍，如横贯道路的石阶或管道。而四足机器人相对轮式机器人来说由于运动方式不同而在跨越障碍能力上有着本质的优势。轮式机器人对于有一定高度和宽度的障碍物难以实现跨越。

跳跃动作是四足动物常见的一种运动方式，按照腿部发力顺序可分为四足同时起跳方式(“Pronk”)和前双足仰起身体后双足蹬地起跳的方式。

目前与本发明最相似的技术实现方案为机器人四足同时起跳，向前跳跃，模仿的原型是动物仿生学中的“Pronk”动作，此动作一般多见于动物处在安全环境下的娱乐。现有的跳跃方式跳跃距离有限，后腿落地位置较前腿起跳位置超越的距离较少，所以可以跨越的障碍体积较小。同时由于机器人在空中的收腿和伸腿动作也需要一定的时间完成，所以机器人有效的跳跃高度和距离比较有限。

发明内容

本发明的目的是提供一种四足机器人仿生跳跃动作的控制方法和装置，以解决相关技术中由于机器人在空中的收腿和伸腿动作需要一定的时间完成，所以机器人有效的跳跃高度和距离比较有限的问题。

为了达到上述目的，第一方面，本发明实施例提供一种四足机器人仿生跳跃动作的控制方法，包括：

将四足机器人简化成刚体模型；

根据简化后的刚体模型，利用陀螺仪数据结合足端状态计算得到身体质心的实际状态；

考虑实际状态和期望状态的闭环，计算出质心处需要的虚拟力和力矩；

根据得出的质心需要的虚拟力和力矩，获得支撑腿各关节力矩；

支撑腿各关节力矩经电机执行后实现跳跃动作。

进一步地，所述实际状态包括身体质心的实际位置p(x,y,z)、实际速度实际姿态θ(r,p,y)和实际角速度

进一步地，身体质心的实际位置p和实际速度由机器人足端位置和速度结合陀螺仪数据进行推导得出，认为机器人的足底与地面不存在相对移动。

进一步地，所述期望状态包括身体质心的期望位置p_d(x_d,y_d,z_d)、期望速度期望姿态θ_d(r_d,p_d,y_d)和期望角速度

进一步地，所述三个阶段具体为：

第一阶段，机器人四足着地，身体的运动轨迹简单的规划为保持姿态不变，只将身高降低到给定高度；

第二阶段，身体起始状态为第一阶段的终止状态，第二阶段的终止状态为身体有一定角度和角速度的后仰，同时具有一定的x向和z向的速度，即前双足离地，同时后双足着地；