[发明专利]一种基于Acrobot模型的四足机器人对角支撑静平衡控制方法

说明书

本发明公开了一种基于Acrobot模型的四足机器人对角支撑静平衡控制方法，对四足机器人的对角支撑模型进行简化，降低了平衡控制的复杂度，引入Acrobot欠驱动倒立摆模型，很好的解决了身体质心会偏离转轴位置这一问题；最后对于Acrobot这一复杂的非线性系统，通过线性二次型调节器在平衡点处进行稳定控制，通过仿真分析与模型建立，将对角支撑模型简化为一个虚拟的欠驱动二阶倒立摆Acrobot模型，进一步进行对角支撑静平衡控制。

技术领域

本发明属于机器人控制技术领域，具体涉及一种基于Acrobot模型的四足机器人对角支撑静平衡控制方法。

背景技术

四足机器人的平衡控制一直是机器人领域的研究热点，目前四足机器人平衡控制的研究主要着眼于动态平衡控制，而目前主流的动平衡控制方法存在各自的不足之处。基于SLIP(Spring Loaded Inverted Pendulum)动平衡控制方法可以完成四足机器人的动步态下的平衡控制，但是为了保持动态平衡，必须通过较高频率的切换支撑腿与摆动腿。此外，当机器人的机体姿态出现偏转时，SLIP模型需要调整摆动腿落足点的位置，该方法限制了机器人的运动效率和对复杂环境的适应能力。基于惯性轮倒立摆的静平衡控制方法的上摆质心位于上摆旋转轴处，但是其与四足机器人的机体状态不符，因此该控制模型存在误差，此外，这种静平衡控制方法是通过对角支撑腿髋关节力矩输出进行平衡控制，依据对角支撑腿髋关节不同轴的机体机构，进行静平衡控制时四足机器人会出现机体航向偏转的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于Acrobot模型的四足机器人对角支撑静平衡控制方法，通过建立四足机器人的对角支撑动力学模型，基于LQR控制方法推导出静平衡控制方法，并在仿真与实物上验证了算法的可行性。

本发明采用以下技术方案：

一种基于Acrobot模型的四足机器人对角支撑静平衡控制方法，包括以下步骤：

S1、建立四足机器人身体坐标系(x_b,y_b,z_b)描述身体翻转姿态，x轴沿对角支撑髋关节连线方向，z轴沿竖直向上方向，建立四足机器人对角支撑腿坐标系和用于描述支撑腿倾角，坐标系方向与身体系相同，四足机器人的对角支撑看作两个上摆耦合的倒立摆模型；

S2、通步骤S1得到的两个倒立摆模型，在两对角支撑腿坐标系yz平面内进行投影，得到一个欠驱动二阶倒立摆Acrobot模型，确定两个Acrobot倒立摆模型之间的耦合关系；

S3、当对角两支撑腿髋关节采取相同控制时，对步骤S2得到的耦合关系进行解耦，将四足机器人对角支撑虚拟腿简化为单个Acrobot倒立摆模型，根据最简的对角支撑模型确定最简模型的拉格朗日动力学方程，并在平衡区进行线性化处理，根据状态变量将线性化的动力学方程转化为系统的状态方程；

S4、根据步骤S3建立的系统状态方程，选取角度与角速度作为系统的状态变量，并采用基于LQR的状态反馈控制方法对四足机器人的对角支撑进行静平衡控制，设置实数矩阵Q和实数矩阵R，输入原系统的系统矩阵与输入矩阵，得到系统的状态反馈矩阵K，根据系统状态反馈控制器得到输出力矩τ，确定对角支撑腿髋关节平衡控制的力矩输出ⁱτ，i＝1,2，完成平衡控制。

具体的，步骤S1中，对四足机器人的对角支撑模型进行简化，引入Acrobot欠驱动倒立摆模型；通过线性二次型调节器在平衡点处进行稳定控制，四足机器人在对角支撑状态下的静平衡控制为平衡区的稳定控制，对平衡区的稳定控制进行建模，针对欠驱动二阶倒立摆模型，运用拉格朗日动力学方法建立对角支撑最简动力学方程。

具体的，步骤S2中，两个Acrobot倒立摆的耦合关系为：