[发明专利]一种基于半圆形仿生刀锋腿的六足机器人航向控制方法

说明书

本发明涉及足式机器人控制领域，提出了一种基于半圆形仿生刀锋腿的六足机器人航向控制方法，针对跟踪缓变期望航向角的控制需求，利用前向位移误差构造出处于支撑相的腿足髋关节角度的期望值，提出六足机器人的前向位移闭环控制方法，采用同向差动原理，通过改变左右处于支撑相的腿足步幅大小，实现了六足机器人的缓变航向控制；针对跟踪急变期望航向角的控制需求，利用航向角误差构造出处于摆动相的腿足髋关节角度期望值，提出六足机器人急变航向角的闭环控制方法，采用反向差动原理，通过改变左右处于摆动相的腿足髋关节转动方向，实现了六足机器人急变航向控制。该六足机器人较好地规避远距离和近距离障碍物，并能较好地跟踪上预设的行走路径。

技术领域

本发明涉及足式机器人控制领域，具体为一种基于半圆形仿生刀锋腿的六足机器人航向控制方法。

背景技术

不同于履带式机器人和轮式机器人，足式机器人利用行走机构以非连续的点接触形式在地面行走，其具备在非结构环境中稳定行走的能力。相较于普通六足机器人或其他足端点接触机器人，基于半圆形仿生刀锋腿的六足机器人的不同之处在于：六条腿全部为半圆弧型设计，以滚动代替转动，以面接触代替点接触。这使得该类型的六足机器人兼备足式机器人的越障能力和轮式机器人的高速运动能力，因此该机器人可以胜任抗险救灾、物资运输、地质勘探等面向复杂环境的特殊作业任务。

为了能够在复杂多变的地形环境中高效作业，基于刀锋腿的六足机器人除了需要具备稳定行走的能力外，还需具备一定的航向控制能力。六足机器人的航向控制技术是实现行走路径规划和自主决策的关键基础，是保证机器人高效作业的重要前提。具体地，当机器人在外界不确定干扰下偏离预定行走路径时，可以通过恰当的航向角控制方法矫正其行走路径，进而使其沿期望路径行走。因此，面向半圆形刀锋腿的六足机器人航向角控制是一个很有理论和实际意义的研究问题。

根据障碍物的远近，这类基于半圆形刀锋腿的六足机器人航向角控制策略大致可分成两大类：缓变航向角控制策略和急变航向角控制策略。当障碍物距离六足机器人较远时，认为机器人的转向空间不受限制，可以控制机器人以一定速度行走的同时缓慢改变其航向角从而避开该类障碍物；当遇到的障碍物的距离较近时，此时认为机器人转向空间受到限制，可以放缓机器人行进速度的同时急速改变航向角从而避开近距离障碍物。

综上所述，基于仿生刀锋腿的六足机器人实现航向控制存在的两个难点问题有：1)外界干扰力、运动学模型等不精确等不利因素将导致六足机器人支撑腿关节角度反解精度难以保证；2)不同于传统机器人连续驱动特性，这类足式机器人的欠驱动和变拓扑离散驱动特性将导致其航向角难以控制。

发明内容

(1)技术问题

针对跟踪缓变期望航向角的控制需求，考虑不确定干扰力和模型不精确导致的六足机器人在行走过程中难以跟踪上预设行走速度的问题，利用前向位移误差构造出支撑腿关节角度的期望值，提出六足机器人的前向位移闭环控制方法，同时结合六足机器人的结构特性，采用同向差动原理，通过改变左右支撑足的步幅大小，实现了六足机器人的缓变航向控制；针对跟踪急变期望航向角的控制需求，考虑不确定干扰力和模型不精确导致的六足机器人在转向过程中难以跟踪上预设期望航向角的问题，利用航向角误差构造出摆动足髋关节角度期望值，提出六足机器人急变航向角的闭环控制方法，同时结合六足机器人的结构特性，采用反向差动原理，通过改变左右摆动足的髋关节转动方向，实现了六足机器人急变航向控制。

(2)技术方案

根据本发明的一方面提供了一种基于半圆形仿生刀锋腿的六足机器人航向控制方法，当六足机器人的航向角与期望的航向角差值的绝对值大于阈值时，如果六足机器人转向空间不受限，则根据六足机器人所处的步态，调整支撑足的步幅；如果六足机器人转向空间受限，则根据六足机器人所处的步态，调整摆动足的转动方向。