[发明专利]基于关节速度规划的四足机器人对角步态运动控制方法

说明书

本发明公开了一种基于关节速度规划的四足机器人对角步态运动控制方法，包括：将机器人对角步态运动模型映射至惯性坐标空间，在惯性坐标空间的一个平面内，根据躯干目标侧向速度选定落足点，使躯干在该平面内的姿态角为零；根据躯干的目标高度、前向速度和转向速度得到足所在腿部的髋关节位置；根据髋关节的位置和惯性坐标空间向躯干坐标空间的变换矩阵，得到躯干坐标空间内足的位置坐标；根据由足的位置坐标得到的足所在腿部的关节速度和选定的落足点控制机器人的对角步态运动。适用于采用位置控制模式的四足机器人，调节机器人躯干的姿态和运动速度。

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及一种基于关节速度规划的四足机器人对角步态运动控制方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

在多足步行机器人中，四足机器人相对于单足或双足机器人运动更加稳定，与六足或更多足的机器人相比结构又更加简单，因此在足式机器人中有着广泛的研究与应用。

自然界中的四足动物在运动过程中会根据运动目的和地形信息采用不同的步态，其中对角小跑是一种处于四足对角线上两条腿同时运行的步态，这种步态在相当大的运动速度范围内能保证比较高的能量效率，而且每一步之间躯干姿态并没有特别明显的起伏，因此对角小跑步态是自然界中最为常见的步态。然而，对于四足机器人而言，由于大部分四足机构的足部结构非常小，且重心较高，当机器人以对角腿支撑时难以保持平衡，因此四足机器人对角步态的稳定运动控制对其更好的适应环境、提高复杂地面运动能力和抗扰动能力具有重要意义。

现有的四足机器人对角步态稳定运动控制方法主要可分为基于虚拟模型控制的方法、基于模型预测控制的方法、基于全身控制的方法、基于学习的方法等。其中基于虚拟模型控制的方法是指将腿足式机器人虚拟为一个简化的模型，通过控制简化模型实现机器人的运动，例如常见的“弹簧-负载-倒立摆”模型控制方法；模型预测控制，是指基于机器人动力学模型，构造对角步态运动的多优化多约束算式，预测机器人在将来几个控制周期内的运动控制规律；全身控制方法，是指将机器人不同腿部不同运动任务进行分级，基于任务优先级计算机器人各关节的运动扭矩；基于学习的控制方法主要是指通过深度学习等算法模仿自然界四足动物的运动模式，并基于训练实现机器人的对角小跑运动。

虽然上述方法在四足机器人对角小跑运动控制方面取得了较好的成效，但是，这些方法均需要依赖机器人的力控制关节驱动器或力感知元件。高精度的力控制驱动器或力感知原件增加了机器人系统的设计难度和制造成本。与之相比，采用关节位置/速度控制模式的四足机器人对传感、制造、驱动等方面要求较低，系统更加简单。然而，发明人发现，现有的基于关节位置/速度规划的四足机器人对角步态控制算法，如中枢模式发生器算法和零力矩点算法等，均存在稳定性不强、地形适应性差等问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种基于关节速度规划的四足机器人对角步态运动控制方法，将四足机器人对角步态运动模型映射至惯性坐标空间，在该空间的一个平面内，实现躯干姿态控制以及运动速度，在其余平面内构造求解支撑腿的运动方式，最终根据得到的关节速度实现四足机器人鲁棒稳定的全方位对角步态运动，保障躯干的平衡和稳定。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供一种基于关节速度规划的四足机器人对角步态运动控制方法，包括：

将机器人对角步态运动模型映射至惯性坐标空间，在惯性坐标空间的一个平面内，根据躯干目标侧向速度选定落足点，以控制躯干的侧向速度；

根据躯干的目标高度、前向速度和转向速度得到足所在腿部的髋关节位置；

根据髋关节位置和惯性坐标空间向躯干坐标空间的变换矩阵，得到躯干坐标空间内足的位置坐标；

根据由足的位置坐标得到的足所在腿部的关节速度和选定的落足点控制机器人的对角步态运动。