[发明专利]一种基于正弦对角步态与快速查表法的四足机器人运动控制方法及控制装置

摘要

本发明涉及一种基于正弦对角步态与快速查表法的四足机器人运动控制方法及控制装置，包括：(1)结合对角步态，分析四足机器人腿部结构，建立四足机器人腿部运动数学模型；采用新型正弦步态；(2)通过求解非线性方程组得到四肢各个关节的控制率；建立一种专门面向机器人运动控制的数据库，通过快速查表法得到精确的关节开合角度，快速准确地实现足端轨迹控制。(3)设计足端轨迹控制单元与转向控制单元，以便接入其他控制系统。在通过性上，设计并采用了一种新型正弦步态，使机器人在面对复杂地形时拥有高通过性。在运行稳定性上，迈步周期截止时，摆动相水平速度为零，因此具有较高的稳定性。采用查表法进行足端轨迹控制快速、准确、稳定。

主权项

一种基于正弦对角步态与快速查表法的四足机器人运动控制方法，其特征在于，四足机器人包括躯干以及与所述躯干连接的四条腿，在四足机器人的一个迈步周期中，在同一对角线上的两条腿以相同运动方式摆动，支撑躯干并推动躯干前进的两条腿称为支撑相，而按照事先设定轨迹进行摆动的另一对角线上的两条腿称为摆动相，包括步骤如下：(1)通过分析四足机器人腿部结构，构建四足机器人腿部运动数学模型，包括四足机器人足端位置模型：每条腿包括大腿、小腿；四足机器人的一个迈步周期包括一个支撑相、一个摆动相，躯干坐标系中，x轴表示足端在水平方向上的位移，y轴代表足端高度，原点o为腿髋关节在地面上的投影点，躯干坐标系下足端位置模型如式(Ⅰ)所示：px(θ1,θ2)=L1*sinθ1-L2*sin(θ1+θ2)pz(θ1,θ2)=H-L1*cosθ1+L2*cos(θ1+θ2)---(I)]]>式(Ⅰ)中，px(θ1,θ2)为足端水平位移与θ1、θ2的函数，pz(θ1,θ2)为足端高度与θ1、θ2的函数，L1为机器人大腿的长度，L2为机器人小腿的长度，θ1为机器人髋关节纵向开合角度，取值范围为0°‑180°；θ2为膝关节开合角度，取值范围为0°‑180°；H为机器人躯干底端到地面的距离；(2)采用一种新型正弦对角步态，求取支撑相足端在躯干坐标系下的运动轨迹、摆动相足端在躯干坐标系下的运动轨迹，所述新型正弦对角步态是指：四足机器人的四条腿以对角分为两组，前左腿和右后腿为一组，前右腿和后左腿为一组，两组交替作为支撑相与摆动相；支撑相足端在躯干坐标系下的运动轨迹如式(Ⅱ)所示：p1x(t)=0.5*S_1-0.5*(S+S_1)*tTp1z(t)=0---(II)]]>式(Ⅱ)中，p1x(t)为支撑相足端水平位移关于时间t的函数，p1z(t)支撑相足端高度关于时间t的函数，S为当前迈步周期步长，S_1为上一迈步周期实际步长，t为迈步周期内的时刻，T为迈步周期；摆动相足端在躯干坐标系下的运动轨迹如式(Ⅲ)所示：p2x(t)=-0.5*S_1+0.5*(S_1+S)*sin(0.5*π*tT),0≤t≤Tp2z(t)=h*sin(π*tT),0≤t≤T---(III)]]>式(Ⅲ)中，p2x(t)为摆动相足端水平位移关于时间t的函数，p2z(t)摆动相足端高度关于时间t的函数，h为步高，为摆动相上升过程中达到的最高点；(3)控制率的求解设定步长的取值范围是0.38m～0.42m，精度为1mm，则摆动相足端在躯干坐标系下的运动轨迹有41*41＝1681种可能性；将1681种可能性对应的S_1、S带入公式(Ⅲ)，求得摆动相足端不同时刻的位置p2x(t)、p2z(t)；将求得摆动相足端不同时刻的位置p2x(t)、p2z(t)代入公式(Ⅰ)中的px(θ1,θ2)、pz(θ1,θ2)，得到一非线性方程组，通过MATLAB求解该非线性方程组，并依据关节约束条件筛选得到符合关节约束条件的髋关节纵向开合角度与膝关节开合角度，作为控制摆动相运动的控制率；将1681种可能性对应的S_1、S带入公式(Ⅱ)，求得支撑相足端不同时刻的位置p1x(t)、p1z(t)；将求得的支撑相足端不同时刻的位置p1x(t)、p1z(t)代入公式(Ⅰ)中的px(θ1,θ2)、pz(θ1,θ2)，得到一非线性方程组，通过MATLAB求解该非线性方程组，并依据关节约束条件筛选得到符合关节约束条件的髋关节纵向开合角度与膝关节开合角度，作为控制支撑相运动的控制率；(4)根据求取的摆动相运动的控制率、支撑相运动的控制率，建立数据库数据库采用二维地址指针，第一维为S_1，第二维为S，每个地址存有2个2*200的控制矩阵，分别为支撑相关节控制率与摆动相关节控制率；(5)通过快速查表法，实现对四足机器人的足端轨迹控制A、求取S与S_1；B、根据S_1与S，进行快速查表，从数据库中得到存有支撑相关节控制率的支撑相控制矩阵与存有摆动相关节控制率的摆动相控制矩阵；C、将支撑相控制矩阵传递给支撑相，将摆动相控制矩阵传递给摆动相，依照相应的控制率运动；(6)对四足机器人进行转向控制求取支撑相髋关节横向开合角的控制率、摆动相髋关节横向开合角的控制率，并传递给相应腿组，令其依照控制率变化，实现四足机器人的转向控制。