[发明专利]基于三维空间中步态调整的四足机器人平衡稳定控制方法

摘要

一种基于三维空间中步态调整的四足机器人平衡稳定控制方法，对四足机器人建立基于躯干的移动坐标系和基于髋关节的局部坐标系，采集四足机器人的躯干俯仰角度、俯仰角速度、横滚角度及横滚角速度，从而得到四足机器人的当前躯干姿态；将四足机器人的当前躯干姿态与给定的躯干姿态比较并通过弹簧负载倒立摆模型计算，折算出四足机器人的落足点步态，调整四足机器人在坐标系的落足点，从而维持其躯干横滚角和俯仰角的稳定。该方法保证四足机器人在维持正常运动目标下能主动对外界侧向冲击、崎岖地形等作出调整维持稳定行走，在保持运动目标的情况下自动调整步态来实现稳定运动下的抗扰抑制，防止倾倒侧翻。

主权项

1.一种基于三维空间中步态调整的四足机器人平衡稳定控制方法，其特征是：对四足机器人建立基于躯干的移动坐标系和基于髋关节的局部坐标系，所述四足机器人的腿部结构至少需要三自由度；采集四足机器人的躯干俯仰角度、俯仰角速度、横滚角度及横滚角速度，从而得到四足机器人的当前躯干姿态；将四足机器人的当前躯干姿态与给定的躯干姿态比较并通过弹簧负载倒立摆模型计算，折算出四足机器人的落足点步态，调整四足机器人在坐标系的落足点，从而维持其躯干横滚角和俯仰角的稳定；所述弹簧负载倒立摆模型计算，折算出四足机器人的落足点的过程是：①通过摆动相负责z方向上抬腿高度控制以及摆动过程中xy方向落足点控制；通过支撑相负责姿态控制维持躯干的平衡，包括维持z方向的高度稳定，维持目标速度的xy方向的控制；支撑相的足端计算公式：z_s(t)＝z₀，其中x_s0表示支撑相x方向初始位置，表示x方向目标速度，kp_roll表示横滚姿态调节的比例环节系数，kd_roll表示横滚姿态调节的微分环节系数，θ_roll表示采集的躯干当前横滚角，θ_{roll_d}表示躯干目标横滚角度；表示采集的躯干当前横滚角速度；表示躯干目标横滚角速度；表示y方向目标速度，kp_pitch表示俯仰角闭环参数，kd_pitch表示俯仰角速度闭环参数；z₀表示z方向初始高度；θ_pitch表示采集的躯干当前俯仰角度；θ_{pitch_d}表示躯干目标俯仰角度；表示采集的躯干当前俯仰角速度；表示躯干目标俯仰角速度；摆动相控制目标总结为：x_f(0)＝x_f0x_f(T_f)＝x_fTz_f(0)＝z_f0z_f(T_f)＝z_fT其中T_f表示摆动相时间周期，x_f0表示摆动相初始x方向位置，表示摆动相初始x方向速度，表示摆动相初始x方向加速度，x_fT表示摆动相结束时x方向目标位置，表示摆动相结束时x方向目标速度，z_f0表示摆动相初始z方向位置，z_fT表示摆动相结束时z方向目标位置，H表示目标抬腿高度；②通过以上目标规划得到5次函数构成的x方向步态规划和y方向步态规划，并得到4次函数构成的z方向控制方法；x_f(t)＝At⁵+Bt⁴+Ct³+Dt²+Et+Ff＝y_f0其中：k_xv表示x方向速度跟随参数；k_yv表示y方向速度跟随参数。