[發明專利]一種基于正弦對角步態與快速查表法的四足機器人運動控制方法及控制裝置

有效

• 申請號: 201710295191.2
• 申請日: 2017-04-28
• 公開（公告）號: CN107045552B
• 公開（公告）日: 2020-04-24
• 發明（設計）人: 孫濤;靳欣;李凡冰
• 申請（專利權）人: 齊魯工業大學
• 主分類號: G06F16/24
• 分類號: G06F16/24;B25J9/16
• 代理公司: 濟南金迪知識產權代理有限公司 37219
• 代理人: 楊樹云

1.一種基于正弦對角步態與快速查表法的四足機器人運動控制方法，其特征在于，四足機器人包括軀干以及與所述軀干連接的四條腿，在四足機器人的一個邁步周期中，在同一對角線上的兩條腿以相同運動方式擺動，支撐軀干并推動軀干前進的兩條腿稱為支撐相，而按照事先設定軌跡進行擺動的另一對角線上的兩條腿稱為擺動相，包括步驟如下：

(1)通過分析四足機器人腿部結構，構建四足機器人腿部運動數學模型，包括四足機器人足端位置模型：

每條腿包括大腿、小腿；四足機器人的一個邁步周期包括一個支撐相、一個擺動相，軀干坐標系中，x軸表示足端在水平方向上的位移，y軸代表足端高度，原點o為腿髖關節在地面上的投影點，軀干坐標系下足端位置模型如式(Ⅰ)所示：

式(Ⅰ)中，p_x(θ₁,θ₂)為足端水平位移與θ₁、θ₂的函數，p_z(θ₁,θ₂)為足端高度與θ₁、θ₂的函數，L₁為機器人大腿的長度，L₂為機器人小腿的長度，θ₁為機器人髖關節縱向開合角度，取值范圍為0°-180°；θ₂為膝關節開合角度，取值范圍為0°-180°；H為機器人軀干底端到地面的距離；

(2)采用一種正弦對角步態，求取支撐相足端在軀干坐標系下的運動軌跡、擺動相足端在軀干坐標系下的運動軌跡，所述正弦對角步態是指：四足機器人的四條腿以對角分為兩組，前左腿和右后腿為一組，前右腿和后左腿為一組，兩組交替作為支撐相與擺動相；支撐相足端在軀干坐標系下的運動軌跡如式(Ⅱ)所示：

式(Ⅱ)中，p1_x(t)為支撐相足端水平位移關于時間t的函數，p1_z(t)為支撐相足端高度關于時間t的函數，S為當前邁步周期步長，S_1為上一邁步周期實際步長，t為邁步周期內的時刻，T為邁步周期；

擺動相足端在軀干坐標系下的運動軌跡如式(Ⅲ)所示：

式(Ⅲ)中，p2_x(t)為擺動相足端水平位移關于時間t的函數，p2_z(t)為擺動相足端高度關于時間t的函數，h為步高，為擺動相上升過程中達到的最高點；

(3)控制率的求解

設定步長的取值范圍是0.38m～0.42m，精度為1mm，則擺動相足端在軀干坐標系下的運動軌跡有41*41＝1681種可能性；

將1681種可能性對應的S_1、S帶入公式(Ⅲ)，求得擺動相足端不同時刻的位置p2_x(t)、p2_z(t)；

將求得擺動相足端不同時刻的位置p2_x(t)、p2₂(t)代入公式(Ⅰ)中的p_x(θ₁,θ₂)、p_z(θ₁,θ₂)，得到一非線性方程組，通過MATLAB求解該非線性方程組，并依據關節約束條件篩選得到符合關節約束條件的髖關節縱向開合角度與膝關節開合角度，作為控制擺動相運動的控制率；

將1681種可能性對應的S_1、S帶入公式(Ⅱ)，求得支撐相足端不同時刻的位置p1_x(t)、p1_z(t)；

將求得的支撐相足端不同時刻的位置p1_x(t)、p1_z(t)代入公式(Ⅰ)中的p_x(θ₁,θ₂)、p_z(θ₁,θ₂)，得到一非線性方程組，通過MATLAB求解該非線性方程組，并依據關節約束條件篩選得到符合關節約束條件的髖關節縱向開合角度與膝關節開合角度，作為控制支撐相運動的控制率；

(4)根據求取的擺動相運動的控制率、支撐相運動的控制率，建立數據庫

數據庫采用二維地址指針，第一維為S_1，第二維為S，每個地址存有2個2*200的控制矩陣，分別為支撐相關節控制率與擺動相關節控制率；

(5)通過快速查表法，實現對四足機器人的足端軌跡控制

A、求取S與S_1；

B、根據S_1與S，進行快速查表，從數據庫中得到存有支撐相關節控制率的支撐相控制矩陣與存有擺動相關節控制率的擺動相控制矩陣；

C、將支撐相控制矩陣傳遞給支撐相，將擺動相控制矩陣傳遞給擺動相，依照相應的控制率運動；

(6)對四足機器人進行轉向控制

求取支撐相髖關節橫向開合角的控制率、擺動相髖關節橫向開合角的控制率，并傳遞給相應腿組，令其依照控制率變化，實現四足機器人的轉向控制。