[發明專利]一種基于空間二階倒立擺模型的雙足機器人姿態控制方法

有效

• 申請號: 201910660469.0
• 申請日: 2019-07-22
• 公開（公告）號: CN110405762B
• 公開（公告）日: 2020-09-25
• 發明（設計）人: 余張國;李慶慶;黃強;張潤明;陳學超;朱西碩
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16;B25J17/02
• 代理公司: 南京智造力知識產權代理有限公司 32382
• 代理人: 杜丹

本發明公開了一種基于空間二階倒立擺模型的雙足機器人姿態控制方法，屬于雙足機器人運動控制技術領域。該方法將雙足機器人上身姿態的控制映射到空間二階倒立擺模型四個關節的控制上，實現了雙足機器人姿態的耦合非線性控制，在簡化機器人動力學模型的同時，保留了姿態角度的耦合與非線性特性，兼顧計算速度與控制精度，改善了雙足機器人的平衡能力與動態特性，并提高了能量利用效率。

技術領域

本發明屬于雙足機器人運動控制技術領域，具體涉及一種基于空間二階倒立擺模型的雙足機器人姿態控制方法。

背景技術

雙足機器人采用雙腿輪換支撐的方式進行運動，具有跨越障礙、通過崎嶇路面等能力，能夠適應室內、樓宇、道路、野外等多種環境。一般通過給定腿部關節軌跡使雙足機器人產生期望的運動。當實際執行軌跡與期望軌跡誤差較大、環境信息誤差較大、外部擾動較大時，機器人容易失去平衡、傾倒從而損壞。上身姿態角度是判斷雙足機器人是否平衡的重要依據，因此，基于上身姿態角度的反饋控制常被用來保持機器人穩定運動。雙足機器人的運動方式主要包括站立、行走、奔跑、跳躍，運動狀態包括單腳支撐、雙腳支撐、騰空。騰空時機器人無著力點，無法進行上身姿態控制，因此上身姿態控制一般作用在單腳支撐期與雙腳支撐期。

目前，雙足機器人的上身姿態控制主要包括直接控制與間接控制。現有技術基于上身姿態角度與角速度測量，使用PD反饋控制計算腰部關節調節量，直接疊加在腰部關節軌跡上，實現上身姿態晃動的控制。現有技術還在機器人質心與外部環境之間構建虛擬的彈簧阻尼約束，將機器人位置姿態信息轉化為虛擬力與力矩信息，再通過導納控制生成新的質心位置姿態，實現機器人克服外界擾動的姿態柔順控制。上述方法均忽略了姿態角度間的耦合關系，控制精度與適用范圍有限，且沒有考慮機器人本體動力學特性，導致運動不自然、能量利用效率低。

發明內容

為了解決現有技術中存在的問題，本發明提供了一種基于空間二階倒立擺模型的雙足機器人姿態控制方法，通過坐標變換、雅可比矩陣將雙足機器人的姿態控制映射到空間二階倒立擺的關節控制上，實現姿態角度的耦合控制；且空間二階倒立擺與雙足機器人動力學特性相似，能夠產生更為自然的運動，從而改善機器人的動態特性、提高能量利用效率。

本發明是采用以下技術方案實現上述技術目的的。

一種基于空間二階倒立擺模型的雙足機器人姿態控制方法，獲取空間二階倒立擺模型各關節角度的參考值和實際值以及各關節角速度的參考值和實際值，輸入關節力矩控制器，再根據關節力矩限幅，獲取實際力矩，從而得到關節修正角度q^*，更新機器人髖部參考軌跡，實現姿態控制。

進一步，所述空間二階倒立擺模型包括踝部兩個關節、髖部兩個關節。

進一步，所述踝部兩個關節旋轉軸相互垂直、髖部兩個關節旋轉軸相互垂直，使得連桿HB與連桿AH在三維空間內復合運動。

進一步，所述各關節角速度的參考值為：其中J⁺為雅可比矩陣J的偽逆，為空間二階倒立擺模型連桿HB繞基坐標各坐標軸的參考旋轉速度。

更進一步，所述參考旋轉速度與繞空間二階倒立擺模型基坐標系Σ₀各坐標軸的旋轉速度之間的關系為：

且其中為參考旋轉矩陣微分，⁰R_HB為上半身相對基坐標系Σ₀的旋轉矩陣，為參考姿態角速度，⁰θ_HB,p、⁰θ_HB,r為實際姿態角度。

本發明的有益效果為：