[發明專利]一種四足仿生機器人的身體姿態斜坡自適應控制方法

有效

• 申請號: 202010783703.1
• 申請日: 2020-08-06
• 公開（公告）號: CN111891252B
• 公開（公告）日: 2021-11-05
• 發明（設計）人: 李彬;梁啟星;張慧;李志;劉偉龍;榮學文;范永
• 申請（專利權）人: 齊魯工業大學
• 主分類號: B62D57/032
• 分類號: B62D57/032;B25J9/08;B25J9/16
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 李琳

1.一種四足仿生機器人的身體姿態斜坡自適應控制方法，其特征是：包括以下步驟：

搭建仿生機器人機體與世界坐標系，將機器人建模為單個剛體，且在接觸點處受力，建立機器人動力學模型；

計算并跟蹤仿生機器人腿部在世界坐標系中的軌跡，并計算腿部關節力矩，考慮地面力控制過程中的關節力矩，利用模型預測控制確定最優控制軌跡；

根據得到的最優控制軌跡控制仿生機器人的運動；

獲取仿生機器人行走過程中此時刻的姿態參數，確定足端位置的坐標映射，調整機器人在斜坡上的重心位置；具體過程包括：

基于零力矩點的穩定條件，通過調節機器人足端位置，以實現機器人質心的調整，在動力學基礎上，根據機體坐標系、世界坐標系、軌跡規劃坐標系和斜面坐標系的關系，將依據軀干姿態信息進行足端位置的坐標映射，實現斜坡足端位置的調整適應；具體步驟為：

機體坐標系∑_A：原點G_A位于機器人機體重心，X_A軸指向機器人運動前方，Y_A軸指向機器人的左方，Z_A軸垂直于機體向上；

世界坐標系∑_B：Z_B軸垂直于水平面向上，X_B軸為X_A軸在水平面的垂直投影，Y_B的方向遵循右手螺旋準則；

軌跡規劃坐標系∑_M：其原點與∑_A原點重合，∑_M由∑_A旋轉而成；

斜面坐標系∑_C：原點為機器人重心在斜面的投影，∑_C由∑_M旋轉和平移得到；

由各坐標系間的關系得到：

^PHIPp_TOE＝R_y(θ_ad)R_x(ψ_ad)(^CHIPp_TOE+^Cp_HIP)+^MP_C-^MP_HIP (1)

其中^CHIPp_TOE為坐標系∑_C中足端相對于髖關節的位置，^PHIPp_TOE為坐標系∑_M中足端相對于髖關節的位置，^Cp_HIP和^MP_HIP為坐標系∑_C和∑_M中髖關節相對于原點的位置，^MP_C為坐標系∑_C在坐標系∑_M的位置；θ_ad與ψ_ad為坐標系∑_M到∑_C旋轉中分別繞y軸、x軸的調整角；由坐標系間的關系可得：

其中，^AHIPp_TOE為坐標系∑_A中足端相對于髖關節的位置，^MP_B為坐標系∑_B在坐標系∑_M的位置，^AP_HIP為坐標系∑_A中髖關節的位置；θ_ref與ψ_ref分別表示坐標系∑_M到∑_A旋轉中繞z軸、y軸和x軸的扭轉角、俯仰角與橫滾角；

四足機器人爬坡時，支撐位置調整和軀干

姿態調整相結合，令

θ_ad＝θ_ref＝θ_IMU

ψ_ad＝ψ_ref＝ψ_IMU

其中，θ_IMU為固定于軀干的慣性測量單元(IMU)測得的俯仰角，ψ_IMU為測得的橫滾角；

式(1)和式(2)結合并簡化為：

^AHIPp_TOE＝^CHIPp_TOE+R_x(-ψ_IMU)R_y(-θ_IMU)^MP_C

其中，^Mp_C＝[0 0 -H]^T，是保持∑_C原點在∑_M中的坐標系為常向量，H為站立時的質心高度，^CHIPP_TOE為坐標系∑_C中足端相對于髖關節的位置；

設置一虛擬斜坡，根據機器人此時刻姿態參數中軀干俯仰角度，計算當前狀態下虛擬斜坡的角度，將此角度作為下一時刻機器人俯仰角的調整值，不斷調整機器人的姿態，直到虛擬斜坡角度、軀干俯仰角和實際斜坡角度三者相等具體算法為：

p＝(L+Δ_F+Δ_H)cosα (31)

β’＝α＝β(33)

式(31)中，p為前后兩足端在水平地面上的投影，L為機器人軀干長度，Δ_F為機器人前腿足端相對于前腿髖關節的位移，α為IMU實時測得的機體俯仰角；式(32)中，β’為前后足端所成虛擬斜坡的角度，h為機器人前后足端的高度差，由狀態估計器得到；

其中參數k與機器人的關節力控、狀態估計值、行走速度和地面材料特性有關；式(32)重寫為