[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

本公開提供了一種四足仿生機器人的身體姿態斜坡自適應控制方法，本公開在模型預測控制下實現最優足底力分配與足端落地預測；由身體姿態斜坡自適應算法實現機器人爬坡時的姿態調整，從而可以實現機器人對斜坡地形環境的感知，實現機器人在斜坡地形的姿態自適應調整和穩定運動行走，不需要利用機器人的視覺感知信息。

技術領域

本公開屬于機器人姿態控制技術領域，涉及一種四足仿生機器人的身體姿態斜坡自適應控制方法。

背景技術

本部分的陳述僅僅是提供了與本公開相關的背景技術信息，不必然構成在先技術。

當前，仿生機器人逐漸從實驗室走向作業場地，其高動態性、復雜環境適應性和大負載能力顯著提高。為了完成給定作業任務，機器人一般都是采用某種單一的地形適應模式，這顯著降低了機器人對各種不同復雜環境的應變能力。在自然界中四足哺乳動物可以根據不同環境狀況進行姿態的自適應調整，以提高機器人運動過程的穩定和對復雜環境的自適應性。因此，模仿自然界四足哺乳動物對復雜環境的強適應性，提高機器人的復雜環境的人機交互能力，需要研究機器人在有坡度地形下的姿態自適應調整策略和方法。

最近幾年，模型預測控制(Model Predictive Control，MPC)逐漸運用到了四足機器人的穩定運動控制中，取得了較好的運動控制效果，使得越來越多的學者對模型預測控制進行深入研究。這些研究成果都對模型預測控制的應用與擴展，實現了機器人足端位置、足底力控制的優化與求解。但據發明人了解，其對復雜路面的適應性相對不高，沒有考慮如何將地形信息引入到機器人的姿態運動控制中，以提高機器人運動過程中的穩定裕度，更好地提高機器人對斜坡等崎嶇地形環境的適應性。

同時，現有文獻大都在靜步態或者基于視覺信息的條件下實現的坡面自適應調整，導致機器人運動速度降低，斜坡行走不夠穩定，或增加了處理視覺信息的工作量。

發明內容

本公開為了解決上述問題，提出了一種四足仿生機器人的身體姿態斜坡自適應控制方法，本公開在模型預測控制下實現最優足底力分配與足端落地預測；由身體姿態斜坡自適應算法實現機器人爬坡時的姿態調整，從而可以實現機器人對斜坡地形環境的感知，實現機器人在斜坡地形的姿態自適應調整和穩定運動行走，不需要利用機器人的視覺感知信息。

根據一些實施例，本公開采用如下技術方案：

一種四足仿生機器人的身體姿態斜坡自適應控制方法，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；

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。

作為可選擇的實施方式，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的具體過程包括：

搭建四足機器人機體與世界坐標系，使該模型把機器人建模為單個剛體，且在接觸點處受力，根據每條腿受到的地面反力，機器人各個腿在地面的接觸點位于機體坐標系的位置，確定機器人受到的重力與地面反作用力；

根據角動量與轉矩之間的關系，計算機器人在世界坐標系下的慣性張量。