[發明專利]四足機器人在變剛度地形穩定過渡的腿部主動調節方法

有效

• 申請號: 202110199285.6
• 申請日: 2021-02-22
• 公開（公告）號: CN112987769B
• 公開（公告）日: 2022-07-05
• 發明（設計）人: 劉清宇;袁兵;劉帥;周詩洋
• 申請（專利權）人: 武漢科技大學
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 羅敏清

本發明提供一種四足機器人在變剛度地形穩定過渡的腿部主動調節方法，包括：在以對角步態著地時，根據機器人機身偏移角度調整機器人對角腿的等效長度，使得機身平衡；在騰空狀態下，通過規劃機器人的落足點位置來控制腿部的擺動角度實現對前向速度控制；在騰空著地時，將機器人對角腿的等效剛度補償到腿部的主動變剛度計算中以調節等效腿長，從而實現對機體俯仰姿態的糾正；對著地相姿態反饋控制，再根據機器人著地機身的變化實時調整機器人虛擬彈簧剛度變化，獲取更好平衡效果；在下一個跳躍周期開始通過增加機器人腿部電機功率為機器人的跳躍提供額外的能量補償。本發明簡單有效地解決了機器人在軟硬度不同地面的情況下行走而不易摔倒的問題。

技術領域

本發明屬于四足機器人運動研究的技術領域，具體涉及一種四足機器人在變剛度地形穩定過渡的腿部主動調節方法。

背景技術

相比大多數的輪式和履帶式移動機器人，足式仿生機器人在非結構環境下的適應能力更強。其中的四足機器人在穩定性、動態性能和控制難易程度等評價因素綜合來看優勢明顯，因此在家庭服務、災難救援等領域的應用前景受到研究學者們的廣泛關注

然而，地表條件復雜多樣，在這種環境下要順利實現四足機器人在多樣化地面穩定過渡往往不易。Will Bosworth等人通過Super Mini Cheetah機器人在軟硬地面間的動態跳躍實驗，并原地測量地面阻抗和摩擦力以提高在未知多變地形下的動態運動性能，發現從硬質到軟性表面的過渡需要實時的地面特性測量和控制器的自適應。同時，不同環境條件下的剛度和阻尼并非一致，當四足機器人前腿踏入軟性地面(如草地)上，后腿處于硬質路面(如柏油馬路)，此時前后兩足端所處地面剛度差異明顯，如果不進行適當的調整，機器人會因這種差異導致自身姿態的傾斜甚至翻倒。

對于如何保證四足機器人在復雜地形上姿態平穩這一問題，學術界普遍采用的方法有以下三種。一種是基于零力矩點(簡稱ZMP)。周坤等人基于ZMP的穩態判據對爬行步態進行了規劃，通過擺動腿的落地感知未知地形的高度和坡度參數信息，實時調整各支撐腿長用以調整質心高度和機身姿態，實現了對未知復雜地形的自適應穩定行走。但是當四足機器人以快速對角小跑等中高速步態行進時，有時會出現只有兩條腿著地甚至四足同時騰空無法滿足支撐多邊形的情況。第二種是采用中樞模式發生器(CPG)的方法，借鑒四足動物的節律運動。韋中等人利用仿生的脊柱結構，提出一種適用于粗糙可變地形的對角小跑運動控制策略，并基于CPG的原理，感知機器人本體狀態和足端接觸力對所規劃的步態進行調節。但基于CPG的方法通常對參數依賴性過強，控制器設計復雜，且多應用于靜步態。第三種是采用柔順的腿部關節機構以應對外界環境變化。Kevin C.Galloway等人首次通過實驗證明被動變剛度腿部順應性可以提高自主動態運行機器人移動速度和效率，以適應地形和有效載荷的變化。Edin Koco等人設計了一種用于變剛度地形的四足機器人腿部可變被動順應單元(VPC)，該單元以閉環的方式改變腿部剛度，用以適應變化的地形特征，確保在大范圍的地形剛度變化中保持恒定的跳頻。(Christie M D，Sun S，Ning D H，et al.A highlystiffness-adjustable robot leg for enhancing locomotiveperformance.Mechanical Systems and Signal Processing，2019，126(JUL.1)：458)文章中采用滾動彈簧加載倒立擺(R-SLIP)形態學的方法，提出了一種磁流變流體中心(MRF)可變剛度腿，以及張小俊等人設計的一種基于主被動變剛度柔性關節(apVSJ)等。然而使用變剛度柔性關節的方法往往容易使腿部慣量和整體結構尺寸偏大，影響機器人的動態響應性能。