[發明專利]四足機器人行走與對角步態運動控制方法

在審

• 申請號: 202211034456.0
• 申請日: 2022-08-26
• 公開（公告）號: CN115373269A
• 公開（公告）日: 2022-11-22
• 發明（設計）人: 史亞鵬;王源;陳馨;宋顏和;劉桂江;陳春昊;高賓;曹瑞康;俞濱;巴凱先
• 申請（專利權）人: 燕山大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04;B62D57/032
• 代理公司: 北京孚睿灣知識產權代理事務所(普通合伙) 11474
• 代理人: 韓燕

1.一種四足機器人行走與對角步態運動控制方法，其特征在于，其包括以下步驟：

步驟1：利用低維點質量模型模擬四足機器人運動，用離散化方法建立預觀時域運動過程的離散狀態方程；

采用低維點質量模型模擬四足機器人運動，并用狀態空間方程表示點質量模型，并通過線性化將點質量模型等效為線性倒立擺模型，進一步轉化為離散時間狀態空間表達式，最終對離散時間狀態空間模型進行遞歸，推導出質心位置、質心速度、質心加速度、質心加加速度和質心壓力中心位置的離散狀態方程；

步驟2：通過線性約束域處理四足機器人行走和小跑步態，確定優化區間；

將四足機器人步態模式與雙足機器人步態模式進行映射，通過線性約束域對四足機器人行走和小跑步態進行統一化處理；根據線性約束域確定的優化區間如下所示：

式中：p_f0表示當前落足點位置；Δx和Δy分別表示橫坐標方向和縱坐標方向的壓力中心設定范圍；X_cop和Y_cop分別表示橫坐標方向和縱坐標方向機器人的壓力中心；和分別表示橫坐標方向和縱坐標方向機器人的狀態向量；p_zu和p_zs分別為機器人壓力中心的控制和狀態系數矩陣；和分別表示橫坐標方向和縱坐標方向的質心加加速度；

步驟3：建立預觀時域內機器人步態運動控制模型的性能指標評價函數，求解機器人的期望落足點和質心位置；

基于橫坐標方向和縱坐標方向系統狀態變量的不相關性，定義質心速度跟蹤、壓力中心跟蹤與控制輸入最小的性能指標評價函數；預觀時域內橫坐標方向和縱坐標方向的性能指標評價函數如下所示：

式中：X和Y分別表示橫坐標方向和縱坐標方向；J_X/Y表示性能評價指標函數；ω₁表示質心速度跟蹤權重系數；ω₂表示壓力中心跟蹤權重系數；ω₃表示質心加加速度跟蹤權重系數；表示k+1時刻的質心速度向量；表示k+1時刻的期望質心速度狀態向量；X/Y_cop(k+1)表示k+1時刻的壓力中心狀態向量；表示k+1時刻的期望壓力中心狀態向量；U_X/Y(k)表示k時刻的狀態方程的控制輸入向量；

步驟4：根據機器人的期望落足點和質心位置，實現四足機器人運動控制；

獲取步驟3中期望質心位置和期望落足點位置，確定線性預測控制模型，根據步驟2確定的優化區間，進一步通過正則凸二次規劃方法，構建性能指標評價函數的最優化模型，如下所示：

式中：U_p表示狀態方程的待優化向量；U_p^T表示狀態方程的待優化向量的轉置；H表示海森矩陣；f^T表示性能指標的一次項函數；C表示不等式系數矩陣；c表示不等式設定系數；U_l和U_u表示狀態方程控制輸入向量下極限和上極限；

其中，狀態方程的待優化變量具體如下所示：

U_p＝[U_X/Y(k)^T P_X/Y(k)^T]^T；

式中：P_X/Y(k)表示預觀時域內落足點位置；

根據狀態方程的控制輸入向量和預觀時域內落足點位置實現四足機器人的運動控制。