[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

本發明涉及一種四足機器人行走與對角步態運動控制方法，其包括以下步驟，步驟一：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；步驟二：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；步驟三：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；步驟四：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。本發明提出的運動控制方法利用離散化方法建立預觀時域離散狀態方程；將四足機器人步態模式與雙足機器人步態模式進行映射，引入線性約束域對機器人運動進行處理；解決機器人行走和小跑步態的運動控制問題，具有高魯棒性。

技術領域

本申請涉及機器人技術領域，具體地涉及一種四足機器人行走與對角步態運動控制方法。

背景技術

四足步行機器人是機器人的一個重要分支，四足機器人比兩足步行機器人承載能力強、穩定性好，又比六足、八足步行機器人結構簡單，但四足機器人屬于典型的高維度，非線性系統，具有強非線性，離散動力學等問題，所以設計機器人步態算法以保證機器人在不平坦地形中能夠穩定的移動，對外界擾動具有較強的魯棒性是步態生成及優化方法中的關鍵。

目前，對于四足機器人在行走步態規劃和穩定控制算法的研究大多集中在基于動力學模型、基于跟蹤控制的步態控制方法、基于智能算法的步態控制方法等方面，基于動力學模型的步態控制方法往往需要復雜的軌跡規劃及運算求解，基于跟蹤控制的步態控制方法速度慢且適用的步態形式少，基于智能算法的步態控制方法需要經過大量的樣本數據訓練，計算量大。因此，需要一種能夠在線規劃、不簡化及忽略雙足機器人全身動力學因素的相互耦合、結構簡單、計算量小、魯棒性高并適用于雙足和四足機器人的步態生成及優化方法。

發明內容

為了克服現有技術的不足，本發明提出的運動控制方法利用低維點質量模型抽象機器人整機動力學，通過離散化方法預測整段時間內廣義離散狀態方程；將四足機器人步態模式與雙足機器人步態模式進行映射，引入線性約束域對四足機器人運動步態統一化處理；能夠同時解決四足機器人行走和小跑步態的運動控制問題。

為實現上述目的，本發明所采用的解決方案為：

一種四足機器人行走與對角步態運動控制方法，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：