基于三维空间中步态调整的四足机器人平衡稳定控制方法技术

一种基于三维空间中步态调整的四足机器人平衡稳定控制方法，对四足机器人建立基于躯干的移动坐标系和基于髋关节的局部坐标系，采集四足机器人的躯干俯仰角度、俯仰角速度、横滚角度及横滚角速度，从而得到四足机器人的当前躯干姿态；将四足机器人的当前躯干姿态与给定的躯干姿态比较并通过弹簧负载倒立摆模型计算，折算出四足机器人的落足点步态，调整四足机器人在坐标系的落足点，从而维持其躯干横滚角和俯仰角的稳定。该方法保证四足机器人在维持正常运动目标下能主动对外界侧向冲击、崎岖地形等作出调整维持稳定行走，在保持运动目标的情况下自动调整步态来实现稳定运动下的抗扰抑制，防止倾倒侧翻。

A balanced and stable control method for Quadruped Robot Based on gait adjustment in three-dimensional space

【技术实现步骤摘要】
基于三维空间中步态调整的四足机器人平衡稳定控制方法
本专利技术涉及一种用于维持躯干俯仰角、横滚角稳定的四足机器人躯干平衡稳定的控制方法，属于四足机器人稳定控制

技术介绍
现有的车辆在崎岖度大或者复杂多变地形环境的应用受到很大的限制，比如地面出现间断的沟壑或者砂石地、泥土地等都可能造成车辆通行障碍。对此腿足式动物的运动对地面的需求只有点接触不需要连续的地面，而且多自由度的腿足有更大的灵活性，对复杂的地形有更强的适应能力，所以结合腿足特点的足式车辆具有广阔的应用前景。目前足式车辆仅限制在人为控制下的实现规划好动作的移动，对复杂的环境的适应或者外界侧向冲击造成的倾翻没有主动的姿态调整，然而四足机器人在行进过程中，不可避免存在环境与自身机构不确定性，这些情况会对四足机器人的运动产生扰动，使得预先规划好的重心轨迹与摆动腿轨迹难以取得良好的效果。足式车辆的平衡稳定问题对其更好的适应环境提高复杂地面运动能力和抗击扰动具有重要意义。
技术实现思路
针对现有足式车辆的平衡稳定问题，本专利技术提供一种实现四足机器人的平衡控制、防止倾倒侧翻等情况的基于三维空间中步态调整的四足机器人平衡稳定控制方法。本专利技术的基于三维空间中步态调整的四足机器人平衡稳定控制方法，是：对四足机器人建立基于躯干的移动坐标系和基于髋关节的局部坐标系，所述四足机器人的腿部结构至少需要三自由度；采集四足机器人的躯干俯仰角度、俯仰角速度、横滚角度及横滚角速度，从而得到四足机器人的当前躯干姿态；将四足机器人的当前躯干姿态与给定的躯干姿态(俯仰角和横滚角)比较并通过弹簧负载倒立摆模型计算，折算出四足机器人的落足点步态，调整四足机器人在坐标系的落足点，从而维持其躯干横滚角和俯仰角的稳定。所述采集频率为100hz。所述弹簧负载倒立摆模型计算，折算出四足机器人的落足点的过程是：①通过摆动相负责z方向上抬腿高度控制以及摆动过程中xy方向落足点控制；通过支撑相负责姿态控制维持躯干的平衡，包括维持z方向的高度稳定，维持目标速度的xy方向的控制；支撑相的足端计算公式：其中xs0表示支撑相x方向初始位置，表示x方向目标速度，kproll表示横滚姿态调节的比例环节系数，kdroll表示横滚姿态调节的微分环节系数，θroll表示采集的躯干当前横滚角，θroll_d表示躯干目标横滚角度；表示采集的躯干当前横滚角速度；表示躯干目标横滚角速度；表示y方向目标速度，kppitch表示俯仰角闭环参数，kdpitch表示俯仰角速度闭环参数；z0表示z方向初始高度；θpitch表示采集的躯干当前俯仰角度；θpitch_d表示躯干目标俯仰角度；表示采集的躯干当前俯仰角速度；表示躯干目标俯仰角速度；摆动相控制目标总结为：其中Tf表示摆动相时间周期，xf0表示摆动相初始x方向位置，表示摆动相初始x方向速度，表示摆动相初始x方向加速度，xfT表示摆动相结束时x方向目标位置，表示摆动相结束时x方向目标速度，zf0表示摆动相初始z方向位置，zfT表示摆动相结束时z方向目标位置，H表示目标抬腿高度；其中：kxv为x方向速度跟随参数(取值范围：[0.01,0.2])；②通过以上目标规划得到5次函数构成的x方向步态规划和y方向步态规划，并得到4次函数构成的z方向控制方法；其中：kxv表示x方向速度跟随参数；kyv表示y方向速度跟随参数。所述kproll的取值范围为[0.001,0.3])，kdroll的取值范围为[0.001,0.03])，kppitch的取值范围为[0.02,0.4])，kdpitch的取值范围为[0,0.03])；kxv的取值范围为[0.01,0.2]。对所述四足机器人的每个足端相对于髋关节的步态轨迹，维持躯干平衡修正的是xy平面的落足点，z方向的轨迹负责抬腿高度和支撑躯干维持恒定高度。上述控制方法在相类似拓扑结构的移动平台上都可以实现稳定性控制，针对不同平台需要调剂的参数，包括：kxv，x方向速度跟随参数；kyv，y方向速度跟随参数；kppitch，俯仰角闭环参数；kdpitch，俯仰角速度闭环参数；kproll，横滚姿态调节的比例环节系数；kdroll：横滚姿态调节的微分环节系数。上述方法利用机器人运动目标参数和姿态的反馈来规划足端轨迹，在保持运动目标的情况下自动调整步态来实现稳定运动下的抗扰抑制，防止其倾倒侧翻等情况。本专利技术利用垂直陀螺系统采集车辆躯干倾角，通过弹簧倒立摆模型计算步态调整量，提高四足机器人在复杂地形和扰动下的适应能力，维持四足机器人前后及左右倾翻，保证四足机器人在维持正常运动目标下能主动对外界侧向冲击、崎岖地形等作出调整维持稳定行走。附图说明图1是四足机器人的坐标定义及俯仰角度和横滚角度说明示意图。图2是四足机器人等效弹簧负载倒立摆模型示意图。图3是侧向冲击与恢复仿真截图。图4是侧向冲击与恢复实验图。具体实施方式本专利技术基于三维空间中步态调整四足机器人稳定控制，该方法保证四足机器人在维持正常运动目标下能主动对外界侧向冲击、崎岖地形等作出调整维持稳定行走。该方法的具体过程如下所述。对四足机器人建立基于躯干的移动坐标系和基于髋关节的局部坐标系，如图1所示，由此对四足机器人的运动进行描述。通过VG传感器采集四足机器人的躯干俯仰角度、俯仰角速度、横滚角度和横滚角速度。采集频率为100hz。将传感器采集到的当前四足机器人的躯干姿态与与给定的躯干角度比较并通过弹簧负载倒立摆模型计算折算出四足机器人的落足点步态，调整四足机器人在坐标系的落足点从而维持其躯干横滚角和俯仰角的稳定。弹簧负载倒立摆模型如图2。弹簧负载倒立摆模型计算落足点的公式分为支撑相公式和摆动相公式。摆动相负责z方向上抬腿高度控制、摆动过程中xy方向落足点控制；支撑相负责机器人姿态控制维持躯干的平衡，包括维持z方向的高度稳定，维持目标速度的xy方向的控制。支撑相的足端计算公式：zs(t)＝z0，其中xs0表示支撑相x方向初始位置，表示x方向目标速度，kproll表示横滚姿态调节的比例环节系数(参数取值范围：[0.001,0.3])，kdroll表示横滚姿态调节的微分环节系数(参数取值范围：[0.001,0.03])，θroll表示采集的躯干当前横滚角，θroll_d表示躯干目标横滚角度；表示采集的躯干当前横滚角速度；表示躯干目标横滚角速度；表示y方向目标速度，kppitch表示俯仰角闭环参数(参数取值范围：[0.02,0.4])，kdpitch表示俯仰角速度闭环参数(参数取值范围：[0,0.03])；z0表示z方向初始高度；θpitch表示采集的躯干当前俯仰角；θpitch_d表示躯干目标俯仰角度；表示采集的躯干当前俯仰角速度；表示躯干目标俯仰角速度。摆动相控制目标总结为：用xf(t),分别表示x方向的目标位置、速度、加速度随时间的关系，Zf(t),分别表示z方向的目标位置、速度、加速度随时间的关系，其中Tf表示摆动相时间周期，xf0表示摆动相初始x方向位置，表示摆动相初始x方向速度，表示摆动相初始x方向加速度，xfT表示摆动相结束时x方向目标位置，表示摆动相结束时x方向目标速度。zf0表示摆动相初始z方向位置，H表示目标抬腿高度。通过以上目标规划得到5次函数构成的x方向步态规划和y方向步态规划，以及4次函数构本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于三维空间中步态调整的四足机器人平衡稳定控制方法，其特征是：对四足机器人建立基于躯干的移动坐标系和基于髋关节的局部坐标系，所述四足机器人的腿部结构至少需要三自由度；采集四足机器人的躯干俯仰角度、俯仰角速度、横滚角度及横滚角速度，从而得到四足机器人的当前躯干姿态；将四足机器人的当前躯干姿态与给定的躯干姿态比较并通过弹簧负载倒立摆模型计算，折算出四足机器人的落足点步态，调整四足机器人在坐标系的落足点，从而维持其躯干横滚角和俯仰角的稳定。

【技术特征摘要】
1.一种基于三维空间中步态调整的四足机器人平衡稳定控制方法，其特征是：对四足机器人建立基于躯干的移动坐标系和基于髋关节的局部坐标系，所述四足机器人的腿部结构至少需要三自由度；采集四足机器人的躯干俯仰角度、俯仰角速度、横滚角度及横滚角速度，从而得到四足机器人的当前躯干姿态；将四足机器人的当前躯干姿态与给定的躯干姿态比较并通过弹簧负载倒立摆模型计算，折算出四足机器人的落足点步态，调整四足机器人在坐标系的落足点，从而维持其躯干横滚角和俯仰角的稳定。2.根据权利要求1所述的基于三维空间中步态调整的四足机器人平衡稳定控制方法，其特征是：所述采集频率为100hz。3.根据权利要求1所述的基于三维空间中步态调整的四足机器人平衡稳定控制方法，其特征是：所述弹簧负载倒立摆模型计算，折算出四足机器人的落足点的过程是：①通过摆动相负责z方向上抬腿高度控制以及摆动过程中xy方向落足点控制；通过支撑相负责姿态控制维持躯干的平衡，包括维持z方向的高度稳定，维持目标速度的xy方向的控制；支撑相的足端计算公式：zs(t)＝z0，其中xs0表示支撑相x方向初始位置，表示x方向目标速度，kproll表示横滚姿态调节的比例环节系数，kdroll表示横滚姿态调节的微分环节系数，θroll表示采集的躯干当前横滚角，θroll_d表示躯干目标横滚角度；表示采集的躯干当前横滚角速度；表示躯干目标横滚角速度；表示y方向目标速度，kppitch表示俯仰角闭环参数，kdpitch表示俯仰角速度闭环参数；z0表示z方向初始高度；θpitch表示采集的躯干当前俯仰角度；θpitch_d表示躯干目标俯仰角度；表示采集的躯干当前俯仰角速度；表示躯干目标俯仰角速度；摆动相控制目标总结为：

【专利技术属性】
技术研发人员：李贻斌，辛元昊，陈腾，柴汇，杨琨，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37