一种四足机器人站姿转换的平衡控制方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种四足机器人站姿转换的平衡控制方法及系统，该方法包括：基于三阶倒立摆新构型构建动力学模型；构建状态空间方程；构建四足机器人控制器；获取四足机器人实际肩关节、髋关节和踝关节的角度和角速度；结合肩关节和髋关节的期望角度得到肩关节、髋关节、踝关节的反馈角度和反馈角速度；得到对应的实际控制力矩；更新肩关节和髋关节的期望角度，实现站姿转换。该系统包括：动力学方程模块、状态空间方程模块、控制器模块、实际姿态模块、反馈模块、实际控制力矩模块和姿态更新模块。本发明专利技术只需控制较少的关节即可实现整套动作的控制。本发明专利技术作为一种四足机器人站姿转换的平衡控制方法及系统，可广泛应用于机器人控制领域。

【技术实现步骤摘要】
一种四足机器人站姿转换的平衡控制方法及系统
本专利技术属于机器人控制领域，尤其涉及一种四足机器人站姿转换的平衡控制方法及系统。
技术介绍
四足机器人可以很好地适应非结构化的恶劣环境，可满足军事侦察、资源探勘以及抢险救灾等多种用途需求。但其在非结构化作业环境下，有时候需要根据不同的地形，切换不同的站姿步态。然而，四足机器人大多是点足接触，接触面积小，在站立姿态转换的过程保持平衡较为困难，目前对于四足机器人的站姿平衡控制方法，多是涉及机器人在不同的行进步态下的四足平衡状态，很少涉及站姿转换过程中(四足到双足的转换)的平衡控制。现有的对于四足机器人的站姿转换方法，结合了传统的坐标转换和ZMP(零力矩点法)，但是ZMP在计算的时候局限于平面接触面，当机器人在松软、崎岖的地形工作时，ZMP的运用较为有限，且机器人构型复杂，传统的坐标转换方法需要大量的计算，不利于下一步的控制器设计。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术的目的是提供一种四足机器人站姿转换的平衡控制方法及系统，通过把找到的关系路径作为特征来学习目标关系，实现知识图谱补全的方法。本专利技术所采用的第一技术方案是：一种四足机器人站姿转换的平衡控制方法，包括以下步骤：基于预设的三阶倒立摆新构型构建动力学模型；根据动力学模型得到状态空间方程并简化，得到简化后的状态空间方程；基于简化后的状态空间方程构建四足机器人控制器；基于传感器获取四足机器人实际肩关节、髋关节和踝关节的角度和角速度；将实际肩关节、髋关节和踝关节三个关节的角度和角速度结合肩关节和髋关节的期望角度输入到控制器，并得到肩关节、髋关节、踝关节的反馈角度和反馈角速度；根据肩关节、髋关节、踝关节的反馈角度和角速度，得到对应的实际控制力矩；根据对应的实际控制力矩和按时间更新肩关节和髋关节的期望角度，实现站姿转换。进一步，所述预设的三阶倒立摆新构型包括模拟四足机器人前肢的上摆、模拟躯干的中摆和模拟后肢的下摆。进一步，所述基于预设的三阶倒立摆新构型构建动力学模型并得到状态空间方程这一步骤，其具体包括：根据预设的三阶倒立摆新构型的上摆的受力情况和肩关节处的力矩平衡方程，得到上摆动力学模型；根据预设的三阶倒立摆新构型的中摆的力学方程和髋关节处的力矩平衡方程，得到中摆动力学模型；根据预设的三阶倒立摆新构型的下摆的力学方程，得到下摆动力学模块。进一步，所述上摆动力学模型表达式如下：上式中，Mm表示中摆的质量，Jm表示中摆的理想转动惯量，θm表示髋关节对应的角度，F2表示髋关节处产生的横向力，Tact2表示在髋关节处施加的主动力矩。进一步，所述中摆动力学模型表达式如下：上式中，Ml表示下摆的质量，Jl表示下摆的理想转动惯量，θl表示踝关节对应的角度。进一步，所述下摆动力学模型表达如下：上式中，状态变量为θu，θm，θl，系统输入为Tact1和Tact2。其中节对应的角速度，表示髋关节对应的角速度，表示踝关节对应的角速度，Pu1，Pu2，Pm1，Pm2，Pm3，Pm4，Pm5，Pl1，Pl2，Pl3，Pl4，Pl5表示根据上述的动力学方程联立得出的对应状态变量和输入的权值。系统输出为θc，表示系统组合质心相对于踝关节的夹角，K1，K2，K3表示根据组合质心公式，三个角度分别对应的权值。进一步，所述状态空间方程表达式如下：下式中，状态变量为θu，θm，θl，系统输入为Tact1和Tact2。其中表示肩关节对应的角速度，表示髋关节对应的角速度，表示踝关节对应的角速度，Pu1，Pu2，Pm1，Pm2，Pm3，Pm4，Pm5，Pl1，Pl2，Pl3，Pl4，Pl5表示根据上述的动力学方程联立得出的对应状态变量和输入的权值。系统输出为θc，表示系统组合质心相对于踝关节的夹角，K1，K2，K3表示根据组合质心公式，三个角度分别对应的权值。进一步，所述简化后的状态空间方程表达式如下：上式中，x1＝[θuθmθl]T为角度值，为角速度值，u表示系统输入，K＝[K3K2K1]，表示角速度值，表示角加速度值，进一步，所述控制器的控制信号表达式如下：上式中，K11和K12表示状态反馈增益，calibration_matrix为针对误差e的修正矩阵。本专利技术所采用的第二技术方案是：一种四足机器人站姿转换的平衡控制方法系统，包括以下模块：动力学方程模块，用于基于预设的三阶倒立摆新构型构建动力学模型；状态空间方程模块，用于根据动力学模型得到状态空间方程并简化，得到简化后的状态空间方程；控制器模块，用于基于简化后的状态空间方程构建四足机器人控制器；实际姿态模块，用于基于传感器获取四足机器人实际肩关节、髋关节和踝关节的角度和角速度；反馈模块，用于将实际肩关节、髋关节和踝关节三个关节的角度和角速度结合肩关节和髋关节的期望角度输入到控制器，并得到肩关节、髋关节、踝关节的反馈角度和反馈角速度；实际控制力矩模块，用于根据肩关节、髋关节、踝关节的反馈角度和角速度，得到对应的实际控制力矩；姿态更新模块，用于根据对应的实际控制力矩和按时间更新肩关节和髋关节的期望角度，实现站姿转换。本专利技术方法及系统的有益效果是：本专利技术本专利技术将四足机器人的站姿转换过程简化为了一种特殊的三阶倒立摆模型，与传统的坐标转换方法相比，简化了动力学分析。分阶段设计控制器，可以有效地自由配置倒立摆的摆起方式，同时当倒立摆处于稳定状态时，对于外界的未知有界扰动有着很好的鲁棒性。附图说明图1是本专利技术具体实施例一种四足机器人站姿转换的平衡控制方法的步骤流程图；图2是本专利技术具体实施例一种四足机器人站姿转换的平衡控制系统的结构框图；图3是本专利技术具体实施例预设的三阶倒立摆新构型的示意图；图4是本专利技术具体实施例站姿转换的控制流程图；图5是本专利技术具体实施例预设的三阶倒立摆新构型与实际四足机器人的站姿映射图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。如图1所示，本专利技术提供了一种四足机器人站姿转换的平衡控制方法，该方法包括以下步骤：S1、基于预设的三阶倒立摆新构型构建动力学模型；S2、根据动力学模型得到状态空间方程并简化，得到简化后的状态空间方程；S3、基于简化后的状态空间方程构建四足机器人控制器；S4、基于传感器获取四足机器人实际肩关节、髋关节和踝关节的角度和角速度；S5、将实际肩关节、髋关节和踝关节三个关节的角度和角速度结合肩关节和髋关节的期望角度输入到控制器，并得到肩关本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种四足机器人站姿转换的平衡控制方法，其特征在于，包括以下步骤：/n基于预设的三阶倒立摆新构型构建动力学模型；/n根据动力学模型得到状态空间方程并简化，得到简化后的状态空间方程；/n基于简化后的状态空间方程构建四足机器人控制器；/n基于传感器获取四足机器人实际肩关节、髋关节和踝关节的角度和角速度；/n将实际肩关节、髋关节和踝关节三个关节的角度和角速度结合肩关节和髋关节的期望角度输入到控制器，并得到肩关节、髋关节、踝关节的反馈角度和反馈角速度；/n根据肩关节、髋关节、踝关节的反馈角度和角速度，得到对应的实际控制力矩；/n根据对应的实际控制力矩和按时间更新肩关节和髋关节的期望角度，实现站姿转换。/n

【技术特征摘要】
1.一种四足机器人站姿转换的平衡控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
基于预设的三阶倒立摆新构型构建动力学模型；
根据动力学模型得到状态空间方程并简化，得到简化后的状态空间方程；
基于简化后的状态空间方程构建四足机器人控制器；
基于传感器获取四足机器人实际肩关节、髋关节和踝关节的角度和角速度；
将实际肩关节、髋关节和踝关节三个关节的角度和角速度结合肩关节和髋关节的期望角度输入到控制器，并得到肩关节、髋关节、踝关节的反馈角度和反馈角速度；
根据肩关节、髋关节、踝关节的反馈角度和角速度，得到对应的实际控制力矩；
根据对应的实际控制力矩和按时间更新肩关节和髋关节的期望角度，实现站姿转换。


2.根据权利要求1所述一种四足机器人站姿转换的平衡控制方法，其特征在于，所述预设的三阶倒立摆新构型包括模拟四足机器人前肢的上摆、模拟躯干的中摆和模拟后肢的下摆。


3.根据权利要求2所述一种四足机器人站姿转换的平衡控制方法，其特征在于，所述基于预设的三阶倒立摆新构型构建动力学模型这一步骤，其具体包括：
根据预设的三阶倒立摆新构型的上摆的受力情况和肩关节处的力矩平衡方程，得到上摆动力学模型；
根据预设的三阶倒立摆新构型的中摆的力学方程和髋关节处的力矩平衡方程，得到中摆动力学模型；
根据预设的三阶倒立摆新构型的下摆的力学方程，得到下摆动力学模块。


4.根据权利要求3所述一种四足机器人站姿转换的平衡控制方法，其特征在于，所述上摆动力学模型表达式如下：



上式中，Mu表示上摆的质量，lu表示上摆长度，lm表示中摆长度，ll表示下摆长度，Ju表示上摆的理想转动惯量，θu表示肩关节对应的角度，F1表示肩关节处产生的横向力，Tact1表示在肩关节处施加的主动力矩，g表示表示地球重力加速度，表示肩关节对应的角加速度，表示表示髋关节对应的角加速度，表示表示踝关节对应的角加速度。


5.根据权利要求4所述一种四足机器人站姿转换的平衡控制方法，其特征在于，所述中摆动力学模型表达式如下：



上式中，Mm表示中摆的质量，Jm表示中摆的理想转动惯量，θm表示髋关节对应的角度，F2表示髋关节处产生的横向力，Tact2表示在髋关节处施加的主动力矩。


6.根据权利要求5所述一种四足机器人站姿转换的平衡控制方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁北辰，辜宏博，古博，韩瑜，李雪芳，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东;44