一种四足机器人运动控制方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种四足机器人运动控制方法及系统，方法包括：从分度表中选取所述初始底层控制参数对应的四肢的地面反力Fi；基于所述待执行的运动模态对应的初始底层控制参数计算第i足端位置到质心位置的向量ri；将Fi和ri输入四足机器人的动力学模型中进行参数优化，获得最优底层控制参数；基于所述最优底层控制参数确定不同步态模式下四肢八个关节处的驱动角度；计算腰部两个关节处的驱动角度；基于各关节处的驱动角度驱动机器人的各个关节。本发明专利技术公开的方案在无传感信息下对微小型四足机器人进行开环的多模态运动控制，具有较高的环境鲁棒性，同时能够根据不同环境实时调整步态轨迹和关节角度。态轨迹和关节角度。态轨迹和关节角度。

【技术实现步骤摘要】
一种四足机器人运动控制方法及系统


[0001]本专利技术涉及机器人运动控制
，特别是涉及一种四足机器人运动控制方法及系统。

技术介绍

[0002]足式机器人能够跨越障碍，几乎可以适应各种复杂地形，拥有广阔的市场应用前景。但现阶段微小型四足机器人作为四足机器人领域内研究较少且较为复杂的研究方向，人们对于微小型四足机器人的工作期望已经不仅仅满足于结构比较简单的场景下运动，还要适应结构比较复杂的更具真实性的场景。
[0003]复杂四足机器人的运动控制系统是非线性的时变系统。目前四足机器人的运动控制方法大多数是基于足端几何轨迹规划、关节位置控制规划进行实时控制。而对机器人进行单纯的几何位置或关节控制，机器人会因自身惯性和界稳状态等原因失稳，同时，人为根据仿生学原理确定的四足机器人步态只能适应规定地形，无法适应各种复杂地形，因此存在环境鲁棒性差的问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种四足机器人运动控制方法及系统，以提高环境鲁棒性。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了一种四足机器人运动控制方法，所述方法包括：
[0006]步骤S1：确定机器人待执行的运动模态；所述待执行的运动模态为匍匐、直立或转弯；
[0007]步骤S2：选取所述待执行的运动模态对应的初始底层控制参数；
[0008]步骤S3：从分度表中选取所述初始底层控制参数对应的四肢的地面反力F
i
，i∈[FL,FR,HL,HR]，F
i
∈[Fr/>FL
,F
FR
,F
HL
,F
HR
]，FL表示左前足，FR表示右前足，HL表示左后足，HR表示右后足，F
FL
表示左前足的地面反力，F
FR
表示右前足的地面反力，F
HL
表示左后足的地面反力，F
HR
表示右后足的地面反力；
[0009]步骤S4：基于所述待执行的运动模态对应的初始底层控制参数计算第i足端位置到质心位置的向量r
i
；
[0010]步骤S5：将F
i
和r
i
输入四足机器人的动力学模型中进行参数优化，获得最优底层控制参数；
[0011]步骤S6：基于所述最优底层控制参数确定不同步态模式下四肢八个关节处的驱动角度；
[0012]步骤S7：计算腰部两个关节处的驱动角度；
[0013]步骤S8：基于各关节处的驱动角度驱动机器人的各个关节。
[0014]可选地，在步骤S5之前，还包括：
[0015]构建四足机器人的动力学模型，具体公式为：
[0016][0017]其中，表示质心速度，表示质心加速度，表示刚体姿态的导数，表示身体旋转的角加速度，m表示总质量，F
i
表示第i足对应的地面反力，i∈[FL,FR,HL,HR]，F
i
∈[F
FL
,F
FR
,F
HL
,F
HR
]，FL表示左前足，FR表示右前足，HL表示左后足，HR表示右后足，F
FL
表示左前足的地面反力，F
FR
表示右前足的地面反力，F
HL
表示左后足的地面反力，F
HR
表示右后足的地面反力，g表示重力加速度，表示刚体姿态，即身体坐标系相对于惯性坐标系的旋转矩阵，
B
ω表示身体旋转的角速度，
B
I表示刚体惯量，表示单刚体动力学的状态方程的导数，r
i
表示第i足端位置到质心位置的向量。
[0018]可选地，所述基于所述最优底层控制参数确定不同步态模式下四肢八个关节处的驱动角度，具体包括：
[0019]步骤S61：基于所述最优底层控制参数确定不同步态模式下四肢的相位信号；
[0020]步骤S62：利用不同步态模式下四肢的相位信号计算四肢八个关节处的驱动角度。
[0021]可选地，所述计算腰部两个关节处的驱动角度，具体包括：
[0022]步骤S71：计算腰部两个关节处的相位信号；
[0023]步骤S72：利用腰部两个关节处的相位信号计算腰部两个关节处的驱动角度。
[0024]本专利技术还公开一种四足机器人运动控制系统，所述系统包括：
[0025]运动模态确定模块，用于确定机器人待执行的运动模态；所述待执行的运动模态为匍匐、直立或转弯；
[0026]初始底层控制参数选取模块，用于选取所述待执行的运动模态对应的初始底层控制参数；
[0027]地面反力确定模块，用于从分度表中选取所述初始底层控制参数对应的四肢的地面反力F
i
，i∈[FL,FR,HL,HR]，F
i
∈[F
FL
,F
FR
,F
HL
,F
HR
]，FL表示左前足，FR表示右前足，HL表示左后足，HR表示右后足，F
FL
表示左前足的地面反力，F
FR
表示右前足的地面反力，F
HL
表示左后足的地面反力，F
HR
表示右后足的地面反力；
[0028]向量确定模块，用于基于所述待执行的运动模态对应的初始底层控制参数计算第i足端位置到质心位置的向量r
i
；
[0029]最优底层控制参数确定模块，用于将F
i
和r
i
输入四足机器人的动力学模型中进行参数优化，获得最优底层控制参数；
[0030]四肢关节驱动角度计算模块，用于基于所述最优底层控制参数确定不同步态模式下四肢八个关节处的驱动角度；
[0031]腰部关节驱动角度计算模块，用于计算腰部两个关节处的驱动角度；
[0032]驱动模块，用于基于各关节处的驱动角度驱动机器人的各个关节。
[0033]可选地，所述系统还包括：
[0034]动力学模型构建模块，用于构建四足机器人的动力学模型，具体公式为：
[0035][0036]其中，表示质心速度，表示质心加速度，表示刚体姿态的导数，表示身体旋转的角加速度，m表示总质量，F
i
表示第i足对应的地面反力，i∈[FL,FR,HL,HR]，F
i
∈[F
FL
,F
FR
,F
HL
,F
HR
]，FL表示左前足，FR表示右前足，HL表示左后足，HR表示右后足，F
FL
表示左前足的地面反力，F
FR
表示右前足的地面反力，F
HL
表示左后足的地面反力，F
HR
表示右后足的地面反力，g表示重力加速度，表示刚体姿态，即身体坐标系相对于惯性坐标系的旋转矩阵本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种四足机器人运动控制方法，其特征在于，所述方法包括：步骤S1：确定机器人待执行的运动模态；所述待执行的运动模态为匍匐、直立或转弯；步骤S2：选取所述待执行的运动模态对应的初始底层控制参数；步骤S3：从分度表中选取所述初始底层控制参数对应的四肢的地面反力F
i
，i∈[FL,FR,HL,HR]，F
i
∈[F
FL
,F
FR
,F
HL
,F
HR
]，FL表示左前足，FR表示右前足，HL表示左后足，HR表示右后足，F
FL
表示左前足的地面反力，F
FR
表示右前足的地面反力，F
HL
表示左后足的地面反力，F
HR
表示右后足的地面反力；步骤S4：基于所述待执行的运动模态对应的初始底层控制参数计算第i足端位置到质心位置的向量r
i
；步骤S5：将F
i
和r
i
输入四足机器人的动力学模型中进行参数优化，获得最优底层控制参数；步骤S6：基于所述最优底层控制参数确定不同步态模式下四肢八个关节处的驱动角度；步骤S7：计算腰部两个关节处的驱动角度；步骤S8：基于各关节处的驱动角度驱动机器人的各个关节。2.根据权利要求1所述的四足机器人运动控制方法，其特征在于，在步骤S5之前，还包括：构建四足机器人的动力学模型，具体公式为：其中，表示质心速度，表示质心加速度，表示刚体姿态的导数，表示身体旋转的角加速度，m表示总质量，F
i
表示第i足对应的地面反力，i∈[FL,FR,HL,HR]，F
i
∈[F
FL
,F
FR
,F
HL
,F
HR
]，FL表示左前足，FR表示右前足，HL表示左后足，HR表示右后足，F
FL
表示左前足的地面反力，F
FR
表示右前足的地面反力，F
HL
表示左后足的地面反力，F
HR
表示右后足的地面反力，g表示重力加速度，表示刚体姿态，即身体坐标系相对于惯性坐标系的旋转矩阵，
B
ω表示身体旋转的角速度，
B
I表示刚体惯量，表示单刚体动力学的状态方程的导数，r
i
表示第i足端位置到质心位置的向量。3.根据权利要求1所述的四足机器人运动控制方法，其特征在于，所述基于所述最优底层控制参数确定不同步态模式下四肢八个关节处的驱动角度，具体包括：步骤S61：基于所述最优底层控制参数确定不同步态模式下四肢的相位信号；步骤S62：利用不同步态模式下四肢的相位信号计算四肢八个关节处的驱动角度。4.根据权利要求1所述的四足机器人运动控制方法，其特征在于，所述计算腰部两个关
节处的驱动角度，具体包括：步骤S71：计算腰部两个关节处的相位信号；步骤S72：利用腰部两个关节处的相位信号计算腰部两个关节处的驱动角度。5.一种四足机器人运动控制系统，其特征在于，所述系统包括：运动模态确定模块，用于确定机...

【专利技术属性】
技术研发人员：石青，贺一鸣，权小龙，高俊辉，金彦周，高子航，余张国，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：