一种基于足端力调节的仿生四足机器人控制系统及方法技术方案

本发明专利技术属于机器人稳定性控制的技术领域，具体涉及一种基于足端力调节的仿生四足机器人控制系统及方法，包括：利用预测模型递推出仿生四足机器人主体的预测轨迹以及落脚点，获取所述仿生四足机器人运动的实际运动轨迹，依据预测轨迹和实际运动轨迹计算出足底反力，通过每个支撑足对地面的作用力解算出每个关节所需的扭矩，由电机动作使每个支撑足对地面的作用力得到控制，利用激光雷达传感器和模型预测控制结合，根据周围环境信息及时作出调整动作，可以实现在遇到动态信息或者接近静态信息时主动避让，后续利用模型预测控制还能够规划出新的行进轨迹，此过程中配合闭环控制系统及时的对各个关节个支撑足的力矩进行调整。时的对各个关节个支撑足的力矩进行调整。时的对各个关节个支撑足的力矩进行调整。

【技术实现步骤摘要】
一种基于足端力调节的仿生四足机器人控制系统及方法


[0001]本专利技术属于机器人稳定性控制的
，具体涉及一种基于足端力调节的仿生四足机器人控制系统及方法。

技术介绍

[0002]仿生机器人是指模仿生物和从事生物特点工作的机器人，传统的仿生机器人多是依靠轮式和履带式的底盘进行移动，但是陆地地面并不平坦，其在移动时多会受到异物的阻挡，其移动轨迹不可解耦控制，基于这一问题，人们又根据人体和其他动物研制出腿足式的机器人，相较于轮式和履带式的机器人而言，其在运动灵活性、环境适应性方面具有显著优势。
[0003]仿生四足机器人是腿足式机器人中的一种，现有技术中，其控制方法为：首先在机身坐标系下规划一条足端轨迹，在机器人行走的任意时刻，从轨迹中获取当前足底位置，再通过运动学方法获得每个关节的位置，最终发送给电机位置指令，其过分重视了足端到质心的位置关系，而不重视机器躯干是否平稳，在踩到异物时容易导致机身不平稳而倾倒。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种基于足端力调节的仿生四足机器人控制系统及方法，能够在支撑足踩到异物时，能够适应地形的改变，更加柔顺的保证机身平稳。
[0005]本专利技术采取的技术方案具体如下：一种基于足端力调节的仿生四足机器人控制方法，包括：搭建仿生四足机器人主体、世界坐标体系和闭环控制系统；搭建6自由度虚拟关节，所述6自由度虚拟关节建立于仿生四足机器人主体和世界坐标体系之间，使所述仿生四足机器人主体构成13关节的固定基座机器人；所述闭环控制系统获取仿生四组机器人主体中每个支撑足对地面的作用力，并建立标准动力学模型；在标准动力学模型的基础上计算出每个关节所需的扭矩，利用模型预测控制确定每个支撑足最优的足端落脚力；将所述仿生四足机器人主体搭建为单刚体模型，在世界坐标体系中描述出仿生四足机器人主体的状态；建立仿生四足机器人主体运动轨迹的预测模型；获取仿生四足机器人主体在世界坐标体系中的姿态参数，利用预测模型递推出仿生四足机器人主体的预测轨迹以及落脚点；获取所述仿生四足机器人运动的实际运动轨迹以及落脚点，依据预测轨迹和实际运动轨迹计算出足底反力；作为本专利技术的一种优选方案，其中：依据预测轨迹和实际运动轨迹计算出足底反力的步骤，包括：
其中预测估计方程为：其中，和表示离散时间系统动力学，表示第步时的系统状态，表示第步时的控制输入；根据上式预测出下一时刻的状态：；其中，X表示预测轨迹中下一时刻的状态，和表示上式离散化后的矩阵；将预测的轨迹与实际轨迹做差，根据目标函数，使控制问题转化为优化问题，并求解出作为控制量的足底反力；其中，表示实际轨迹状态，表示此状态下的控制输入，和为对角矩阵。
[0006]作为本专利技术的一种优选方案，其中：获取仿生机器人主体在世界坐标体系中的位置，确定每个支撑足的接触点以及地面作用到支撑足的力；依据标准动力学模型解算每个关节所需的扭矩并生成力矩指令；根据力矩指令反馈至每个关节和支撑足。
[0007]作为本专利技术的一种优选方案，其中：所述标准动力学算法的公式为，该公式中，为质量矩阵，为关节角度，为期望关节加速度，为关节速度，为偏置力，是选择矩阵，为关节扭矩，为接触雅克比矩阵，为地面接触力；其中，（关节扭矩）为待求量，经过转化得到，计算结果生成力矩指令反馈至每个关节和支撑足。
[0008]作为本专利技术的一种优选方案，其中：所述仿生四足机器人主体上设有数据采集模块和数据处理模块，所述数据采集模块用于用于获取周围环境信息，所述环境信息包括静态信息和动态信息，其中，所述动态信息又分为接近动作信息和远离动作信息。
[0009]作为本专利技术的一种优选方案，其中：所述数据采集模块包括激光雷达传感器和红外扫描器，所述获取周围环境信息的步骤，包括：所述激光雷达传感器和红外扫描器采集仿生四足机器人行进方向的环境影像，并上传至数据处理模块；所述数据处理模块解析环境影像中是否存在静态信息和动态信息；若存在静态信息，获取该静态信息在世界坐标体系中的坐标信息，依据预测轨迹
公式判断该坐标是否与支撑足运动轨迹重合；若是，则生成新的力矩指令并反馈至每个关节和支撑足，使仿生四足机器人主体行进方向作出调整；若否，则仿生四足机器人主体正常行进；若存在动态信息，解析动态信息数据，判断该动作信息是否靠近仿生四足机器人主体，若是，则标记为接近动作信息，并反馈至闭环控制器，使仿生四足机器人主体作出调整，若否，则标记为远离动作信息，仿生四足机器人主体正常行进。
[0010]作为本专利技术的一种优选方案，其中：所述生成新的力矩指令并反馈至每个关节和支撑足，使仿生四足机器人主体行进方向作出调整的步骤，包括：获取仿生四足机器人主体的姿态以及期望关节加速度；在保证仿生四足机器人姿态稳定的状态下，依据仿生四足机器人主体的姿态调整各关节角度；获取关节速度，依据调整的关节角度进行修正，再结合关节角度以及期望关节加速度计算出关节扭矩，其中，关节速度和关节角度均能通过闭环控制系统直接调节，期望关节加速度基于全身控制算法得出。
[0011]作为本专利技术的一种优选方案，其中：所述期望关节加速度基于全身控制算法得出的步骤，包括：建立整体控制任务；依据雅克比空间矩阵将整体控制任务分为四个子任务；将四个子任务按重要程度划分优先级，且低优先级的子任务无法影响高优先级的子任务。
[0012]本专利技术还提供了，一种基于足端力调节的仿生四足机器人控制系统，包括：主体构建模块，用于搭建仿生四足机器人主体、世界坐标体系和闭环控制系统；虚拟关节构建模块，用于搭建6自由度虚拟关节，所述6自由度虚拟关节建立于仿生四足机器人主体和世界坐标体系之间，使所述仿生四足机器人主体构成13关节的固定基座机器人；动力学模型构建模块，用于将所述仿生四足机器人主体搭建为单刚体模型，在世界坐标体系中描述出仿生四足机器人主体的状态，以及计算每个关节所需的扭矩，利用模型预测控制确定每个支撑足最优的足端落脚力；模型预测控制模块，用于建立仿生四足机器人主体运动轨迹的预测模型；足端力控制模块，用于获取仿生四足机器人主体在世界坐标体系中的姿态参数，利用预测模型递推出仿生四足机器人主体的预测轨迹以及落脚点，获取所述仿生四足机器人运动的实际运动轨迹，依据预测轨迹和实际运动轨迹计算出足底反力；全身控制模块，用于解算期望关节加速度和构建优先级不同的子任务。
[0013]本专利技术取得的技术效果为：本专利技术通过闭环控制系统和足端力控制的结合，能够计算出每个支撑足对地面的作用力，然后利用标准动力学算法解算出每个关节所需的扭矩，最终发送给电机扭矩指令，电机动作使得各个关节和支撑足得以调整，从而每个支撑足对地面的作用力得到控制，进而其便能够主动适应地形的改变，更加柔顺的保证了机身的平稳性；本专利技术通过数据采集模块、数据处理模块和模型预测控制结合，能够根据数据采集模块和数据处理模块采集的周围环境信息并及时作出调整动作，可以实现在遇到动态信息或者接近静态信息时主动避让，后续利用模型预测控制还能够规划出新的行进轨迹，此过程中配合闭环控制系统及时的对各个关节个支撑足的力矩进行调整，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于足端力调节的仿生四足机器人控制方法，其特征在于：包括：搭建仿生四足机器人主体、世界坐标体系和闭环控制系统；搭建6自由度虚拟关节，所述6自由度虚拟关节建立于仿生四足机器人主体和世界坐标体系之间，使所述仿生四足机器人主体构成13关节的固定基座机器人；所述闭环控制系统获取仿生四组机器人主体中每个支撑足对地面的作用力，并建立标准动力学模型；在标准动力学模型的基础上计算出每个关节所需的扭矩，利用模型预测控制确定每个支撑足最优的足端落脚力；将所述仿生四足机器人主体搭建为单刚体模型，在世界坐标体系中描述出仿生四足机器人主体的状态；建立仿生四足机器人主体运动轨迹的预测模型；获取仿生四足机器人主体在世界坐标体系中的姿态参数，利用预测模型递推出仿生四足机器人主体的预测轨迹以及落脚点；获取所述仿生四足机器人运动的实际运动轨迹以及落脚点，依据预测轨迹和实际运动轨迹计算出足底反力。2.根据权利要求1所述的一种基于足端力调节的仿生四足机器人控制方法，其特征在于：依据预测轨迹和实际运动轨迹计算出足底反力的步骤，包括：建立预测估计方程：其中，和表示离散时间系统动力学，表示第步时的系统状态，表示第步时的控制输入；根据上式预测出下一时刻的状态：；其中，X表示预测轨迹中下一时刻的状态，和表示上式离散化后的矩阵；将预测的轨迹与实际轨迹做差，根据目标函数，使控制问题转化为优化问题，并求解出作为控制量的足底反力；其中，表示实际轨迹状态，表示此状态下的控制输入，和为对角矩阵。3.根据权利要求1所述的一种基于足端力调节的仿生四足机器人控制方法，其特征在于：所述搭建闭环控制系统的步骤，包括：获取仿生机器人主体在世界坐标体系中的位置，确定每个支撑足的接触点以及地面作用到支撑足的力；依据标准动力学模型解算每个关节所需的扭矩并生成力矩指令；根据力矩指令反馈至每个关节和支撑足。
4.根据权利要求2所述的一种基于足端力调节的仿生四足机器人控制方法，其特征在于：所述标准动力学算法的公式为，该公式中，为质量矩阵，为关节角度，为期望关节加速度，为关节速度，为偏置力，是选择矩阵，为关节扭矩，为接触雅克比矩阵，为地面接触力；其中，为待求量，经过转化得到，计算结果生成力矩指令反馈至每个关节和支撑足。5.根据权利要求4所述的一种基于足端力调节的仿生四足机器人控制方法，其特征在于：所述仿生四足机器人主体上设有数据采集模块和数据处理模块，所述数据采集模块用于获取周围环境信息，所述环境信息包括静态信息和动态信息，其中，所述动态信息分为接近动作信息和远离动作信息。6.根据权利要求5所述的一种基于足端力调节的仿生四足机器人控制方法，其特征在于：所述数据采集模块包括激光雷达传感器...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏俊，董瑞政，
申请(专利权)人：泰州朵儿智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：