本发明专利技术公开了一种四足机器人坡度地形环境自适应运动方法，四足机器人在运动期间实时感知地形坡度，根据所述坡度自适应调节机器人的运行状态；其中，在运动期间实时感知地形坡度的过程包括：将当前步态周期内支撑腿触地点位置以及摆动腿在前一步态周期内的触地点位置分别代入地形的平面方程，构成超定方程组；利用二次规划方法求解所述超定方程组的最小二乘解，得到当前地形的坡度。在四足机器人运动期间通过上述方法实时感知地形坡度，并根据最近计算出的坡度值调整自适应调节机器人的运行状态，无需提前设定固定的坡度，可使机器人在坡度变化的复杂地形下自适应行走。人在坡度变化的复杂地形下自适应行走。人在坡度变化的复杂地形下自适应行走。
【技术实现步骤摘要】
四足机器人及其坡度地形环境自适应运动方法与控制系统
[0001]本专利技术属于机器人控制
，更具体地，涉及一种四足机器人及其坡度地形环境自适应运动方法与控制系统。
技术介绍
[0002]足式移动形式依靠离散的落足点推进机体前进，相比于传统的轮式和履带移动形式，具备更强的复杂野外地形环境适应性和机动性，因而成为野外环境下机器人的最佳移动形式。足式机器人已经成为机器人领域研究和应用开发的热点，四足机器人兼具运动的快速性、灵活性和动态稳定性，更加受到足式机器人研究者和开发者的青睐。
[0003]近年来，在足式机器人，特别是四足机器人的运动控制方面，取得了令人鼓舞的研究进展。论文《四足机器人坡面行走稳定性分析》(东北大学学报，2018年，第39卷，第5期，673
‑
678页)中通过调节四足机器人前后腿腿长的方法来调节质心位置和姿态，实现四足机器人对角小跑步态在10
°
的坡面上行走。韩宝玲等人在期刊论文《四足机器人坡面运动时的姿态调整技术》(北京理工大学学报，2016年，第36卷，第3期，242
‑
246页)中以机器人质心在斜面上的落点到支撑线的距离作为稳定性判据，调整机身姿态，实现四足机器人在18
°
的坡面以对角小跑步态上下坡运动。上述几种方法需要提前设定斜坡角度，没有对斜坡地形坡面角度在线估计，无法实现斜坡地形的自适应行走。
技术实现思路
[0004]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种四足机器人及其坡度地形环境自适应运动方法与控制系统，其目的在于在机器人运动时在线估计坡面角度，实现在斜坡地形上的自适应行走。
[0005]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种四足机器人坡度地形环境自适应运动方法，四足机器人在运动期间实时感知地形坡度，根据所述坡度自适应调节机器人的运行状态；
[0006]其中，在运动期间实时感知地形坡度的过程包括：
[0007]将当前步态周期内支撑腿触地点位置以及摆动腿在前一步态周期内的触地点位置分别代入地形的平面方程，构成超定方程组；
[0008]利用二次规划方法求解所述超定方程组的最小二乘解，得到当前地形的坡度。
[0009]在其中一个实施例中，根据当前步态周期的步态规划识别第i条腿为支撑腿还是摆动腿，识别方法包括：
[0010]当第i条腿在当前时刻的规划步态为摆动相，则直接认为第i条腿为摆动腿，并以第i条腿在前一步态周期内的触地点位置代入地形的平面方程；
[0011]当第i条腿的在当前时刻的规划步态为接触相且α<0.2或α>0.8，则认为第i条腿为摆动腿，并以第i条腿在前一步态周期内的触地点位置代入地形的平面方程；
[0012]当第i条腿的在当前时刻的规划步态为接触相且α<0.2或α>0.8，则认为第i条腿为
支撑腿，并以第i条腿在当前步态周期内的触地点位置代入地形的平面方程；
[0013]其中，α为当前时刻在接触相内的时间相位。
[0014]在其中一个实施例中，令地形的平面方程为：
[0015]Ax+By+Cz+D＝0
[0016]其中，A,B,C,D是所述平面方程的系数，(x,y,z)表示地形平面上的点在世界坐标系下的坐标；
[0017]利用二次规划方法求解所述超定方程组的最小二乘解，包括：
[0018]根据所述超定方程组构建二次规划求解模型为：
[0019][0020][0021]其中，‖
·
‖2运算符表示矩阵的2
‑
范数，为第i个腿代入所述平面方程的触地点位置；
[0022]设定约束条件后求解所述二次规划求解模型，其中，所述约束条件包括：
[0023][0024]在其中一个实施例中，根据所述坡度自适应调节机器人的运行状态，包括：根据所述坡度调整机身俯仰角和摆动腿足端名义支撑点位置，具体包括：
[0025]以所述坡度的角度θ作为机身的俯仰角；
[0026]以机器人髋关节沿垂直于地形平面的投影位置沿坡度下移调整值Δ的位置作为与髋关节相连的摆动腿的足端名义支撑点位置，Δ＝h
cmd
tanθ，其中，h
cmd
表示机器人机身的期望高度。
[0027]在其中一个实施例中，根据所述坡度自适应调节机器人的运行状态，包括：根据所述坡度调整摆动轨迹，具体包括：
[0028]在世界坐标系(X
W
,Y
W
,Z
W
)下，采用三次贝塞尔曲线规划假定所述坡度的角度为0时第i条腿在摆动相的足端运动轨迹，得到在第i条腿摆动时所规划的起始点位置p
i,lift
和终止点位置p
i,touch
，其中，X
W
Y
W
为水平面；
[0029]将世界坐标旋转角度θ，得到摆动坐标系(X
S
,Y
S
,Z
S
)，计算从世界坐标系到摆动坐标系的旋转变化矩阵其中，角度θ为所述坡度的真实角度，X
S
Y
S
构成的平面与地形的平面平行；
[0030]根据起始点位置p
i,lift
和终止点位置p
i,touch
计算得到在所述坡度的角度为θ时的起始点位置和终止点位置和终止点位置和终止点位置
[0031]在其中一个实施例中，机器人运动控制任务按照优先级由高至低包括足端接触力控制、机身位置控制、机身姿态控制和足端摆动轨迹跟踪四个子任务；
[0032]根据所述坡度自适应调节机器人的运行状态，包括：将各子任务的阻抗力映射至关节驱动力矩，具体包括：
[0033]分别计算机身位置控制子任务的阻抗力机身姿态控制子任务的阻抗力第i摆动腿足端摆动轨迹跟踪子任务的阻抗力
[0034]计算关节驱动力矩，计算公式为：
[0035][0036]其中，τ表示关节驱动力矩矢量，表示足端接触力对应的雅可比矩阵，n
c
表示四足机器人支撑腿数量，n表示四足机器人广义坐标系数量，表示规划的足端接触力且下标表示支撑腿的序号，J
i|p(i)
表示子任务i的雅可比矩阵，表示摆动腿阻抗力矢量。
[0037]按照本专利技术的另一方面，提供了一种四足机器人坡度地形环境自适应运动控制系统，包括地形估计器，用于在四足机器人运动期间实时感知地形坡度；
[0038]所述地形估计器包括：
[0039]超定方程组构建单元，用于获取当前步态周期内支撑腿触地点位置以及摆动腿在前一步态周期内的触地点位置并带入地形的平面方程，构成超定方程组；
[0040]求解单元，用于利用二次规划方法求解所述超定方程组的最小二乘解，得到当前地形的坡度。
[0041]在其中一个实施例中，本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种四足机器人坡度地形环境自适应运动方法，其特征在于，四足机器人在运动期间实时感知地形坡度，根据所述坡度自适应调节机器人的运行状态；其中，在运动期间实时感知地形坡度的过程包括：将当前步态周期内支撑腿触地点位置以及摆动腿在前一步态周期内的触地点位置分别代入地形的平面方程，构成超定方程组；利用二次规划方法求解所述超定方程组的最小二乘解，得到当前地形的坡度。2.如权利要求1所述的四足机器人坡度地形环境自适应运动方法，其特征在于，根据当前步态周期的步态规划识别第i条腿为支撑腿还是摆动腿，识别方法包括：当第i条腿在当前时刻的规划步态为摆动相，则直接认为第i条腿为摆动腿，并以第i条腿在前一步态周期内的触地点位置代入地形的平面方程；当第i条腿的在当前时刻的规划步态为接触相且α<0.2或α>0.8，则认为第i条腿为摆动腿，并以第i条腿在前一步态周期内的触地点位置代入地形的平面方程；当第i条腿的在当前时刻的规划步态为接触相且α<0.2或α>0.8，则认为第i条腿为支撑腿，并以第i条腿在当前步态周期内的触地点位置代入地形的平面方程；其中，α为当前时刻在接触相内的时间相位。3.如权利要求1所述的四足机器人坡度地形环境自适应运动方法，其特征在于，令地形的平面方程为：Ax+By+Cz+D＝0其中，A,B,C,D是所述平面方程的系数，(x,y,z)表示地形平面上的点在世界坐标系下的坐标；利用二次规划方法求解所述超定方程组的最小二乘解，包括：根据所述超定方程组构建二次规划求解模型为：根据所述超定方程组构建二次规划求解模型为：其中，‖
·
‖2运算符表示矩阵的2
‑
范数，为第i个腿代入所述平面方程的触地点位置；设定约束条件后求解所述二次规划求解模型，其中，所述约束条件包括：4.如权利要求1所述的四足机器人坡度地形环境自适应运动方法，其特征在于，根据所述坡度自适应调节机器人的运行状态，包括：根据所述坡度调整机身俯仰角和摆动腿足端名义支撑点位置，具体包括：以所述坡度的角度θ作为机身的俯仰角；
以机器人髋关节沿垂直于地形平面的投影位置沿坡度下移调整值Δ的位置作为与髋关节相连的摆动腿的足端名义支撑点位置，Δ＝h
cmd
tanθ，其中，h
cmd
表示机器人机身的期望高度。5.如权利要求4所述的四足机器人坡度地形环境自适应运动方法，其特征在于，根据所述坡度自适应调节机器人的运行状态，包括：根据所述坡度调整摆动轨迹，具体包括：在世界坐标系(X
W
,Y
W
,Z
W
)下，采用三次贝塞尔曲线规划假定所述坡度的角度为0时第i条腿在摆动相的足端运动轨迹，得到在第i条腿摆动时所规划的起始点位置p
i,lift
和终止点位置p
i,touch
，其中，X
W
Y
W
为水平面；将世界坐标旋转角度θ，得到摆动坐标系(X
S
,Y<...
【专利技术属性】
技术研发人员：罗欣，李琦，孙鹏，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：
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