一种四足机器人多步态切换及控制方法及计算机可读介质技术

本发明专利技术提出了一种四足机器人多步态切换及控制方法及计算机可读介质。通过设定腾空相时间、着地相周期时间、相位差、定时器频率来计算单次步态周期时间，并将当前触底系统时间作为相位控制时间。四足机器人根据单次步态周期时间和相位差计算各腿单次步态周期起始时刻时间差，再根据该时间差计算不同步态的占空比。实时计算每条腿的控制变量，实现每条腿的腾空相足、关节的控制。本发明专利技术优点在于，通过设定每条腿的相位差实现四足机器人多种步态的切换和控制，并能够结合动力学模型，保证四足机器人的稳定性。机器人的稳定性。机器人的稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种四足机器人多步态切换及控制方法及计算机可读介质


[0001]本专利技术属于四足机器人控制领域，尤其涉及一种四足机器人多步态切换及控制方法及计算机可读介质。

技术介绍

[0002]机器人学科是涉及到机械，控制，硬件，人工智能等多个技术的综合研究领域，而仿生机器人又是机器人研究的一个重要的分支，如何让机器人拥有自然界中动物的高性能运动能力是当前研究的关键问题之一。
[0003]四足机器人是以模仿自然界中四足动物运动而研制的机器人，在安防巡检，仓储物流，工程建设，智能陪伴，甚至国防等领域有着极大的应用前景，应用于这些场景的首要问题是让机器人实现自然界中四足动物的高速稳定灵活的行走，奔跑，跳跃等多种步态。如何在多种步态之间灵活切换，并维持四足机器人的稳定性是一个重要的研究问题。
[0004]四足机器人的控制器主要包括上层的运动规划和下层的路径跟随，而以电机作为执行单元的四足机器人的控制，是以环境状态和机器人自身位置速度和加速度的状态作为输入变量，通过模型预测控制或SLIP，ZMP等动力学模型计方法，最终都反映到对四足机器人足端的轨迹和力的大小和方向的控制。上层控制方法需要在协调各种步态的同时，对四足机器人的环境进行感知反馈，对下层控制器发出相应的适应环境的控制指令。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对四足机器人的控制难点，提供一个四足机器人多步态控制以及步态的平滑切换的方法，并为各种四足机器人动力学平衡控制模型提供灵活接口。本专利技术包括四个不同的分层控制器，分别是多步态相位控制器，多步态足端轨迹生成控制器，姿态反馈控制器，底层动作执行器。
[0006]首先是多步态相位控制器，用于对慢走步态，对角步态，bound步态，gallop奔跑步态下时间相位进行控制，同时只需要进行对相位参数进行动态调节实现上述各个步态之间的稳定切换。所述控制器包括以下步骤：
[0007]步骤1：通过四足机器人设定腾空相时间、着地相周期时间、左前腿相位差、右前腿相位差、左后腿的相位差、右后腿的相位差、定时器频率，通过腾空相时间、着地相周期时间计算单次步态周期时间，通过四足机器人获取当前触底系统时间，将当前触底系统时间作为相位控制时间；
[0008]步骤2：四足机器人根据单次步态周期时间、左前腿相位差计算左前腿单次步态周期起始时刻时间差，根据单次步态周期时间、右前腿相位差计算右前腿单次步态周期起始时刻时间差，根据单次步态周期时间、左后腿相位差计算左后腿单次步态周期起始时刻时间差，根据单次步态周期时间、右后腿相位差计算右后腿单次步态周期起始时刻时间差；
[0009]步骤3：四足机器人根据左前腿单次步态周期起始时刻时间差计算左前腿不同步态的占空比，根据右前腿单次步态周期起始时刻时间差计算右前腿不同步态的占空比，根
据右后腿单次步态周期起始时刻时间差计算右后腿不同步态的占空比，根据左后腿单次步态周期起始时刻时间差计算左后腿不同步态的占空比；
[0010]步骤4：实时计算当前腿的控制变量，实现当前腿的腾空相足、关节的控制；
[0011]作为优选，步骤1所述腾空相时间为T1；
[0012]步骤1所述着地相周期时间为T2；
[0013]步骤1所述左前腿相位差为S1；
[0014]步骤1所述右前腿相位差为S2；
[0015]步骤1所述左后腿的相位差为S3；
[0016]步骤1所述右后腿的相位差为S4；
[0017]步骤1所述定时器频率为H；
[0018]步骤1所述计算单次步态周期时间为：
[0019]T
stride
＝T1+T2[0020]其中，T1为腾空相时间，T2为着地相周期时间；
[0021]步骤1所述相位控制时间为T
telapse
；
[0022]作为优选，步骤2所述计算左前腿单次步态周期起始时刻时间差为：
[0023]t
LF
＝T
telapse
‑
S1*T
stride
[0024]其中，T
telapse
为相位控制时间，t
LF
为左前腿的控制时间，S1为左前腿相位差，T
stride
为单次步态周期时间；
[0025]步骤2所述计算右前腿单次步态周期起始时刻时间差为：
[0026]t
RF
＝T
telapse
‑
S2*T
stride
[0027]其中，T
telapse
为相位控制时间，t
RF
为右前腿的控制时间，S2为右前腿相位差，T
stride
为单次步态周期时间。
[0028]步骤2所述计算左后腿单次步态周期起始时刻时间差为：
[0029]t
RB
＝T
telapse
‑
S3*T
stride
[0030]其中，T
telapse
为相位控制时间，t
RB
为左后腿的控制时间，S3为左后腿相位差，T
stride
为单次步态周期时间。
[0031]步骤2所述计算右后腿单次步态周期起始时刻时间差为：
[0032]t
LB
＝T
telapse
‑
S4*T
stride
[0033]其中，T
telapse
为相位控制时间，t
LB
为右后腿的控制时间，S4为右后腿相位差，T
stride
为单次步态周期时间。
[0034]作为优选，步骤3所述根据左前腿单次步态周期起始时刻时间差计算左前腿不同步态的占空比，具体如下：
[0035]若0＜t
LF
＜T
st
，则
[0036]若t
LF
＜
‑
T
sw
，则
[0037]若T
st
＜t
LF
＜T
stride
，则D
st_1
＝1，
[0038]若
‑
T
st
＜t
LF
＜0，则D
st_1
＝1
[0039]其中，D
st_1
表示左前腿着地相的占空比，D
sw_1
表示左前腿腾空相的占空比，T
stride
为
单次步态周期时间，T
st
表示设定的着地相的时间，T
sw
表示设定的腾空相的时间，t
LF
表示左前腿的系统时间；
[0040]步骤3所述根据右前腿单次步态周期起始时刻时间差计算右前腿不同步态的占空比，具体如下：
[0041]若0＜t
RF...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种四足机器人多步态切换及控制方法，其特征在于：通过四足机器人获取当前触底系统时间，将当前触底系统时间作为相位控制时间；计算不同腿单次步态周期起始时刻时间差；根据不同腿单次步态周期起始时刻时间差计算不同腿不同步态的占空比；实时计算当前腿的控制变量，实现当前腿的腾空相足、关节的控制。2.根据权利要求1所述的四足机器人多步态切换及控制方法，其特征在于，包括以下步骤步骤1：通过四足机器人设定腾空相时间、着地相周期时间、左前腿相位差、右前腿相位差、左后腿的相位差、右后腿的相位差、定时器频率，通过腾空相时间、着地相周期时间计算单次步态周期时间，通过四足机器人获取当前触底系统时间，将当前触底系统时间作为相位控制时间；步骤2：四足机器人根据单次步态周期时间、左前腿相位差计算左前腿单次步态周期起始时刻时间差，根据单次步态周期时间、右前腿相位差计算右前腿单次步态周期起始时刻时间差，根据单次步态周期时间、左后腿相位差计算左后腿单次步态周期起始时刻时间差，根据单次步态周期时间、右后腿相位差计算右后腿单次步态周期起始时刻时间差；步骤3：四足机器人根据左前腿单次步态周期起始时刻时间差计算左前腿不同步态的占空比，根据右前腿单次步态周期起始时刻时间差计算右前腿不同步态的占空比，根据右后腿单次步态周期起始时刻时间差计算右后腿不同步态的占空比，根据左后腿单次步态周期起始时刻时间差计算左后腿不同步态的占空比；步骤4：实时计算当前腿的控制变量，实现当前腿的腾空相足、关节的控制。3.根据权利要求2所述的四足机器人多步态切换及控制方法，其特征在于：步骤1所述腾空相时间为T1；步骤1所述着地相周期时间为T2；步骤1所述左前腿相位差为S1；步骤1所述右前腿相位差为S2；步骤1所述左后腿的相位差为S3；步骤1所述右后腿的相位差为S4；步骤1所述定时器频率为H；步骤1所述计算单次步态周期时间为：T
stride
＝T1+T2其中，T1为腾空相时间，T2为着地相周期时间；步骤1所述相位控制时间为T
telapse
。4.根据权利要求3所述的四足机器人多步态切换及控制方法，其特征在于：步骤2所述计算左前腿单次步态周期起始时刻时间差为：t
LF
＝T
telapse
‑
S1*T
stride
其中，T
telapse
为相位控制时间，t
LF
为左前腿的控制时间，S1为左前腿相位差，T
stride
为单次步态周期时间；步骤2所述计算右前腿单次步态周期起始时刻时间差为：t
RF
＝T
telapse
‑
S2*T
stride
其中，T
telapse
为相位控制时间，t
RF
为右前腿的控制时间，S2为右前腿相位差，T
stride
为单次步态周期时间；步骤2所述计算左后腿单次步态周期起始时刻时间差为：t
RB
＝T
telapse
‑
S3*T
stride
其中，T
telapse
为相位控制时间，t
RB
为左后腿的控制时间，S3为左后腿相位差，T
stride
为单次步态周期时间；步骤2所述计算右后腿单次步态周期起始时刻时间差为：t
LB
＝T
telapse
‑
S4*T
stride
其中，T
telapse
为相位控制时间，t
LB
为右后腿的控制时间，S4为右后腿相位差，T
stride
为单次步态周期时间。5.根据权利要求4所述的四足机器人多步态切换及控制方法，其特征在于：步骤3所述根据左前腿单次步态周期起始时刻时间差计算左前腿不同步态的占空比，具体如下：若0＜t
LF
＜T
st
，则若t
LF
＜
‑
T
sw
，则若T
st
＜t
LF
＜T
stride
，则D
st_1
＝1，若
‑
T
st
＜t
LF
＜0，则D
st_1
＝1其中，D
st_1
表示左前腿着地相的占空比，D
sw_1
表示左前腿腾空相的占空比，T
stride
为单次步态周期时间，T
st
表示设定的着地相的时间，T
sw
表示设定的腾空相的时间，t
LF
表示左前腿的系统时间；步骤3所述根据右前腿单次步态周期起始时刻时间差计算右前腿不同步态的占空比，具体如下：若0＜t
RF
＜T
st
，则若t
RF
＜
‑
T
sw
，则若T
st
＜t
RF
＜T
stride
，则D
st_2
＝1若
‑
T
st
＜t
RF
＜0，则D
st_2
＝1其中，D
st_2
表示右前腿着地相的占空比，D
sw_2
表示右前腿腾空相的占空比，T
stride
为单次步态周期时间，T
st
表示设定的着地相的时间，T
sw
表示设定的腾空相的时间，t
RF
表示右前腿的系统时间；步骤3所述右后腿单次步态周期起始时刻时间差计算右后腿不同步态的占空比，具体如下：若0＜t
RB
＜T
st
，则若t
RB
＜
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：陈震中，李洋，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：