[发明专利]四足仿生机器人的时位控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及通用四足仿生机器人平台的时位控制技术，尤其是一种可用于解决非结构化地形适应性、冗余自由度和欠驱动模式的四足仿生机器人的控制方法。

背景技术

四足仿生机器人是采用仿生技术设计的机器人平台，其主要特点是载荷大、重量轻、灵活性好和良好的地形适应性。在非结构化地形条件下，如丛林、丘陵和山地等环境，一般的机械化运输工具无法胜任运输任务，所以研究一种具备全地形通过能力的机器人平台意义重大；四足仿生机器人除了担负辅助运输任务外也可以担负物资及营地周边巡逻安保任务，可以广泛于军警、地质和石油勘探等部门。

控制系统作为四足仿生机器人的核心，其主要任务就是实现在非结构化地形环境中的稳定行走。为了实现对地形的适应性，在设计机械结构的过程中单腿采用冗余自由度和点接触的方法。上述这两个设计有别于传统设计，其主要优点在于：采用冗余自由度设计能够实现运动学和动力学优化，采用点接触设计能够真正实现全地形适应。由冗余自由度和点接触设计产生的四足仿生机器人是一个极其复杂的欠驱动动力学系统，不仅建模难度大，而且在控制方法上没有一个完整的体系结构。

一般情况下四足仿生机器人的控制方法主要采用轨迹跟踪、轨迹规划和神经网络控制，上述方法的主要缺点在于控制结构过于简单、环境适应性差和实时性无法满足实际系统需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为四足仿生机器人平台提供一种具备高实时性、良好地形适应性和抗外部冲击自稳定的控制方法。

本发明设计了四足仿生机器人的时位控制方法，主要包括步态控制层和姿态控制层，其中步态控制层的主要控制目标是控制四足仿生机器人的前进速度，主要输出信息是下一个步态周期的落脚点的时间、位置和该步态周期中质心的运动轨迹，姿态控制层的主要控制目标是通过关节解算实现落脚点、质心轨迹和本体姿态稳定，主要输出信息是各个关节的转动角度，最后通过速度反馈将上述两个控制层结合起来形成一个完整的闭环控制。

步态控制层主要采用了二个基本原理：1)模型简化，以四足仿生机器人的对角小跑步态为例，其腿的运动时序为一个对角的双腿支撑时，另一个对角的双腿摆动，此时支撑的双腿在运动约束和力约束存在的条件下可以等效为一条腿，这个过程可以通过严格的模型推导给出，此时再对本体姿态施加约束则完全可以等效为倒立摆模型，即实现了一个复杂动力学模型到简化动力学模型的等效过程；2)简化模型的速度规划，当复杂模型等效为简单模型之后只需研究简单动力学模型的运动即可代表复杂动力学模型的运动，此时的速度控制采用类似比例控制的方法，就可以很好的实现速度跟踪。

姿态控制层主要采用的三个基本原理：1)冗余自由度优化，姿态控制层主要接收速度控制层的质心运动轨迹和落脚点，此时由于四足仿生机器人单腿的前向有三个关节，存在一个冗余自由度，需要增加动力学或者运动学优化的约束条件才能得到唯一解，此时以关节间的角度变化最小为约束，同时达到节省能源的效果；2)非线性动力学控制，姿态控制层进行解算时采用的模型是复杂的动力学模型，其动力学模型本身是一个非线性模型，非线性的动力学控制一般采用李雅普诺夫方法、滑模控制和鲁棒控制实现轨迹跟踪；3)欠驱动控制，由于四足仿生机器人在支撑期可以等效为7连杆模型，但是仅有6个关节可以驱动，此时就存在一个连杆并不是主动驱动的，而是取决于其他连杆的运动，其控制方法就必须采用欠驱动控制。

本发明主要围绕三个中心点进行设计：实时性、地形适应性和抗冲击自稳定性。实时性主要体现在控制频率上，控制频率越高说明其实时性越好，但是控制频率受到器件的采样频率的严格限制，因此采用合适的传感器和设计合理的控制频率是时位控制的基础；地形适应性主要体现在对地形的感知和步行速度的合理控制，在山地行走时由于有坡度的存在，合理的移动速度更显重要，移动速度的控制主要通过四足仿生机器人落脚点来控制(人跑步时也是通过落脚点来控制速度，百米冲刺减速时只需迈大步即可实现在2-3步内到静止状态，此时即是控制落脚点远离质心来实现减速过程)，再通过姿态控制层实现本体姿态稳定就完成了地形适应性的控制；抗冲击自稳定性是以实时性和地形适应性为基础的，通过实时检测冲击速度，通过控制落脚点离质心的距离将这个附加速度在1-2个步态周期中抵消掉。

1)实时性