[发明专利]一种多足机器人平衡控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及机器人控制领域，具体是一种多足机器人平衡控制方法，对多足机器人在复杂外界环境下的运动失稳进行平衡恢复控制。

背景技术

多足机器人是一种具有冗余驱动、多支链的机器人，具有运动灵活、负载能力强、稳定性好、可实现多种步态等特点，具备一定的越障、爬陡坡和环境适应能力，在科学探索、山地运输、农林业开发、地质勘探、抢险救灾乃至军事行动等领域有着良好的应用前景，受到全世界范围内机器人研究人员的广泛关注与重视。

多足机器人按足的数目一般可分为四足、六足、八足和八足以上的机器人。多足机器人承受负载时的自主运动能力为其最核心的要素，多足机器人在外界非结构化地形条件下(包括凸凹地面、低摩擦地面、碎石地面、松软地面等)运动时的平衡稳定控制方法是当前机器人研究面临的难点和挑战。

随着机器人学科的发展，多足机器人在稳定性判断方面已较成熟。目前对多足机器人的稳定性判断大多采用零力矩点(ZMP，Zero Moment Point)方法。ZMP方法的核心是判断机器人质心沿合外力方向的投影是否在机器人支撑腿所形成的凸多边形之内，如果投影在支撑腿所形成的凸多边形之内，则机器人稳定，否则机器人失稳。

多足机器人失稳的情形主要有两种，即静态失稳和动态失稳。静态失稳是指在不考虑机身加速度和所受外力的情况下，机器人质心在支撑面的投影位于支撑腿所构成的凸多边形之外；动态失稳是指考虑到外力冲击、惯性扰动、系统加速度等因素，利用达朗伯原理将上述外力及惯性力等效至系统质心处，机器人质心沿系统合力方向在支撑面的投影位于支撑腿所构成的凸多边形之外。搜索相关文献，对多足机器人平衡方面的研究主要集中于如何判定机器人稳定以及在保证机器人稳定的前提下对机器人进行步态规划，而少见多足机器人在失稳后该采取的控制策略。本发明利用多足机器人位姿状态信息和足端脚力信息对机器人进行稳定性判别，针对多足机器人失稳的特点，提出一种平衡控制方法和失稳后应该采取的控制策略。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多足机器人平衡控制方法，该方法可以对失稳后的多足机器人进行平衡恢复，具有计算量少、可靠性高、适合在线实时计算等特点。

本发明提供的一种多足机器人平衡控制方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：

(1)获取当前的机器人各关节角度值和机身位置姿态值，以初始化机器人各关节角度、机身位姿参数；

(2)实时获取各关节角度、机身位姿信息，并利用这些信息对机器人进行正运动学计算，得到机身重心、腿部各部分重心在机器人世界坐标系中的坐标；

(3)利用获取的各足端脚力信息、机器人各关节角度信息和机身位姿信息，构建出当前运动时刻的支撑平面；

(4)使用零力矩点方法判断机器人的稳定性，根据零力矩点的位置判定机器人是否失稳并计算稳定裕度d_m；

(5)根据机器人当前的稳定性情况采取相应控制策略：若机器人稳定，则实施预设的正常行走步态，并转入步骤(2)；若机器人失稳，进入步骤(6)；

(6)计算调整腿末端点H_At的位置约束条件；

(7)取步骤(4)中计算的稳定裕度d_m与预设的稳定裕度阈值S进行比较：若稳定裕度为负值且|d_m|＜S，则判定为机器人失稳程度较小，并进入步骤(8)；若稳定裕度为负值且|d_m|≥S，则判定为机器人失稳程度较大，执行步骤(9)；

(8)根据调整腿末端点位于机器人所受合力在支撑面上的投影线上或者投影延长线上的原则，计算调整腿末端点H_At的位置坐标，并转入步骤(10)；

(9)根据髋关节到倾翻轴线的垂足与调整腿末端点的连线，垂直于倾翻轴线的原则，计算调整腿末端点H_At的位置坐标，并转入步骤(10)；

(10)计算出调整腿末端的位置后经机器人运动学反解得到机器人各关节角度值，然后向执行机构输出各关节角度序列，执行系统动作使机器人到达控制器要求达到的位置。