[发明专利]一种调节四足机器人身体姿态的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种四足机器人的控制方法，特别是调节四足机器人身体姿态的方法和装置。

背景技术

四足机器人作为多足机器人的一种，具有极强的对室外复杂地形的适应能力，近年来成为了多足机器人研究领域的研究热点之一。四足机器人在进行移动时，有其固定的步态，此步态是一个周期性的运动。将机器人的四条腿分为两组，左前腿和右后腿为一组，右前腿和左后腿为一组。这两组腿交替支撑、迈步，使机器人移动。

为了使四足机器人运动，需要预先给定四足机器人的运动轨迹，即所有关节的角度。一般将机器人简化为一个质点，将零力矩点ZMP点设在支撑腿的连线上，然后根据倒立摆模型，规划出质心的运动轨迹，最后产生全身的运动轨迹。但是四足机器人是一个极其复杂的系统，它的精确的质量分布很难测量得到，因此简化的质点的位置不是非常精确。当机器人按照预先设定的轨迹运动时，实际期望合外力的ZMP点不在支撑腿的连线上，机器人会向着期望的ZMP点的一侧倾斜，导致此侧的摆动腿抬不起来，严重影响机器人的运动。即使不使用简化模型，而是使用全身的动力学模型，也是由于同样的问题，即机器人的质量分布很难准确测量，规划出的轨迹对应的期望ZMP点很难在支撑腿的连线上，最后导致机器人的倾斜。

最显而易见的解决方案是通过一定的方式测量机器人的质心，然后通过配重，调节机器人质心的位置，尽量测出机器人准确的质心位置。

给机器人配重并测量质心的方法比较直观，但是会带来很多问题。

1）在进行机器人硬件设计时，由于各个关节的驱动能力的限制，为了提高机器人的灵活性，往往进行机器人硬件的轻量化设计。但是给机器人配重会明显增加机器人的重量，导致机器人的移动能力的下降。

2）机器人的结构比较复杂，测量质心的位置是一个比较繁琐的工作，而且很困难。当机器人运动时，机器人的形态发生变化，质心也就相应变化，这意味着，在某种姿态下配重过后的质心位置满足要求，当运动到另一种姿态时，质心的位置就很难满足要求。

在专利号为200810172220.7的专利中提出了一种防止仿人机器人左右倾斜的运动规划方法和装置，此方法和装置通过姿态传感器测量机器人的姿态，根据测得的姿态调节机器人支撑腿的髋关节，达到防止身体左右倾斜的目的。但是此方法不适用于四足机器人，因为四足机器人的自由度配置、运动步态、控制方法与双足机器人存在很大的区别。比如双足机器人在单脚支撑期时是一个开放链式系统，对机器人支撑腿的髋关节的调节，不会影响其他关节的运动，但是四足机器人是一个闭环链式系统，对机器人的髋关节的调节，会影响其他关节的运动。

在申请号为201210303079.6的专利中公开了一种四足机器人运动控制器，该控制器主要是对四足机器人进行硬件层面上的设计，而没有涉及到任何控制算法。

在申请号为201210054721.1的专利中公开了一种四足机器人的时位控制方法，该方法主要依据传感器信息控制机器人的支撑腿的位置和摆动腿的落脚点，达到控制机器人速度的目的，然而没有涉及如何根据传感器信息控制机器人姿态，达到调节机器人身体姿态的目的。

本发明针对四足机器人的在双腿支撑期时是一个闭环链式系统的特点，根据机器人的实际姿态，调节两条支撑腿相对于机器人驱赶的位置，达到防止机器人倾斜的目的。

发明内容

四足机器人在运动过程中处于双脚支撑期时，如果所期望的合外力的ZMP（zero moment point）点不在两条支撑腿的连线上，机器人会向一侧倾斜，容易导致此侧的摆动腿一直与地面接触，使机器人无法按照预期的轨迹运动或者不稳定。