[发明专利]一种具有腰部自由度四足机器人的控制方法

说明书

本发明公开了一种具有腰部自由度四足机器人的控制方法，属于仿生机器人领域。建立具有腰部自由度的四足机器人的运动学模型和动力学模型，计算各步态参数，配合逆运动学模型进行解算，得到四足机器人13维电机转动量的预期值，分别输入动力学模型和关节PD控制器中；动力学模型计算出13个关节实时的角度，结合每条腿的足底三维力数据f输入动力学模型中，输出为各关节力矩向量集合τ_d；关节PD控制器通过电机位置反馈数据θ_act计算出力矩向量τ_j。将各关节力矩向量集合τ_d以及力矩向量τ_j共同作为动力学模型的前馈输入，控制机器人本体的电机力矩，实现对执行机构的闭环控制。本发明使机器人实现更加良好控制效果以及控制精度，容易实现故障情况下故障的定位与修复。

技术领域

本发明属于仿生机器人领域，涉及机器人控制系统和控制方法，具体是一种具有腰部自由度四足机器人的控制方法。

背景技术

轮式机器人稳定性好，移动速度快，但是对复杂地形的适应能力较差，轮式以及履带式的移动工具能到达的地方不及地球陆地的一半，而具有腿式结构的动物几乎可以到达地球的任何一个地方；受此启发，腿式机器人得到迅速发展，弥补了地形适应能力差的缺点。腿式机器人中，四足机器人由于其良好的稳定性，较简单的结构以及仿生特点得到了比较好的发展。最常见的四足机器人的结构是每条腿部结构具有3个自由度，包括2个髋关节自由度和1个膝关节自由度，整机共12个自由度，在此结构基础上的改进型结构将具有更良好的性能。

机器人的控制方法决定机器人的性能；常见的仿生机器人的控制方法主要分为基于模型的控制方法以及基于CPG(中枢模式发生器)的控制方法。其中基于模型的控制方法包含基于稳态判据的控制方法，基于弹簧负载倒立摆模型的控制方法，基于虚拟模型的控制方法以及逆动力学方程的方法，具有控制较为精确的优点。CPG方法模仿动物产生节律运动的组织，此方法结构简单，具有很强的鲁棒性和适应能力。对于改进型结构的四足机器人，其控制对象自由度更高，控制起来更加复杂。因此选择合适的方法应用于带有腰部自由度的四足机器人，才能实现其性能较佳的运动效果。

发明内容

本发明提出了一种具有腰部自由度四足机器人的控制方法，简洁高效易于实现，且控制精度较高，并设计了将控制方法应用于机器人的硬件控制系统。

具体步骤包括：

步骤一、建立具有腰部自由度的四足机器人的运动学模型；

该四足机器人包括13个自由度和两层控制器；

13个自由度包括每条腿均有2个髋关节自由度和1个膝关节自由度，以及腰部有一个自由度。

两层控制器包括顶层的电机控制器以及底层的关节PD控制器；

运动学模型包括正运动学模型和逆运动学模型；

正运动学模型中各腿数值相同，以左前腿为例：

其中，为第一髋关节与基座之间的齐次坐标变换，为第二髋关节与第一髋关节之间的齐次坐标变换，为第二髋关节与膝关节之间的齐次坐标变换，为膝关节与足底之间的齐次坐标变换，为末端足底与基座之间的齐次坐标变换矩阵；

然后，通过几何法在正运动学模型基础上解算出逆运动学模型。

步骤二、通过牛顿-欧拉法建立带有腰部自由度的四足机器人的动力学模型；

动力学模型如下：

其中，M(q)表示惯量矩阵；q是19维状态向量，代表6自由度基座状态，4条腿12关节的角度，以及1个腰部关节的角度。表示向心力和科氏力，G(q)表示重力，为雅克比矩阵的转置，表示外部接触力，τ为13维关节力矩向量，S为选择矩阵。