[发明专利]一种基于并联机构思维的多足支撑步行机器人运动控制框架

权利要求书

1.一种基于并联机构思维的多足支撑步行机器人运动控制框架，其特征在于：将多足支撑的步行机器人视为并联机构来对其运动进行规划和控制；

首先，对于支撑腿控制来说，将步行机器人的机身作为并联机构动平台，将步行机器人多个支撑足与地面接触部分作为并联机构静平台，将步行机器人各支撑腿作为并联机构不同的支链；由此，步行机器人机身运动即可视为并联机构动平台的运动；其中机器人的前进、后退、上下运动即可视为动平台的平动；机器人机身的倾斜、转向运动可视为动平台的转动；最终通过动平台的位姿规划与位姿控制来使步行机器人按期望的全方位运动目标运动；

将步行机器人的运动完全拆分为两部分，分别为步行机器人全方位运动的规划部分和步行机器人机身的位姿控制部分，实现功能解耦；对于摆动腿部分对于步行机器人摆动腿的轨迹规划和控制，则以动平台为基础，基于串联支链进行轨迹规划和控制；当摆动腿触地后，则根据触地检测将当前支撑腿切换为摆动腿，而将当前摆动腿切换为支撑腿，并重新按照基于并联机构思维的支撑腿规划与控制和基于串联机构思维的摆动腿规划和控制进行后续操作；

进一步设计步行机器人运动框架具体流程如下：

基于三个坐标系，分别为:

A、世界坐标系或者导航坐标系W(X_w，Y_w，Z_w)，表示机器人的世界坐标参考系；

B、机器人机身平面坐标系B(X_B，Y_B，Z_B)，建立在动平台上，原点一般为机器人机身的几何中心，表示并联机构动平台固连的坐标参考系；

C、机器人支撑腿足端与地面接触点构成的平面所在的坐标系S(X_s，Y_s，Z_s)，表示并联机构静平台所在的坐标参考系；

(1)对步行机器人运动控制所需要的参数、机器人状态与坐标系定义等进行初始化设置；

(2)确定机器人的支撑腿和摆动腿；

(3)根据支撑状态更新坐标系S，得到S坐标系相对于W坐标系的位置和姿态；

(4)坐标系W下机身质心位姿规划；

在坐标系W下，根据初始化参数对坐标系B进行运动规划，确定坐标系W下的坐标系B位姿规划值；

(5)将坐标系W下的坐标系B位姿规划值转换为坐标系S下的规划值；

将动平台相对于坐标系W的位姿轨迹规划目标点转换为动平台相对于坐标系S下的位姿轨迹规划目标点；

(6)根据坐标系S下机身质心位姿规划点坐标，利用并联机构逆运动学确定坐标系S下的机器人关节角度值或者关节约束关系；

(7)根据坐标系S下的机器人关节角度值或者关节约束关系，确定驱动关节的期望角度值；

(8)根据驱动关节的期望角度值和由传感器测量的实际关节位置或速度进行关节位置控制，该部分是关节混合控制的一部分；

(9)获取坐标系S下关节角度测量值和坐标系W下机身姿态测量值；

根据传感器测量驱动关节角度测量值，并转换到S坐标系下的关节角度测量值；利用IMU或状态估计得到W坐标系下的机身姿态测量值，即B坐标系相对于W坐标系的姿态；

(10)根据S坐标系下的关节角度测量值，利用并联机构正运动学，得到B坐标系相对于S坐标系的位姿；

(11)根据S坐标系下的B坐标系位姿测量值、S坐标系相对于W坐标系的位姿和B坐标系相对于W坐标系的姿态，利用坐标变换和信息融合得到B坐标系相对于W坐标系的位姿；

(12)根据W坐标系下的机身位姿规划值和测量值进行机身位姿控制，将位姿误差转化为B坐标系相对于W坐标系的六维虚拟力/力矩；

(13)将B坐标系相对于W坐标系的六维虚拟力/力矩，利用S坐标系相对于W坐标系的位姿转化为B坐标系相对于S坐标系的六维虚拟力/力矩；

(14)根据B坐标系相对于S坐标系的六维虚拟力/力矩，将该六维虚拟力/力矩转化为S坐标系的关节力矩期望值或者关节力矩约束关系；

(15)驱动关节力矩；

根据S坐标系的关节力矩期望值或者关节力矩的约束关系，确定驱动关节力矩期望值；

(16)关节位置与力矩混合控制；

根据驱动关节力矩期望值和反馈值进行力矩控制，该部分是关节混合控制的一部分，与步骤(8)的关节位置控制结合形成关节混合控制，控制支撑腿关节运动；(17)W系确定摆动腿落足点期望位置；

在步骤2中确定支撑腿后，可根据机器人状态和机器人机身运动期望值，确定摆动腿在摆动结束后与地面接触的期望位置，如通过弹簧倒立摆模型确定摆动腿在摆动结束后与地面接触的期望位置，即摆动腿落足点；

(18)确定摆动腿在摆动结束后与地面接触的期望位置后，基于W系进行摆动腿足端轨迹规划，确定摆动腿足端从开始摆动至落足点之间的位置期望值；

(19)根据W坐标系下的摆动腿足端位置期望值和B坐标系相对于W坐标系的位姿，确定摆动腿相对于B坐标系下的足端位置期望值；

(20)根据足端相对于B坐标系的位置期望值，确定摆动腿驱动关节角度期望值；

(21)根据摆动腿驱动关节期望值和测量值进行关节位置控制，控制摆动腿驱动关节运动；

(22)根据摆动腿关节角度测量值，得到摆动腿足端相对于B坐标系的位置测量值；

(23)根据B坐标系相对于W坐标系的位姿与摆动腿足端相对于B系的位置，确定摆动腿足端相对于W坐标系的位置；

(24)根据摆动腿足端位置、电流或足端触地传感器，检测摆动腿足端是否与地面接触；

(25)若摆动腿与地面无接触，则转到步骤(24)；若摆动腿与地面接触，则转到下一步；

(26)根据运动规划的摆腿序列或支撑腿与摆动腿切换信号切换所有的摆动腿与支撑腿，返回步骤2，确定新的支撑腿与摆动腿，继续进行步骤3～26。

2.如权利要求1所述一种基于并联机构思维的多足支撑步行机器人运动控制框架，其特征在于：步行机器人运动过程中出现的机身位姿偏差，通过动平台的位姿控制降低，且最终将位姿控制归结到关节控制中，将机身的倾斜、转向问题作为并联机构动平台的位姿规划与位姿控制问题。