[发明专利]一种可变构型的四足机器人运动控制方法及系统

说明书

本发明公开了一种可变构型的四足机器人运动控制方法及系统，方法包括以下步骤：规划四足机器人的步态；基于机器人的微分运动学，建立以机器人当前的关节位置、速度作为输入的四足机器人的整数规划模型；基于冗余自由度，实现对机器人各种构型之间的切换；基于当前构型规划机器人的运动，规划支撑相、摆动相的足端期望位置，实现四足机器人在多构型下的全方位移动，在面对复杂地形时稳定性和适应性显著增加。

技术领域

本发明属于四足机器人控制方法技术领域，具体涉及一种可变构型的四足机器人运动控制方法及系统。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

具有冗余自由度的四足机器人相对与传统四足机器人有较强的地形适应和越障能力，可以利用改变构型适应在复杂地形运行。现有技术中，例如，东京工业大学研发的TITAN-VIII机器人利用昆虫构型成功的实现较强的地形性和稳定性。但是目前的四足机器人无法实现多构型的切换和多构型的运动控制，使得环境适应性降低。同时大部分使用静步态运动，运动速度缓慢，没有动步态运行效率更高、更快。

发明人认为，对于具有冗余结构的四足机器人，其运动学逆解存在多解情况，通常的处理方式是先指定某个关节的取值，将其简化为三自由度进行求解，主要采用的还是传统的控制方法，没有将冗余自由度与变构型运动控制结合起来，充分利用冗余自由度的优势。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种可变构型的四足机器人运动控制方法及系统，为实现四足机器人各个构型的有效控制，利用微分运动学方程，建立机器人腿部关节空间与操作空间之间的运动学关联，获得在期望位置下对应的腿部关节空间变化；利用冗余自由度，改变机器人的构型，通过规划机器人躯干姿态与足端的轨迹，实现具有冗余自由度和多构型随机切换的情况下进行全方位控制；利用基于足底力的触底检测和时间规划的状态机用来规划落足点与四足机器人各个腿的运动状态。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明的技术方案提供了一种可变构型的四足机器人运动控制方法，包括以下步骤：

利用微分运动学方程，建立以四足机器人的足端位置、速度作为输入的四足机器人的整数规划模型，以建立机器人腿部关节空间与操作空间之间的运动学关联，并获得在期望位置下对应的腿部关节空间变化；

基于冗余自由度，实现对机器人各种构型之间的切换，并避免初始构型处于奇异点；

根据当前构型规划机器人的运动，规划机器人躯干姿态与速度，利用基于足底力的触底检测和时间规划的状态机规划落足点与四足机器人各个腿的运动状态，按照规划的轨迹运动。

第二方面，本发明的技术方案还提供了一种具有冗余自由度可变构型的四足机器人运动控制系统，包括以下模块，各模块之间级联动作：

第一模块，被配置为建立以四足机器人的足端位置、速度作为输入的四足机器人的整数规划模型；

第二模块，被配置为基于冗余自由度，实现对机器人各种构型之间的切换；

第三模块，被配置为根据当前构型规划并执行机器人的运动。

上述本发明的技术方案的有益效果如下：

1)本发明通过微分运动学，建立了具有冗余关节的关节空间与操作空间的联系，大大增加了冗余自由度的利用效率，通过基于二次整数规划的最优化方法实现冗余自由度机器人的运动学求解，利用微分运动学建立关节空间与操作空间的关系，同时增加了四足机器人的运动控制的稳定性与鲁棒性。