[发明专利]足式机器人全局平衡控制方法、装置和足式机器人

说明书

本申请实施例提供一种足式机器人全局平衡控制方法、装置和足式机器人，该方法包括：获取足式机器人在当前时刻的运动状态；根据所述当前时刻的运动状态和所述足式机器人对应的飞轮倒立摆简化模型的动力学方程，获得所述足式机器人在当前时刻的系统状态方程；根据所述当前时刻的系统状态方程通过非线性模型预测控制，获得当前时刻用于全局平衡控制所需的控制输入量；根据所述控制输入量对所述足式机器人进行运动控制。该方法基于飞轮倒立摆模型进行模型简化，并利用非线性模型预测控制技术进行平衡优化控制，可以实现对足式机器人整个系统的平衡控制。

技术领域

本申请涉及机器人控制技术领域，尤其涉及一种足式机器人全局平衡控制方法、装置和足式机器人。

背景技术

足式机器人是一个非常复杂的系统，尤其是对于足式机器人在移动过程中的欠驱动特性控制，一直是足式机器人研发最需解决的问题。已有的关于足式机器人的步行规划和控制方法，大都是基于线性倒立摆模型等实现行走控制，其通过给定一个简化的动力学模型实现行走控制，然而在实际使用中，上述控制方法并不能保证整个系统的稳定性。到目前为止，依旧没有一个统一、普适的方法来解决这一问题。

发明内容

本申请实施例提供一种足式机器人全局平衡控制方法、装置和足式机器人，可以实现对足式机器人整个系统的平衡控制。

第一方面，本申请实施例提供一种足式机器人全局平衡控制方法，包括：

获取足式机器人在当前时刻的运动状态；

根据所述当前时刻的运动状态和所述足式机器人对应的飞轮倒立摆简化模型的动力学方程，获得所述足式机器人在当前时刻的系统状态方程；

根据所述当前时刻的系统状态方程通过非线性模型预测控制，获得当前时刻用于全局平衡控制所需的控制输入量；

根据所述控制输入量对所述足式机器人进行运动控制。

在一些实施例中，所述足式机器人对应的飞轮倒立摆简化模型的动力学方程经预先构建得到，包括：

将所述足式机器人的躯干等效为具有质量的刚体，以及将与外界接触的支撑腿等效为具有质量的连杆，构建得到所述足式机器人的飞轮倒立摆简化模型；

分别构建所述足式机器人支撑腿的动力学方程和躯干的动力学方程，以联立得到所述飞轮倒立摆简化模型的动力学方程。

在一些实施例中，所述足式机器人支撑腿的动力学方程的构建，包括：

选取所述足式机器人支撑腿的几何中心为所述支撑腿的质心，并根据所述支撑腿与地面的入射角、所述支撑腿绕地面端点的转动惯量、所述支撑腿的关节驱动力矩以及对所述躯干的作用力，构建得到所述支撑腿的动力学方程。

在一些实施例中，所述足式机器人躯干的状态包括躯干的质心位置及质心姿态，所述足式机器人躯干的动力学方程的构建，包括：

根据所述刚体的几何中心位置、所述支撑腿的接触点位置以及所述支撑腿与地面的入射角之间的几何关系，构建所述躯干的质心位置的表达式；

将所述刚体与水平方向的俯仰角作为所述躯干的质心姿态；

根据所述质心位置的表达式、所述质心姿态、所述刚体绕几何中心的转动惯量、以及所述躯干受到所述支撑腿的作用力，构建得到所述躯干的动力学方程。

在一些实施例中，所述根据所述当前时刻的系统状态方程通过非线性模型预测控制，获得当前时刻用于全局平衡控制所需的控制输入量，包括：

根据所述当前时刻的系统状态方程和上一时刻的系统状态方程进行系统状态预测，得到后续若干个时刻的系统状态预测值；