[发明专利]四足机器人对角步态的自适应控制方法

摘要

本发明公开了一种四足机器人对角步态的自适应控制方法，用于四足机器人以对角步态在非结构化地形中行走的自适应控制。本发明以模糊推理学习方法以及足轨迹实时修正法为基础，以对角步态为运动方式，综合控制机器人本体适应非结构环境。将传感器采集的环境信息通过模糊推理学习进行步态规划，将步态规划信息进行稳定性判定，如果规划的四足机器人对角步态稳定，则把关节角信息送入控制系统，否则通过足运动轨迹实时修正方法对对角足的支撑时间进行修正，使四足机器人在非结构化地形下变步态行走时具有较好的稳定性。本发明用于四足机器人以对角动态行走时足部轨迹规划以及变步态行走稳定性修正，可以实现四足机器人的自我感知、自我修正和自我调整。

主权项

1.一种四足机器人对角步态的自适应控制方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤1，参数初始化；初始化四足机器人迈步长度执行矩阵Q_L和迈步高度执行矩阵Q_H；步骤2：通过传感器采集外部环境信息；通过红外传感器和超声波传感器测得的四足机器人前足到障碍物前端的距离L；通过视觉传感器测得的障碍物高度H；并将所采集到的四足机器人前足到障碍物前端的距离L和障碍物高度H发送给四足机器人的控制器；步骤3：四足机器人的控制器接收步骤2中获得的距离信息，依照模糊推理得到相应的激活约束条件，通过公式(1)和公式(2)，分别计算隶属度函数和以及真值α_lk(t)：μlij=e-xli22]]>公式(1)αlk(t)=Πli=1Nliμlij]]>公式(2)步骤4：采用波尔滋曼分布搜索算法确定迈步长度执行动作；对于第j条激活约束条件通过搜索算法选择局部动作通过公式(3)和公式(4)对所有的局部动作按真值加权得到全局动作y_l(t)及相应的q_l(t)值；yl(t)=Σlk=1Nlkαlk(t)alkj(t)]]>公式(3)ql(t)=Σlk=1Nlkαlk(t)qlkj(t)]]>公式(4)步骤5：四足机器人的控制器接收步骤2中获得的高度信息，通过模糊推理算法确定每条迈步高度的激活约束条件对应的隶属度函数和真值α_hk(t)；将迈步长度执行动作y_l(t)和高度信息H进行模糊推理，得到相应的激活约束条件，通过公式(5)和公式(6)分别计算隶属度函数以及真值α_hk(t)：μhij=e-xhi22]]>公式(5)αhk(t)=Πhi=1Nhiμhij]]>公式(6)步骤6：采用波尔滋曼分布搜索算法确定迈步高度执行动作；对于第j条激活约束条件通过搜索算法选择局部动作通过公式(7)和公式(8)对所有的局部动作按真值加权得到全局动作y_h(t)及相应的q_h(t)值：yh(t)=Σhk=1Nhkαhk(t)ahkj(t)]]>公式(7)qh(t)=Σhk=1Nhkαhk(t)qhkj(t)]]>公式(8)步骤7：确定执行矩阵的全局动作Y(t)及相应的Q(t)值；全局动作Y(t)的特征量包括四足机器人对角两足的迈步长度y_l(t)和迈步高度y_h(t)；根据公式(9)和公式(10)，得到全局动作Y(t)的特征量为；Y(t)＝[y_l(t)y_h(t)]                公式(9)Q(t)＝[q_l(t)q_h(t)]                公式(10)步骤8：确定总体误差；执行得到的四足机器人执行全局动作Y(t)；通过公式(11)和公式(12)确定总体函数误差ΔQ(t)＝[ΔQ_L(t)ΔQ_H(t)]，具体包括迈步长度函数误差ΔQ_L(t)和迈步高度函数误差ΔQ_H(t)：ΔQL(t)=β[r+γ(Σlk=1Nlkαlk(k+1)·max(qlk(t+1)))-qlk(t)]]]>公式(11)ΔQH(t)=β[r+γ(Σhk=1Nkαhk(k+1)·max(qhk(t+1)))-qhk(t)]]]>公式(12)其中式中：β为学习率，γ为折扣系数，r为回报信号；步骤9：更新迈步长度Q_L执行矩阵和迈步高度Q_H执行矩阵；对于第j激活约束条件，通过公式(13)和公式(14)修正对应的迈步长度执行矩阵Q_L和迈步高度执行矩阵Q_H的评估值迈步长度执行矩阵Q_L和迈步高度执行矩阵Q_H的评估值包括：Δqlkj=ΔQL(t)αlk(t)]]>公式(13)Δqhkj=ΔQH(t)αhk(t)]]>公式(14)然后重复步骤3～步骤9，直到迈步长度执行矩阵Q_L和迈步高度执行矩阵Q_H收敛为止；步骤10：对角足部运动轨迹规划；由全局动作Y(t)可得出四足机器人对角足部落点位置信息，其主要包括迈步起始位置、终止位置、最高点位置信息；对角足部落点位置信息经过足轨迹拟合得出对角足部运动规划信息，也即把离散的对角足部落点位置信息通过拟合算法推算出连续的对角足部运动规划信息；步骤11：对步骤3～10规划的四足机器人对角步态的稳定性判定及调整；如图3所示；通过四足机器人以规划步态行走时，其重心位置是否在对角支撑足的连线上，判定四足机器人以规划步态行走时的稳定性；如果是稳定的，则通过对角足部规划信息确定四足机器人各个关节角，然后送入四足机器人关节控制系统；反之，通过公式(15)调整对角支撑足的支撑时间ΔT，改变迈步周期，调整四足机器人以规划步态行走时的稳定性；ΔT=1wlog(r)Tmax(r≤0)(r>0)s.t.Tmin≤ΔT≤Tmax]]>r=ω(x′f-p′f)+(x.′f-p.′f)ω(xi′-pi′)+(x.i′-p.i′)]]>公式(15)其中x_i、和p_i是经迈步长度和迈步高度规划的四足机器人重心的位移和速度瞬时值以及ZMP的位移和速度瞬时值，x_f、和p_f、是修正后的四足机器人重心的位移和速度瞬时值以及ZMP的位移和速度瞬时值，ω是常数；将调整后的对角足支撑时间ΔT和对角足部运动规划信息送入四足机器人控制器，确定各个关节角和迈步周期；通过四足机器人关节控制系统，以达到非结构化地形的自适应控制。