四足机器人平稳越障控制方法

本发明属于四足机器人运动控制。

背景技术：

1、随着科技的发展，机器人越来越多地被用于隧道施工、军事和救援等复杂恶劣环境，这些场景提出了对机器人地形适应能力的更高要求。尽管轮式或履带式机器人在简单地形表现出色，足式机器人因其卓越的适应性而成为研究热点。特别是四足机器人，因其稳定性和能效表现优异，受到了广泛关注。

2、目前四足机器人在硬件方面取得了一定进展，但在面对户外环境时仍存在重大挑战，其主要原因在于机器人面对复杂崎岖环境下的运动控制充满了难度。传统的基于建模的控制方法需要对机器人以及环境进行精确建模，但这些难以应用于复杂多变的户外环境中。虽然，近些年兴起了基于智能控制方法，其减少了对外界环境建模的需求，但这类方法通常需要大量的数据训练和调参，难以实现机器人的在线控制。鉴于此，研究人员将目光转向自然界中，寻求从动物运动机制中得到灵感。最终通过对动物的中枢神经系统的研究，提出了基于中枢模式发生器(cpg)的运动控制方法。

3、基于cpg的运动控制是一种模仿生物神经中枢的自激行为实现节律运动的控制方法，其具有结构简单、强耦合性、自适应性良好、无需精确建模等优点，然而目前基于cpg的运动控制方法研究，仍主要聚焦在结构化地形上的节律运动信号生成以及步态转换等问题。对于复杂地形环境下的地形适应控制以及由此引起的运动平稳性问题的研究，仍然相对不足。目前针对四足机器人的复杂地形适应方法都忽略了步态对称性问题，如果连续经过非对称复杂地形，会因越障过程中步长与腿长的变化，而导致机器人的机身偏移问题。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是如何提高四足机器人越障平稳性。

2、本发明为了解决所述问题，采用的技术方案是：

3、一种四足机器人平稳越障控制方法，所述四足机器人结构形式为前肘后膝式关节，包括以下步骤：步骤一：利用d-h法建立四足机器人四条腿的运动学模型，获取在世界固定坐标系下的足端受力方向；步骤二：建立基于hopf振荡器的cpg运动控制模型，通过cpg运动控制模型输出的标准振荡信号控制四足机器人的节律运动用于实现平坦路面行走；步骤三：基于机器人越障需求，选择间歇trot步态用于越障；步骤四：四足机器人单腿相位分为摆动前相、摆动后相以及支撑相三个阶段，其中摆动前相与摆动后相以单腿摆动相中点位置为界；结合踢障、踩障和踏空三类触障受力状态，总结出机器人的触障状态分为摆动前相踢障、摆动后相踢障、摆动后相踩障和踏空四类；步骤五：针对各触障状态分别进行机器人反射运动规划。

4、采用上述结构的本发明，与现有技术相比，其有益效果是：

5、本发明通过节律运动控制、运动反射等手段，并充分考虑越障过程中的步态对称性问题，实现机器人在复杂地形环境下的平稳运动，在设计触障反射运动时充分考虑了步态对称性问题，并对这些变化进行了补偿，有效减少机器人的偏航问题，从而避免需要后续反复纠偏。

6、作为优选，本上述结构更进一步的技术方案是：

7、优选的，四足机器人单腿相位阶段的判断公式，如下所示：

8、

9、式中sngi—第i条腿的相位阶段判断符号函数；式中sngi的值为1时即为摆动前相，为-1时即为摆动后相，为0时即为支撑相；

10、足端触障受力状态的判断为：

11、机器人足端踢障与踩障状态的公式，如下所示：

12、

13、式中fyi—第i条腿的足端在世界固定坐标系中所受竖直方向力；

14、fxi—第i条腿的足端在世界固定坐标系中所受前进方向力；

15、μ—地面的静摩擦系数；

16、若函数f(fxi，fyi)的值为1，则为踢障状态；若f(fxi，fyi)的值为-1时，则为踩障状态；若f(fxi，fyi)的值为0时，且运动相为机器人摆动后相结束过渡到支撑相期间，足端三维力传感器未检测到任何受力，则机器人处于足端踏空状态。

17、优选的，摆动前相踢障反射运动过程为：

18、s1：后撤避障：当足端在摆动前相阶段检测到碰撞时，先保持膝关节不动，通过髋前后关节后摆从而脱离障碍物；

19、s2：抬腿收缩：通过髋前后关节后摆和膝关节上抬，执行剪式收缩动作从而使足端抬高跨越障碍；

20、s3：不变越障：髋关节前摆，膝关节不动，从而完成单腿穿越障碍物动作；

21、s4：回落着地：通过髋前后关节前摆和膝关节的下落，执行剪式伸张动作，使足端基本沿垂直方向平稳落地。

22、优选的，将所述摆动前相踢障反射运动分解，其中膝关节的运动包括膝关节不变、收缩上抬、膝关节不变越障和伸张回落，其膝关节控制信号如下：

23、

24、式中tf—运动周期内的触障时刻；

25、yf—膝关节触障时刻的角度值；

26、xf—髋前后关节触障时刻的角度值；

27、t—当前时刻；

28、a1—膝关节角度变化量；

29、bi、b2、b3—髋前后关节角度变化量；

30、ti、t2、t3—越障阶段时间；

31、t0—越障总时间；

32、将摆动前相踢障反射运动分解，其中髋前后关节的运动包括后撤避障、收缩后撤、前摆穿越和伸张前摆，其髋前后关节控制信号如下：

33、

34、式中xf—髋前后关节触障时刻的角度值；

35、时间t0、t1、t2、t3公式如下：

36、t0＝tsw+tkong＝t/2

37、

38、

39、其中a1为抬足越障阶段的膝关节转角，b1、b2、b3分别为触障后撤阶段、抬腿收缩阶段、回落着地阶段的髋前后关节转角，转角a1需要满足以下公式的条件：

40、

41、式中li—在第i阶段的腿长长度；

42、hz—障碍物高度，hz＝100mm；

43、h0—髋关节基座与地面的距离；

44、yf—触障时的膝关节角度；

45、转角b1为设定角度，视为已知量；

46、转角b2通过下式推导得出：

47、

48、b2＝θh1+θh2-xf-b1

49、式中θhi—第i阶段的髋前后关节辅助角；

50、xf—触障时髋前后关节的角度；

51、在不变越障阶段时膝关节保持不变，因此易得θh3＝θh2，于是转角b3推导得出：

52、b3＝θh1+xf+b1+b2-θh3。

53、

54、优选的，摆动后相踢障反射运动过程为：s1：触障检测：当足端在摆动后相检测到踢障状态时，触障腿执行摆动后相踢障反射运动；s2：后撤避障：触发摆动后相踢障反射运动时，膝关节不动，髋前后关节后摆脱离障碍物；s3：紧急落地：由于时间限制，不足以完成越障动作，机器人足端紧急落地，提前进入到支撑相阶段，此时触障腿的腿长发生改变；s4：抬腿收缩：通过髋前后关节后摆与膝关节上抬，采用剪式收缩动作抬高足端，以便后续越过障碍；s5：不变越障：髋关节前摆，膝关节保持角度不变，完成单腿越障动作；s6：回落着地：膝关节回落至地面，同时髋前后关节继续前摆，通过剪式伸张确保足端基本沿垂直方向平稳下落，此时触障腿的腿长再次发生改变。

55、优选的，将所述摆动后相踢障反射运动分解，其中的膝关节，其第一个运动周期内的反射运动包括膝关节不变、落地下放和支撑相，具体反射运动公式如下：

56、

57、在第二个运动周期中，膝关节的反射运动被分解为收缩上抬、不变越障、伸张回落、支撑相以及腿长重置，其中在腿长重置阶段，为了防止连续触障时腿长变化的不断累计，具体反射运动公式如下：

58、

59、在反射运动的支撑相阶段，引入由于腿长变化而引起的摆动幅值调整，当机器人的支撑相腿长从l0增加至l'时，将支撑相摆幅由ah调整为ah'，以确保步幅一致性；

60、将摆动后相踢障反射运动分解，其中髋前后关节运动在其第一个周期中，反射动作被分解为避障后撤、后撤落地和支撑相，具体反射运动的公式如下：

61、

62、髋前后关节的第二个运动周期中，反射动作被分解为收缩后撤、前摆穿越、伸张前摆、支撑相和髋关节不动，在前摆穿越与伸张前摆阶段考虑上一周期落地阶段引起的步长变化，同时在支撑相期间，考虑腿长变化对摆动幅度的影响，以及在支撑相末期需要进行腿长的重置，具体反射运动的公式如下：

63、

64、g1＝xf-d1-d2-d3+d4+d5

65、t1＝(tsw-tf+tkong)/3

66、t2＝2(tsw-tf+tkong)/3

67、其中c1、c2、c3分别为后撤避障阶段、紧急落地阶段和抬腿收缩阶段的膝关节转角；d1，d2，d3，d4，d5分别为后撤避障阶段、紧急落地阶段、抬腿收缩阶段、不变越障阶段和回落着地阶段的髋前后关节转角；转角d1、d2为所设定的髋关节转角视为已知量，设定d1、d2为0.1rad，转角c1由以下公式推导得出：

68、c1＝θk3+yf

69、θh3＝θh0-(xf-d1-d2)

70、

71、式中θki—第i阶段的膝关节辅助角；

72、转角d3由以下公式推导得出：

73、d3＝θh4-θh3

74、

75、式中s3为上一个运动周期步长；

76、转角c2由以下公式推导得出：

77、c2＝θk3-θk4

78、

79、转角d4由以下公式推导得出：

80、d4＝θh4-θh5

81、

82、转角d5由以下公式推导得出：

83、d5＝θh5-θh6

84、

85、转角c3由以下公式推导得出：

86、c3＝θk6-θk5＝θk6-θk4

87、

88、优选的，摆动后相踩障反射运动建模，具体为：引入阻抗控制方法，阻抗控制的二阶微分形式表达式如下：

89、

90、fe＝mg/n

91、式中kd—期望刚度矩阵；

92、bd—期望阻尼矩阵；

93、md—期望惯性矩阵；

94、△f—实际力与期望力的偏差；

95、fr—实际力；

96、fe—期望力；

97、n—支撑腿数量；

98、m—机器人整体质量；

99、将上式改写为传递函数形式，其传递函数形式属于典型的二阶系统，根据二阶系统进行整定，其公式如下：

100、

101、刚度参数kd主要影响系统稳态的输出值，而阻尼参数bd与惯性参数md只影响系统的动态过程；

102、对cpg运动控制模型中膝关节角速度的规划参数进行求导得即视为膝关节角加速度的相关规划参数；使用构成阻抗刚度，将上式优化为以下公式：

103、

104、式中k—刚度系数一；

105、b—刚度系数二；

106、—第i条腿触发阻抗时的的值；

107、δθki—阻抗调整值；

108、上式中的输入为足端在固定世界坐标系下所受的竖直方向分力，输出为阻抗引起的角度改变量，在摆动相结束时，阻抗带来的角度改变量会在支撑相期间保持，同时因为凸起地形只是局部地形，因此在摆动相结束时清除这一次的阻抗值，从而使触障腿长恢复至初始长度；膝关节的控制信号如下：

109、

110、髋前后关节在重置时间前完成支撑相摆幅，修正后髋前后关节在支撑相的控制信号如下：

111、

112、式中lsw—摆动相结束时的腿长；

113、考虑到，因提前着地而导致未达到预期步长的情况，在下一个运动周期的髋前后关节摆动相控制信号如下：

114、

115、为简便计算，上式中将步长与时间简化为线性关系，用触发阻抗的时间所占整个摆动相时间的比例，来近似估算已行走的步长，从而用于对下一个摆动相中的步长补偿。

116、优选的，单腿踏空反射运动过程为，

117、s1：触地等待：当摆动相结束足端未检测到受力时，不立即触发踏空反射运动，而是增加触地等待时间，如果在等待期内足端仍未检测到受力，则判断机器人单腿发生了踏空；

118、s2：抬腿脱离：当机器人触发踏空反射运动后，为避免再次触障，首先保持髋前后关节不动，膝关节上抬，以使足端脱离凹坑地形；

119、s3：前摆落地：足端脱离凹坑后，通过髋关节前摆和膝关节下落，增加腿长足端落地，实现越过凹坑地形。

120、优选的，单腿踏空反射运动建模，具体为：将所述单腿踏空反射运动进行分解，包含的膝关节反射运动包括触地等待、膝关节上抬、落地下放、支撑相和腿长重置，膝关节的反射运动模型如下：

121、

122、式中e1、e2—膝关节角度变化量；

123、将单腿踏空反射运动分解，髋前后关节反射运动包括触地等待、髋前后关节不动、前摆越障、支撑后摆以及腿长重置，在支撑相时机器人腿长再次发生了变化，因此考虑腿长变化导致的摆幅变化，髋前后关节反射运动模型如下：

124、

125、式中f1—髋前后关节的关节角度变化量；

126、t1、t2、t3的值如下：

127、

128、在下一个摆动相中对步长进行调整，将步长由s/2调整为s/2-s4，下一个摆动相中髋前后关节的公式如下：

129、

130、e1、e2分别为抬腿脱离阶段与前摆落地阶段的膝关节转角，f1为前摆落地阶段的髋前后关节转角。

131、优选的，在越障期间选择负载系数β为0.7的间歇trot步态。

技术特征：

1.一种四足机器人平稳越障控制方法，其特征在于，所述四足机器人结构形式为前肘后膝式关节，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述四足机器人平稳越障控制方法，其特征在于，四足机器人单腿相位阶段的判断公式，如下所示：

3.根据权利要求1所述四足机器人平稳越障控制方法，其特征在于，摆动前相踢障反射运动过程为：

4.根据权利要求3所述四足机器人平稳越障控制方法，其特征在于，将所述摆动前相踢障反射运动分解，其中膝关节的运动包括膝关节不变、收缩上抬、膝关节不变越障和伸张回落，其膝关节控制信号如下：

5.根据权利要求1所述四足机器人平稳越障控制方法，其特征在于，摆动后相踢障反射运动过程为：

6.根据权利要求5所述四足机器人平稳越障控制方法，其特征在于，将所述摆动后相踢障反射运动分解，其中的膝关节，其第一个运动周期内的反射运动包括膝关节不变、落地下放和支撑相，具体反射运动公式如下：

7.根据权利要求1所述四足机器人平稳越障控制方法，其特征在于，摆动后相踩障反射运动建模，具体为：引入阻抗控制方法，阻抗控制的二阶微分形式表达式如下：

8.根据权利要求1所述四足机器人平稳越障控制方法，其特征在于，单腿踏空反射运动过程为，

9.根据权利要求8所述四足机器人平稳越障控制方法，其特征在于，单腿踏空反射运动建模，具体为：将所述单腿踏空反射运动进行分解，包含的膝关节反射运动包括触地等待、膝关节上抬、落地下放、支撑相和腿长重置，膝关节的反射运动模型如下：

10.根据权利要求1-9中任一项所述四足机器人平稳越障控制方法，其特征在于，在越障期间选择负载系数β为0.7的间歇trot步态。

技术总结
本发明涉及一种四足机器人平稳越障控制方法，所述四足机器人结构形式为前肘后膝式关节，包括以下步骤：1)建立四足机器人运动学模型，获取在世界固定坐标系下的足端受力方向；2)建立CPG模型；3)基于机器人越障需求，选择间歇Trot步态用于越障；4)四足机器人单腿相位分为摆动前相、摆动后相以及支撑相三个阶段；结合踢障、踩障和踏空三类触障受力状态，总结出机器人的触障状态分为摆动前相踢障、摆动后相踢障、摆动后相踩障和踏空四类；5)针对各触障状态分别进行机器人反射运动规划，本发明在设计触障反射运动时充分考虑了步态对称性问题，并对这些变化进行了补偿，有效减少机器人的偏航问题，从而避免需要后续反复纠偏。

技术研发人员：刘桓龙,徐竞宇,周德浩,乔博
受保护的技术使用者：西南交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23