CN102591344B - 四足仿生机器人的时位控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种四足仿生机器人的时位控制方法。该方法包括三个步骤：(1)通过任务目标和实际地形规划期望移动速度和下一个落脚点的位置和时间；(2)通过传感器网络得到本体姿态角，规划关节运动以实现精确的落脚点时间和位置控制，最后得到实际移动速度；(3)利用期望移动速度、实际移动速度完成时位方法的反馈控制。该方法的输入仅仅依赖惯性单元的速度和姿态信息，仅在关节运动解算时需要关节配置参数，通用性强。对外界冲击和干扰的响应可以控制在10ms，能够在极短的时间内对冲击作出调整，保证四足仿生机器人的稳定性，实时性高。

Description

四足仿生机器人的时位控制方法

技术领域

本发明涉及通用四足仿生机器人平台的时位控制技术，尤其是一种可用于解决非结构化地形适应性、冗余自由度和欠驱动模式的四足仿生机器人的控制方法。

背景技术

四足仿生机器人是采用仿生技术设计的机器人平台，其主要特点是载荷大、重量轻、灵活性好和良好的地形适应性。在非结构化地形条件下，如丛林、丘陵和山地等环境，一般的机械化运输工具无法胜任运输任务，所以研究一种具备全地形通过能力的机器人平台意义重大；四足仿生机器人除了担负辅助运输任务外也可以担负物资及营地周边巡逻安保任务，可以广泛于军警、地质和石油勘探等部门。

控制系统作为四足仿生机器人的核心，其主要任务就是实现在非结构化地形环境中的稳定行走。为了实现对地形的适应性，在设计机械结构的过程中单腿采用冗余自由度和点接触的方法。上述这两个设计有别于传统设计，其主要优点在于：采用冗余自由度设计能够实现运动学和动力学优化，采用点接触设计能够真正实现全地形适应。由冗余自由度和点接触设计产生的四足仿生机器人是一个极其复杂的欠驱动动力学系统，不仅建模难度大，而且在控制方法上没有一个完整的体系结构。

一般情况下四足仿生机器人的控制方法主要采用轨迹跟踪、轨迹规划和神经网络控制，上述方法的主要缺点在于控制结构过于简单、环境适应性差和实时性无法满足实际系统需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为四足仿生机器人平台提供一种具备高实时性、良好地形适应性和抗外部冲击自稳定的控制方法。

本发明设计了四足仿生机器人的时位控制方法，主要包括步态控制层和姿态控制层，其中步态控制层的主要控制目标是控制四足仿生机器人的前进速度，主要输出信息是下一个步态周期的落脚点的时间、位置和该步态周期中质心的运动轨迹，姿态控制层的主要控制目标是通过关节解算实现落脚点、质心轨迹和本体姿态稳定，主要输出信息是各个关节的转动角度，最后通过速度反馈将上述两个控制层结合起来形成一个完整的闭环控制。

步态控制层主要采用了二个基本原理：1)模型简化，以四足仿生机器人的对角小跑步态为例，其腿的运动时序为一个对角的双腿支撑时，另一个对角的双腿摆动，此时支撑的双腿在运动约束和力约束存在的条件下可以等效为一条腿，这个过程可以通过严格的模型推导给出，此时再对本体姿态施加约束则完全可以等效为倒立摆模型，即实现了一个复杂动力学模型到简化动力学模型的等效过程；2)简化模型的速度规划，当复杂模型等效为简单模型之后只需研究简单动力学模型的运动即可代表复杂动力学模型的运动，此时的速度控制采用类似比例控制的方法，就可以很好的实现速度跟踪。

姿态控制层主要采用的三个基本原理：1)冗余自由度优化，姿态控制层主要接收速度控制层的质心运动轨迹和落脚点，此时由于四足仿生机器人单腿的前向有三个关节，存在一个冗余自由度，需要增加动力学或者运动学优化的约束条件才能得到唯一解，此时以关节间的角度变化最小为约束，同时达到节省能源的效果；2)非线性动力学控制，姿态控制层进行解算时采用的模型是复杂的动力学模型，其动力学模型本身是一个非线性模型，非线性的动力学控制一般采用李雅普诺夫方法、滑模控制和鲁棒控制实现轨迹跟踪；3)欠驱动控制，由于四足仿生机器人在支撑期可以等效为7连杆模型，但是仅有6个关节可以驱动，此时就存在一个连杆并不是主动驱动的，而是取决于其他连杆的运动，其控制方法就必须采用欠驱动控制。

本发明主要围绕三个中心点进行设计：实时性、地形适应性和抗冲击自稳定性。实时性主要体现在控制频率上，控制频率越高说明其实时性越好，但是控制频率受到器件的采样频率的严格限制，因此采用合适的传感器和设计合理的控制频率是时位控制的基础；地形适应性主要体现在对地形的感知和步行速度的合理控制，在山地行走时由于有坡度的存在，合理的移动速度更显重要，移动速度的控制主要通过四足仿生机器人落脚点来控制(人跑步时也是通过落脚点来控制速度，百米冲刺减速时只需迈大步即可实现在2-3步内到静止状态，此时即是控制落脚点远离质心来实现减速过程)，再通过姿态控制层实现本体姿态稳定就完成了地形适应性的控制；抗冲击自稳定性是以实时性和地形适应性为基础的，通过实时检测冲击速度，通过控制落脚点离质心的距离将这个附加速度在1-2个步态周期中抵消掉。

1)实时性

步态控制层的控制频率是100Hz，其实现基于对惯性单元以10ms为周期的速度采样，在正常运动的情况下其移动速度曲线是光滑的，在收到外界冲击的情况下，本体的速度将产生突变，也就是说在10ms周期内产生的速度突变将在下一个10ms周期里得到及时响应，故四足仿生机器人对外界冲击和干扰的响应频率为10ms。

姿态控制层的控制频率是1KHz，其实现基于对关节级力和位移传感器的1ms的周期采样，在正常移动过程中通过步态控制层可以预测出下一个步态周期的质心运动轨迹和落脚点时间和位置，姿态控制层就以1KHz的控制频率跟踪这个步态周期中的质心轨迹和落脚点。

2)地形适应性

非结构化地形包括山地、丛林和丘陵等，四足仿生机器人要在此类环境中体现出地形适应性，主要考核的指标就是稳定行走，稳定包括速度稳定和姿态稳定。以下坡为例，要保持速度稳定和姿态稳定前提就是设定合理的下坡行进速度，该速度的大小由坡度决定，坡度越大速度越小，坡度越小速度越大。这个工作可以通过视觉传感器进行估计，得到一个安全速度后由步态控制层计算出质心运动轨迹和落脚点，再传给姿态控制层解算关节运动，同时姿态控制层也负责本体姿态的稳定控制。

再以冰面行走为例，此时视觉传感器可能无法识别出该场景，如果以正常速度行走有可能出现打滑失稳，在失稳时由于步态控制层的10ms控制周期可以迅速响应，通过选择落脚点尽可能的远离质心可以快速实现减速到一个较小的安全速度，并调整好四足仿生机器人本体姿态，而不会出现失稳失控的现象。

3)冲击自稳定性

冲击自稳定性的基本原理与冰面行走类似，在正常行进过程中，四足机器人若收到一个侧向冲击，此时通过步态控制层选择落脚点，通过姿态控制层解算关节运动和姿态调整，就可以实现冲击后的自稳定，只是在任务目标规划时要重新对速度的大小和方向做出调整。

时位控制从字面上理解就是在合适的时间到达合适的位置，在本发明中时位控制的主体思想是通过控制落脚点的时间和位置，完成对四足仿生机器人速度的控制，具体执行由步态控制层和姿态控制层协调完成，本发明中步态周期指的是：腿由落地支撑时刻到离地摆动时刻的时间间隔，其周期为0.3-0.4s，控制周期是基于传感器采样周期，例如步态控制周期是基于速度传感器的采样周期，其周期精确到10ms。正常情况下，落脚点的选择在一个步态周期中是保持不变的，如果存在冲击时，则在步态控制周期内重新确定。

采用时位控制方法有很多优越性。1)控制结构清晰：时位控制方法主要由两层构成一是步态控制层，二是姿态控制层，步态控制层根据任务目标和实际地形解算出下一步落脚点的时间和位置，姿态控制层根据落脚点的位置和当前的本体姿态角完成关节运动解算；2)环境适应性好：在规划步态的时候充分考虑了实际地形，其移动速度在四足仿生机器人的稳定运动范围内，在姿态协调时考虑了机器人本体的姿态角，可以较好的保证本体的姿态稳定性；3)实时性强：通过上述任务分解，可以实现周期为10ms的步态控制和1ms的姿态控制，也就是说在1秒的时间内其控制频率分别为100Hz和1KHz；4)极好的抗干扰能力：由于步态控制层的周期在10ms，当外界速度冲击(例如：重物冲击、人为踹一脚等)作用在本体时，在下一个10ms的周期内机器人将作出响应，立即改变落脚点的时间和位置以抵消外界的冲击，10ms的快速响应速度将极大的保证系统稳定性。

四足仿生机器人的时位控制方法，包括三个步骤：(1)通过任务目标和实际地形规划期望移动速度和下一个落脚点的位置和时间；(2)通过传感器网络得到本体姿态角，规划关节运动以实现精确的落脚点时间和位置控制，最后得到实际移动速度；(3)利用期望移动速度、实际移动速度完成时位方法的反馈控制。

第一步规划落脚点和质心的运动轨迹，其步骤为：

1)将四足机器人的复杂模型等效为简单模型(如：倒立摆)；

2)通过视觉传感器得到地形参数设定最高稳定移动速度；

3)通过简单模型解算出质心的运动轨迹和落脚点的时间和位置。

第二步结合本体的姿态角规划关节运动，其步骤为：

1)通过惯性单元和加速度计等传感器得到本体姿态角；

2)结合落脚点的时间和位置以及质心轨迹设定合理的末端运动轨迹；

3)利用冗余动力学优化的方法设计各个关节的运动，并保证本体姿态角的稳定。

第三步时位方法的反馈控制，其步骤为：

1)由传感器获得当前的速度，对照期望速度得到修正值；

2)将修正值引入步态规划器的输入端，确定下一个步态周期的落脚点；

3)通过修正后的落脚点，由姿态协调层执行以实现稳定的速度控制。

采用本发明可以达到以下技术效果：

采用时位控制方法可以广泛适应不同的地形，而不需要针对特定的地形设计专门的控制方法，具有广泛的非结构化地形适应能力。控制方法不依赖特定的硬件结构，控制方法的输入仅仅依赖惯性单元的速度和姿态信息，仅在关节运动解算时需要关节配置参数，通用性强。对外界冲击和干扰的响应可以控制在10ms，能够在极短的时间内对冲击作出调整，保证四足仿生机器人的稳定性，实时性高。本发明结构清晰、层次分明、实时性高具有较好的理论价值和应用价值。

附图说明

图1本发明控制对象示意图

图2本发明控制结构框图

图3本发明的步态控制层的模型简化示意图

图4本发明基于事件触发的步态周期时序图

图5本发明处理非结构化地形流程图

图6本发明处理外界冲击流程图

具体实施方式

图1是本发明的控制对象，主体结构包括躯干、腿、传感器和一些动力元件。腿的设计包括髋关节、膝关节和踝关节三个主动关节，这种设计思路与狗的腿的生理结构一致，髋关节存在两个自由度：前向和侧向，而膝关节和踝关节的自由度均是前向的，所以总体上前向存在三个自由度，即有一个冗余自由度；躯干部分、传感器和动力元件是一体的，传感器包括IMU(惯性单元)、视觉传感器、加速度计和力/位传感器，主要负责测量躯干的速度、加速度和姿态角信息等。总体上该对象存在20个自由度，其动力学方程相当复杂，以拉格朗日方法为例，其建模产生的矩阵将达到20*20的规模，腿上的弹簧结构是非主动自由度，也就是说该控制对象是一个冗余的非线性的欠驱动动力学系统。

图2为本发明控制结构图，其控制结构分为步态控制层、姿态控制层和控制对象。

1)步态控制层包括传感器、视觉传感器和步态控制器，主要功能是将任务规划产生的期望速度转化为落脚点的时间位置，以及在一个支撑周期中质心的运动轨迹；

2)姿态控制层包括传感器、视觉传感器和姿态控制器，主要功能是解算对应落脚点和质心运动的关节运动，以关节力矩的形式输出到四足仿生机器人平台中；

3)最后将四足仿生机器人的实际速度反馈到步态控制层，以产生下一个步态周期落脚点；

通过步态控制层和姿态控制层处理，可以处理非结构化地形以及外界冲击情况。

图3为步态控制层的模型简化图，主要功能是将支撑双腿的运动约束和力约束等效为单腿的运动约束和力约束，其对质心运动的影响是等效的。

图4为基于事件触发的步态周期时序图，以trot(对角小跑)步态为例，A代表一组对角线上的双腿，B代表另外一组对角线上的双腿，A，B的周期是严格分开的，A触地时B必定处于空中摆动。A从支撑期过渡到摆动期是由A离地的事件触发，B从摆动期过渡到支撑期是由B触地的事件触发。基于事件触发的步态周期设计可以实时处理异常情况，在外部冲击存在的情况下若按照固定的步态周期必然造成机器人失稳，通过设计基于事件触发的步态周期可以灵活处理各种异常情况。

图5为处理非结构化地形流程图，主要处理过程如下：

1)视觉传感器能识别地形，则通过先验知识预设安全速度值；

2)若视觉传感器无法识别地形，则设定一个较小的初始速度；

3)将上述速度值输入步态控制器，得到落脚点和质心运动轨迹；

4)通过姿态控制器的解算得到关节输出力矩，以控制四足仿生机器人；

5)检测当前的姿态稳定性，若稳定则不修改速度，若不稳定则减小预设速度，直到姿态稳定为止；

6)通过传感器检测是否到达目的地，若到达则停止，若还没到达则继续控制步态控制器输出。

图6为处理外界冲击流程图，主要处理过程如下：

1)通过传感器检测四足仿生机器人本体的速度和加速度，如果其速度和加速度变化在正常范围以内，则在步态控制周期(10ms)内认为，四足机器人处于正常运动状态，不作异常处理，不改变原先计算的落脚点；

2)若速度和加速度变化剧烈，则认为四足仿生机器人收到冲击，此时检测冲击速度的大小和方向；

3)步态控制器接收冲击速度的大小和方向，重新选择落脚点，即从新规划落脚的位置和时间；

4)经过一次落脚点重规划，若冲击速度依然存在，重复步骤(3)，直到冲击速度为0。

Claims (3)

1.四足仿生机器人的时位控制方法，其特征在于，该方法的控制结构分为步态控制层、姿态控制层和控制对象；

1）步态控制层包括传感器和步态控制器，功能是将任务规划产生的期望速度转化为落脚点的时间、位置，以及在一个支撑周期中质心的运动轨迹；

2）姿态控制层包括传感器和姿态控制器，功能是解算对应落脚点和质心运动的关节运动，以关节力矩的形式输出到四足仿生机器人平台中；

3）最后将四足仿生机器人的实际速度反馈到步态控制层，产生下一个步态周期落脚点；

通过步态控制层和姿态控制层处理，可以处理非结构化地形及外界冲击情况；

该方法包括三个步骤：（1）通过任务目标和实际地形规划期望移动速度和下一个落脚点的位置和时间；（2）通过惯性单元和加速度计得到本体姿态角，规划关节运动以实现精确的落脚点时间和位置控制，最后得到实际移动速度；（3）利用期望移动速度、实际移动速度完成时位方法的反馈控制；

第一步通过任务目标和实际地形规划期望移动速度和下一个落脚点的位置和时间，具体为：

1.1) 将四足机器人的复杂模型等效为简单模型；

1.2) 通过视觉传感器得到地形参数设定最高稳定移动速度；

1.3) 通过简单模型解算出质心的运动轨迹和落脚点的时间和位置；

第二步结合本体的姿态角规划关节运动，具体为：

2.1) 通过惯性单元和加速度计得到本体姿态角；

2.2) 结合落脚点的时间和位置以及质心轨迹设定合理的末端运动轨迹；

2.3) 利用冗余动力学优化的方法设计各个关节的运动，并保证本体姿态角的稳定；

第三步时位方法的反馈控制，具体为：

3.1) 由传感器获得当前的速度，对照期望速度得到修正值；

3.2) 步态控制层将任务规划产生的期望速度转化为落脚点的时间位置，以及在一个支撑周期中质心的运动轨迹；

3.3) 姿态控制层解算对应落脚点和质心运动的关节运动，以关节力矩的形式输出到四足仿生机器人平台中。

2.根据权利要求1所述的四足仿生机器人的时位控制方法，其特征在于，处理非结构化地形过程如下：

4.1）视觉传感器能识别地形，则通过先验知识预设安全速度值；

4.2）若视觉传感器无法识别地形，则设定一个初始速度；

4.3）将上述速度值输入步态控制器，得到落脚点和质心运动轨迹；

4.4）通过姿态控制器的解算得到关节输出力矩，以控制四足仿生机器人；

4.5）检测当前的姿态稳定性，若稳定则不修改速度，若不稳定则减小预设速度，直到姿态稳定为止；

4.6）通过传感器检测是否到达目的地，若到达则停止，若还没到达则继续控制步态控制器输出。

3.根据权利要求1所述的四足仿生机器人的时位控制方法，其特征在于，处理外界冲击过程如下：

5.1）通过传感器检测四足仿生机器人本体的速度和加速度，如果其速度和加速度变化在正常范围以内，则在步态控制周期内认为，四足机器人处于正常运动状态，不作异常处理，不改变原先计算的落脚点；

5.2）若速度和加速度变化剧烈，则认为四足仿生机器人受到冲击，此时检测冲击速度的大小和方向；

5.3）步态控制器接收冲击速度的大小和方向，重新选择落脚点，即从新规划落脚的位置和时间；

5.4）经过一次落脚点重规划，若冲击速度依然存在，重复步骤5.3），直到冲击速度为0。

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