CN108516028B - 一种复式四足机器人的行走控制方法 - Google Patents

Abstract

一种复式四足机器人的行走控制方法，包括四条复式机械腿，每条机械腿包括与机器人本体铰接的腰部，还包括连接在腰部的左右两条单腿，左右单腿均包括大腿、小腿和脚部，腰部与本体之间、腰部与大腿之间、大腿和小腿分别通过转动关节连接在一起。本发明可实现机器人的高负载、快速、稳定行走，适于使用在康复医疗、野外作业、军事等领域。

Description

一种复式四足机器人的行走控制方法

技术领域

本发明涉及移动式四足机器人技术领域，尤其是涉及一种复式四足机器人的行走控制方法。

背景技术

复式四足移动机器人的行走机构是针对四足移动机器人的行走机构进行改进，在保留其优点的同时，提高它的行走速度﹑负载能力和稳定性。

足式机器人采用仿生学原理，以足式动物和人类为样本，模仿足式动物和人类的运动机构和运动过程。相对于轮式和履带式移动机器人，足式机器人对非结构化环境具有更强的适应性，几乎可以在陆地上的任何地方行走，可以在无损障碍物的情况下跨越障碍物。

目前，足式机器人应用比较多的有两足、四足和六足，其中，四足机器人比两足机器人具有更好的地形适应能力、运动稳定性和更高的承载能力，又比六足、八足机器人结构相对简单，便于控制。因此，在一些特殊的行走环境中，四足机器人拥有更加广阔的应用前景。但是，四足机器人的行走大多采用对脚行走，在复杂的地形环境中，无论是移动速度、稳定性和负载能力，都受到了一定的影响。而两足机器人的两腿交叉行进，其在灵活性、机动性、行走速度方面均优于四足机器人。但是，两足机器人的负载能力低，在行走的过程中，其身体的晃动、重心的随机变化等参数变化也会影响机器人的运动安全性和稳定性。

另外，四足机器人在行走的过程中，一般将四条腿分成两组，左前腿和右后腿为一组，左后腿和右前腿为一组，两组腿交替支撑、迈步，带动机器人移动，两腿支撑就会带来不平衡的问题，导致某一侧腿抬不起来，严重影响机器人的运动。

发明内容

本发明首先提供一种复式四足机器人的行走控制方法，该机器人包括四条复式机械腿，增加了支撑和运动的稳定性，还公开了复式四足机器人的行走控制方法，对其直线行走和转向进行了合理步态规划和控制，采用的技术方案是：一种复式四足机器人的行走机构，包括四条复式机械腿，每条机械腿包括与机器人本体铰接的腰部，还包括连接在所述腰部的左右两条单腿，其特征在于：所述左右单腿均包括大腿、小腿和脚部，所述腰部与本体之间、腰部与大腿之间、大腿和小腿分别通过转动关节连接在一起。

本发明的技术特征还有：所述转动关节由电机驱动。

本发明的技术特征还有：所述小腿采用减震装置。

本发明的技术特征还有：所述脚部底面采用平面。

本发明的技术方案还有：一种复式四足机器人的行走控制方法，复式四足机器人包括四条复式机械腿，每条机械腿包括与机器人本体铰接的腰部，还包括连接在所述腰部的左右两条单腿，所述左右单腿均包括大腿、小腿和脚部，所述腰部、大腿和小腿分别通过转动关节连接在一起，所述转动关节均由电机驱动，其特征在于：所述行走控制方法包括：

当机器人直行时，左右两侧机械腿步幅、姿态一致，每条机械腿的左右两条单腿交替前行；

当机器人需要转向时，采用定点、原地转向，主控装置根据机器人需要旋转的角度和单步旋转角度计算所需要的步数，各外侧机械腿的步幅大小以及各转动关节的转角，并按照以下动作顺序动作：

转向时，对脚支撑，静态调整机械腿姿态；

静态姿态调整完毕，机械腿的外侧腿按照计算的步幅迈腿，同时，内侧腿采用跟进策略，前行至与外侧腿平齐，循环动作，使得机械腿完成所需要的步数，实现转向。

本发明的技术特征还有：机器人转向的旋转半径

其中，R为四条机械腿的腰部铰接点组成的矩形线框对角线长度的一半；ΔL为单侧腿与腰部铰接点之间的水平距离；θ₁为矩形线框的对角线与其短边的夹角；θ₂为机器人单步旋转角度。

本发明的技术特征还有：机器人的步长L为

本发明的技术特征还有：行走控制流程为：

S1下载程序，通电启动主控装置；

S2判断机器人是否需要转向；

S3如果机器人需要转向，判断机器人是需要左转还是右转；

S4如果机器人需要右转，则主控装置计算右转所需步数﹑腰部关节的单步转角和各外侧机械腿的步长及关节转角，驱动腰部关节旋转，调整好腿部姿态，然后，驱动各机械腿的外侧腿按照计算的步幅前伸并落地，内侧腿跟进，完成一步；如此循环，直至完成所需要的步数，完成右转动作；

S5如果机器人需要左转，则主控装置计算左转所需步数、腰部转动关节的单步转角和各外侧机械腿的步长及关节转角，驱动腰部关节旋转，调整好腿部姿态，然后，驱动各机械腿的外侧腿按照计算的步幅前伸并落地，内侧腿跟进，完成一步；如此循环，直至完成所需要的步数，完成左转动作；

S6如果机器人不需要转向，则主控装置发出命令，调整机械腿为直行姿态，驱动左右腿以相等的步幅交替前行，实现直线行走；

S7判断机器人是否需要停止，如果不需要停止，则重复S2-S7的步骤，否则，停止移动。

本发明的技术特征还有：所述主控装置包括用于向机器人发出指令的微控制单元，用于驱动电机转动的驱动单元，用于为机器人提供丰富扩展口的外围接口单元以及用于控制机器人各装置电压的电源管理单元。

本发明的有益效果在于：本发明将两足机器人与四足机器人进行了结合，提高了机器人的行走速度、负载能力和运动稳定性；转动设计合理，主控装置可根据规划路径计算机器人完成转向所需步数，各腿步幅大小和腰部转向关节的单步旋转角度；本发明可实现机器人的高负载、快速、稳定行走，适于使用在康复医疗、野外作业、军事等领域。

附图说明

图1是本发明的单条复式机械腿的结构示意图。

图2是本发明的单条复式机械腿的自由度示意图。

图3是本发明的复式四足机器人的行走机构整体结构示意图。

图4是本发明复式四足机器人的控制流程图。

图5是本发明复式四足机器人的转向示意图。

图中：Y：腰；L-1:左大腿；L-2:左小腿；R-1:右大腿；R-2:右小腿；YG:腰部旋转关节；KG-1:左腿髋关节；KG-2:右腿髋关节；XG-1:左腿膝关节；XG-2:右腿膝关节。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行说明。

图1为本发明中机器人行走机构的单条复式机械腿的结构示意图，每一条复式机械腿仿照人的双腿结构，包含了腰部、左腿和右腿，左右腿又分别包含大腿、小腿和脚部。

图2为本发明的单条复式机械腿的自由度示意图。每一条复式机械腿仿照人的自由度设计，共包含两个膝关节﹑两个髋关节和一个腰部的旋转关节五个自由度。

图3为本发明的复式四足机器人的整体结构示意图。所述机器人共包括四条复式机械腿：前后各两条，对称分布在机器人的两侧。

图4为本发明复式四足机器人的控制流程图。在主控装置的控制下，四条复式机械腿协同作业，模仿四人抬轿的动作。

复式四足机器人的腰部通过上端与机器人本体通过球铰链约束连接在一起，当地面不平的时候或者机器人转弯的时候，机器人本体可以在竖直平面和水平面内做自适应性适度旋转。

如图1-图4所示，复式四足机器人的左腿和右腿在大腿上端分别与腰部铰接在一起，形成髋关节；大腿和小腿铰接在一起，形成膝关节；髋关节与膝关节的协调旋转，可以完成机器人的迈腿动作及推动机器人本体前移。腰部与机器人本体形成旋转关节，腰部关节旋转可以带动左右两腿旋转，调整腿部姿态，改变复式机械腿的行走方向。

复式四足机器人的直线行走过程分析：四条复式机械腿步幅一致，姿态一致，左右腿交替前行，实现直线行走。直线行走过程可分为以下步骤：

S1通过电机驱动四条左腿的髋关节和膝关节，使其协同动作，则四条左腿向前迈步；同时，通过电机驱动四条右腿的髋关节和膝关节，使其协同动作，四条右腿的小腿支撑，大腿则绕其膝关节前转，推动机器人本体前移，直至四条左腿的小腿着地支撑；

S2通过电机驱动四条右腿的髋关节和膝关节，使其协同动作，四条右腿以与左腿相同的步幅向前迈步；同时，通过电机驱动四条左腿的髋关节和膝关节，使其协同动作，四条左腿的小腿支撑，大腿绕其膝关节前转，推动机器人本体前移，直至四条右腿的小腿着地支撑；

S3不断重复S1-S2步骤，四条右腿与四条左腿交替前行，直至机器人主控装置发出停止命令。

所述复式四足机器人的转向过程分析，可分为以下步骤：

S1主控装置首先判断左转还是右转以及机器人完成转向需要转动的角度，确定机器人的单步旋转角度，计算所需步数﹑各腰部关节的旋转角度﹑各外侧机械腿的步幅和关节转角。

S2采用对脚站立姿态，按照主控装置计算的腰部关节旋转角度分两次调整腰部关节的旋转：首先，左后和右前两条复式机械腿站立支撑，左前和右后两条复式机械腿的脚部抬离地面，驱动左前和右后两条复式机械腿的腰部关节旋转，调整好左前和右后两条复式机械腿的姿态。然后，左前和右后两条复式机械腿站立支撑，左后和右前两条复式机械腿的脚部抬离地面，驱动左后和右前两条复式机械腿的腰部关节旋转，调整好左前和右后两条复式机械腿的姿态。调整完毕，脚部落地支撑。

S3每一条机械腿的内侧腿支撑，外侧腿前伸迈腿，同时，内侧腿大腿旋转推动机器人本体前移至外侧腿小腿着地，完成机械腿的外侧腿迈腿动作。

S4每一条机械腿的外侧腿支撑，内侧腿前伸，同时，外侧腿大腿旋转推动机器人本体前移至内侧腿与外侧腿平齐并落地支撑，完成机械腿的内侧腿跟步动作。

S5重复S2-S4动作，直至完成规定步数。

具体的，机器人的转向步态规划策略：机器人转向采用定点、原地转向。每一条复式机械腿的外侧腿迈腿前进，内侧腿采用跟进策略。如图5所示，1﹑2﹑3﹑4代表机器人的四条复式机械腿与机器人本体铰接点的位置，分别位于矩形线框的四个顶点上，矩形线框的两条对角线相交于O点，同时，O点也是机器人的中心，在机器人转向的过程中，O点保持不动，机器人本体在水平面内做绕O点的平面转动。1、2、3、4为机器人四条机械腿与机器人本体铰接点的初始位置，1’,2’,3’,4’为机器人行走一步后，1﹑2﹑3﹑4到达的位置，1﹑2﹑3﹑4的运动轨迹为圆弧运动。则1、2、3、4、1’、2’、3’、4’八个点均位于圆心为O，半径为R的圆周上。其中，R为矩形线框的对角线长度的一半，R的大小取决于机器人本体的尺寸，R为常量。考虑外侧腿与内侧腿对称分布于机械腿与机器人本体的铰接点的两侧，单侧腿与铰接点的水平距离为ΔL，5、6、7、8为机器人外侧腿上端的初始位置，5’、6’、7’、8’为机器人行走一步后，5、6、7、8到达的位置。在机器人行走一步的过程中，5、6、7、8的理想运动轨迹也是绕定点O旋转，旋转半径为R’,直线连接55’，66’，77’，88’，则55’，66’，77’，88’即为外侧机械腿末端的行走方向，直线55’，66’，77’，88’的长度代表了步长L。机械腿的初始姿态为直线行走状态，即机械腿的运动方向沿着42方向。如图5所示，矩形线框的对角线与其短边的夹角为θ₁，θ₁的大小取决于机器人本体的尺寸，θ₁为常量。θ₂为机械腿行走一步绕O点旋转的角度，同时，θ₂也是机器人单步旋转的角度，且

则

则

具体的，机器人的转向步态规划的参数计算：(1)机器人完成转向需要分解的步数：主控装置根据机器人的路径判断机器人完成转向需要旋转的角度。机械腿与机器人本体的铰接点的运动轨迹应该为以O为圆心，R为半径的圆弧⌒11’,⌒22’,⌒33’,⌒44’，外侧腿顶端的理想运动轨迹为圆弧⌒55’,⌒66’,⌒77’,⌒88’，而外侧腿末端的实际行走轨迹为直线段55’，66’，77’，88’，两者之间存在一定差异。外侧机械腿末端的实际行走轨迹与外侧机械腿顶端的理想运动轨迹的差值最大为

机器人的单步旋转角度θ₂越小，外侧机械腿末端的实际行走轨迹与外侧机械腿顶端的理想运动轨迹越接近，机器人转向越顺畅。因此，为了减小这个差异，尽量采用较小的单步旋转角度。则机器人完成转向需要旋转的角度与单步旋转角度的比值即机器人完成转向需要分解的步数。

机械腿的腰部旋转角度：其目的是通过机械腿的腰部旋转使得四条外侧腿分别沿着直线55’，66’，77’，88’的方向行走，使其单步运行终点分别位于5’6’7’8’。以机械腿的初始姿态为直行为例，如果机器人左转，则5﹑8机械腿第一次旋转角度为：顺时针旋转

之后每一次旋转角度均为：逆时针旋转θ₂。6、7机械腿第一次旋转角度为：逆时针旋转

之后每一次旋转角度均为：逆时针旋转θ₂。如果机器人右转，则5、8机械腿第一次旋转角度为：顺时针旋转

之后每一次旋转角度均为：顺时针旋转θ₂。6、7机械腿第一次旋转角度为：逆时针旋转

之后每一次旋转角度均为：顺时针旋转θ₂。

机械腿的单步关节旋转角度：根据外侧腿的步长L，利用逆运动学公式，计算机械腿各关节的单步旋转角度。其中，

复式四足机器人的控制流程如下：

S1下载程序，主控装置通电启动；

S2判断机器人是否需要转向；

S3如果机器人需要转向，判断机器人是需要左转还是右转；

S4如果机器人需要右转，则主控装置计算右转所需步数、腰部关节的单步转角和各外侧机械腿的步长及关节转角，驱动腰部关节旋转，调整好腿部姿态，然后，驱动各复式机械腿的外侧腿按照计算的步幅前伸并落地，内侧腿跟进，完成一步；如此循环，直至完成所需要的步数，完成右转动作；

S5如果机器人需要左转，则主控装置计算左转所需步数、腰部关节的单步转角和各外侧机械腿的步长及关节转角，驱动腰部关节旋转，调整好腿部姿态，然后，驱动各复式机械腿的外侧腿按照计算的步幅前伸并落地，内侧腿跟进，完成一步；如此循环，直至完成所需要的步数，完成左转动作；

S6如果机器人不需要转向，则主控装置发出命令，调整机械腿为直行姿态，驱动左右腿以相等的步幅交替前行，实现直线行走；

S7判断机器人是否需要停止，如果不需要停止，则重复S2-S7的步骤，否则，停止移动。

复式四足机器人的小腿部分采用减震装置，当机器人每一条复式机械腿的左腿或右腿前伸，机器人本体前移的时候，减小小腿落地的冲击；

复式四足机器人的脚部底端采用平面，与地面的接触方式为平面接触，增大受力面积；

复式四足机器人的主控装置包括用于向机器人发出指令的微控制单元，用于驱动电机转动的驱动单元，用于为机器人提供丰富扩展口的外围接口单元以及用于控制机器人各装置电压的电源管理单元。

复式四足机器人通过控制电机的输出转向则可以实现机器人前进、后退。

具体的，本发明为机器人设计了四条复式机械腿及其控制系统，每一条复式机械腿模拟单个人的双腿结构和动作，在主控装置的控制下，通过电机驱动，四条复式机械腿模拟四人抬轿的协同动作，通过控制腰部关节旋转和左右腿的步幅大小，实现直行与转弯动作。

该发明机器人能够完成机器人的快速行走、高负载和稳定行走，转向简单，易于控制。同时，保留了足式机器人对复杂地形的高适应性，在康复医疗、野外作业、军事上具有很大价值的潜在应用。

当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种复式四足机器人的行走控制方法，其特征在于，包括四条复式机械腿，每条机械腿包括与机器人本体铰接的腰部，还包括连接在所述腰部的左右两条单腿，所述左右单腿均包括大腿、小腿和脚部，所述腰部与本体之间通过旋转关节连接在一起，腰部与大腿之间、大腿和小腿分别通过转动关节连接在一起；

行走控制流程为：

S1下载程序，通电启动主控装置；

S2判断机器人是否需要转向；

S3如果机器人需要转向，判断机器人是需要左转还是右转；

S4如果机器人需要右转，则主控装置计算右转所需步数﹑旋转关节的单步转角和各外侧机械腿的步长及旋转关节的转角，驱动旋转关节旋转，调整好腿部姿态，然后，驱动各机械腿的外侧腿按照计算的步幅前伸并落地，内侧腿跟进，完成一步；如此循环，直至完成所需要的步数，完成右转动作；

S5如果机器人需要左转，则主控装置计算左转所需步数、旋转关节的单步转角和各外侧机械腿的步长及旋转关节的转角，驱动旋转关节旋转，调整好腿部姿态，然后，驱动各机械腿的外侧腿按照计算的步幅前伸并落地，内侧腿跟进，完成一步；如此循环，直至完成所需要的步数，完成左转动作；

S6如果机器人不需要转向，则主控装置发出命令，调整机械腿为直行姿态，驱动左右腿以相等的步幅交替前行，实现直线行走；

S7判断机器人是否需要停止，如果不需要停止，则重复S2-S7的步骤，否则，停止移动。

2.按照权利要求1所述的复式四足机器人的行走控制方法，其特征在于：所述转动关节由电机驱动。

3.按照权利要求1所述的复式四足机器人的行走控制方法，其特征在于：所述小腿采用减震装置。

4.按照权利要求1所述的复式四足机器人的行走控制方法，其特征在于：所述脚部底面为平面。

5.按照权利要求1所述的复式四足机器人的行走控制方法，其特征在于，包括：当机器人直行时，左右两侧机械腿步幅、姿态一致，每条机械腿的左右两条单腿交替前行；

当机器人需要转向时，采用定点、原地转向，主控装置根据机器人需要旋转的角度和单步旋转角度计算所需要的步数，各外侧机械腿的步幅大小以及各转动关节的转角，并按照以下动作顺序动作：

转向时，对脚支撑，静态调整机械腿姿态；

静态姿态调整完毕，机械腿的外侧腿按照计算的步幅迈腿，同时，内侧腿采用跟进策略，前行至与外侧腿平齐，循环动作，使得机械腿完成所需要的步数，实现转向。

6.按照权利要求5所述的复式四足机器人的行走控制方法，其特征在于：机器人转向的旋转半径

其中，R为四条机械腿的腰部铰接点组成的矩形线框对角线长度的一半；ΔL为单侧腿与腰部铰接点之间的水平距离；θ₂为机器人单步旋转角度。

7.按照权利要求6所述的复式四足机器人的行走控制方法，其特征在于：机器人的步长L为

8.按照权利要求5所述的复式四足机器人的行走控制方法，其特征在于：所述主控装置包括用于向机器人发出指令的微控制单元，用于驱动电机转动的驱动单元，用于为机器人提供丰富扩展口的外围接口单元以及用于控制机器人各装置电压的电源管理单元。

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