CN108614421B - 一种基于中枢模式发生器的四足机器人运动控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于中枢模式发生器的四足机器人运动控制方法，包括足端轨迹规划，所述足端轨迹规划包括摆动状态的足端轨迹、支撑状态的足端轨迹和足端相对于根关节轨迹；本发明可以单独控制步行机器人的占空比、运动周期和步态；并且，本发明通过改变机器人的相位对机器人步态进行控制，相位变化间隔可以无限小，这样可使机器人产生任何可能的步态，并且在任何时刻切换步态都能保证切换过程平稳的进行。本发明控制的机器人步态可以使机器人在自然环境下平稳运动。
Description
技术领域
本发明属于仿生机器人技术领域，具体涉及一种基于中枢模式发生器的四足机器人运动控制方法。
背景技术
随着科学技术的发展，人类正在逐步地扩大对自然界的探索领域，有些人类不能进入或对人身会造成较大伤害的领域，可以依靠机器人对这些领域进行实地探索。足式机器人具有很强的环境适应能力，运动也比较灵活。然而决定多足式机器人对复杂环境适应性的两个关键的因素机器人的位姿和步态，可以通过改变机器人的占地系数和运动频率来调整机器人的位姿，因此机器人的占地系数，频率和步态关系到机器人性能是否能够充分发挥。最初的多足机器人控制方法还不能对机器人的占地系数、运动频率和步态进行单独控制，并且步态仅仅能够使机器人在平坦的硬质地面上行走的具有周期性的步态，后来为使足式机器人具有更广泛的适应性，对步态进一步的研究，步态研究工作逐渐发展到可以使步行机器人能够在非结构地形下行走的非周期步态。经过很多研究者对机器人步态进行了大量的研究工作，机器人的步态也有了很大的发展。
目前机器人运动控制研究工作还没有达到很成熟的地步，还有一些问题需要进一步的解决。现有技术中无法将机器人的占地系数、运动频率和步态进行单独控制，周期步态不适合步行机器人行走于自然环境中，特别是崎岖的地形下，而自由步态可以使机器人在自然环境中运动，但是自由步态计算量比较大、步态生成速度也相对较慢，这样就大大限制了自由步态在机器人上的应用。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种基于中枢模式发生器的四足机器人运动控制方法，解决现有技术中无法将机器人的占地系数、运动频率和步态进行单独控制，以致限制了自由步态在机器人上应用的问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
一种基于中枢模式发生器的四足机器人运动控制方法，包括足端轨迹规划，所述足端轨迹规划包括摆动状态的足端轨迹、支撑状态的足端轨迹和足端相对于根关节轨迹；
所述摆动状态的足端轨迹如式(1)：
式(1)中，x为控制信号，x∈[-1,1]；s为步长，h为步行机器人的最大抬腿高度，v0为步行机器人的平均运动速度。
所述支撑状态的足端轨迹如式(2)：
所述足端相对于根关节轨迹如式(3)：
式(3)中，H为机器人足端相对于根关节的最大高度；
为足端相对于根关节的x坐标；
为足端相对于根关节的y坐标；
为足端相对于根关节的z坐标；
其中，
进一步地，所述四足机器人运动控制方法还包括通过式(4)所述的中枢模式发生器数学模型产生控制信号，该控制信号用于控制四足机器人单条腿的运动状态；
式(4)中，x，y为中枢模式发生器的输出信号；
分别为x，y的微分；μ1，μ2为外部反馈项；T为振荡器的振荡周期；κ为升降比，0<κ<1；α为输出信号x在上升状态和下降状态之间的切换速度；σ1和σ均为中间参数。
进一步地，所述四足机器人运动控制方法还包括对所述控制信号进行相位变化；
式(5)中，xi为四足机器人第i条腿的控制信号；γ相位控制系数；n为采样密度；k为步态调节参数；τL和τ均为中间参数。
本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
本发明可以单独控制步行机器人的占空比、运动周期和步态；并且，本发明通过改变机器人的相位对机器人步态进行控制，相位变化间隔可以无限小，这样可使机器人产生任何可能的步态，并且在任何时刻切换步态都能保证切换过程平稳的进行。本发明控制的机器人步态可以使机器人在自然环境下平稳运动。
附图说明
图1是本发明方法的六足机器人单条腿的控制架构图；
图2是本发明方法的四足机器人的整体运动控制系统架构图；
图3是本发明方法的四足机器人四种典型的步态图；
图4是本发明方法的运动参数切换图。
以下结合附图对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
本发明通过将控制输出信号x和y的升降比κ、振荡周期T、相位延时系数γ的参数输入中枢模式发生器中，使得中枢模式发生器输出可以控制机器人步态的信号x和y，机器人通过信号x和y进行步态的变化。
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
实施例1：
如图1所示，本实施例提供了一种基于中枢模式发生器的四足机器人运动控制方法，包括足端轨迹规划，足端轨迹规划包括摆动状态的足端轨迹、支撑状态的足端轨迹和足端相对于根关节轨迹；
本实施例已知机器人足端相对于根关节的初始位置、初始速度，以及机器人期望目标位置、速度及中间的位置点，采用四次样条曲线对机器人进行轨迹规划，即摆动状态的足端轨迹公式为：
约束条件：
得出摆动状态的足端轨迹如式(1)：
式(1)中，x为控制信号，x∈[-1,1]；s为步长，h为步行机器人的最大抬腿高度，v0为步行机器人的平均运动速度。
支撑状态的足端轨迹如式(3)：
足端相对于根关节轨迹如式(4)：
式(3)中，H为机器人足端相对于根关节的最大高度；
为足端相对于根关节的x坐标；
为足端相对于根关节的y坐标；
为足端相对于根关节的z坐标；
其中，
本实施例中的四足机器人运动控制方法还包括通过式(4)所述的中枢模式发生器数学模型产生控制信号，该控制信号用于控制四足机器人单条腿的运动状态；
式(4)中，x，y为中枢模式发生器的输出信号；
分别为x，y的微分；μ1，μ2为外部反馈项；T为振荡器的振荡周期；κ为升降比，0<κ<1；α为输出信号x在上升状态和下降状态之间的切换速度；σ1和σ均为中间参数。
本实施例可通过改变T改变输出信号的振荡频率，改变κ改变输出信号的升降比。
本实施例中四足机器人运动控制方法还包括对控制信号进行相位变化；
式(5)中，xi为四足机器人第i条腿的控制信号；γ相位控制系数；n为采样密度；k为步态调节参数；τL和τ均为中间参数。
通过调节相移参数τL和τ值来控制振荡器的协调关系，并进一步实现对四足步态机器人各种步态的运动控制。因为τ＝(1-γ)·nT，τL＝k·τ可以通过调节k和γ对机器人步态进行控制。以四种典型步态为例，当k＝3，γ＝0.75时为步行步态如图3(a)所示，当k＝3.5，γ＝0.5时为溜步步态如图3(b)所示，当k＝4，γ＝0.5时为对角步态如图3(c)所示，当γ＝1时为跳跃步态如图3(d)所示。
图4所示，为机器人运动状态切换时的步态图。图4(a)为占地系数的切换，以对角步态为例，占地系数有0.75切换的0.5，可以看出占地系数切换过程快速平稳，且机器人的步态和频率没有发生变化。图4(b)为频率的切换，以步行步态为例，频率由2s切换到1s，可以看出频率切换过程快速平稳，且机器人的步态和占地系数没有发生变化。图4(c)和图4(d)为步态切换图，图4(c)为由步行步态向奔跑步态切换，图4(d)为对角步态向步行步态，切换过程一个周期，并且切换完成后机器人步态很快又恢复到稳定状态。可以看出该控制方法能够使机器人的占空比、运动周期和步态单独控制，且运动状态切换过程快速平稳。
Claims (3)
1.一种基于中枢模式发生器的四足机器人运动控制方法，其特征在于，包括足端轨迹规划，所述足端轨迹规划包括摆动状态的足端轨迹、支撑状态的足端轨迹和足端相对于根关节轨迹；
所述摆动状态的足端轨迹如式(1)：
式(1)中，x为控制信号，x∈[-1,1]；s为步长，h为步行机器人的最大抬腿高度，v0为步行机器人的平均运动速度；
所述支撑状态的足端轨迹如式(2)：
所述足端相对于根关节轨迹如式(3)：
式(3)中，H为机器人足端相对于根关节的最大高度；
为足端相对于根关节的x坐标；
为足端相对于根关节的y坐标；
为足端相对于根关节的z坐标；
其中，
2.根据权利要求1所述的基于中枢模式发生器的四足机器人运动控制方法，其特征在于，所述四足机器人运动控制方法还包括通过式(4)所述的中枢模式发生器数学模型产生控制信号，该控制信号用于控制四足机器人单条腿的运动状态；
式(4)中，x，y为中枢模式发生器的输出信号；
分别为x，y的微分；μ1，μ2为外部反馈项；T为振荡器的振荡周期；κ为升降比，0<κ<1；a为输出信号x在上升状态和下降状态之间的切换速度；σ1和σ均为中间参数。
3.根据权利要求2所述的基于中枢模式发生器的四足机器人运动控制方法，其特征在于，所述四足机器人运动控制方法还包括对所述控制信号进行相位变化；
式(5)中，xi为四足机器人第i条腿的控制信号；γ相位控制系数；n为采样密度；k为步态调节参数；τL和τ均为中间参数。
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