CN112904883B - 四足机器人地形感知方法、运动控制方法及系统 - Google Patents

四足机器人地形感知方法、运动控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及四足机器人地形感知方法、运动控制方法及系统，其利用四足机器人本体传感器，计算每条腿的足端在世界坐标系下的位置；然后将四条腿的足端位置代入地形三维平面方程，获得地形信息；再根据地形信息，来规划机器人的姿态、和/或足端轨迹、和/或质心轨迹，继而控制机器人的运动。本发明可使四足机器人在不依靠环境感知设备的情况下，准确感知地形信息；再根据地形信息控制机器人运动，可以使四足机器人在穿越较大坡度的地形和台阶地形时的稳定性大大增强；本发明方法鲁棒性强，针对不同环境不需要先验信息；并且该方法的实现仅依靠四足机器人本体的基础传感器，部署成本极低。

Description

四足机器人地形感知方法、运动控制方法及系统
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及四足机器人地形感知方法、运动控制方法及系统。
背景技术
目前，地形感知技术主要有以下两种：
一、基于SLAM的地形感知技术：利用深度视觉传感器或者激光雷达建立深度场信息，构建地形地图；
二、基于深度学习的地形感知技术：利用庞大的视觉图像数据以及巨大的算力，构建地形检测和识别网络模型，对地形进行检测和识别。
现有技术具有以下缺陷：
(1)感知传感器(深度场视觉传感器、激光雷达等)成本昂贵；
(2)算力花费巨大，通常需要附加的专门用于感知地形的处理器；
(3)算法实践成本大，算法鲁棒性差。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题提供四足机器人地形感知方法、运动控制方法及系统。
本发明通过下述技术方案实现：
四足机器人地形感知方法，包括以下步骤：
S1，利用四足机器人本体传感器，计算每条腿的足端在世界坐标系下的位置；
S2，将四条腿的足端位置代入地形三维平面方程，获得地形信息。
进一步的，所述的地形三维平面方程式为：
z(x,y)＝α0+α1x+α2y (1)
式(1)中，x,y,z为足端在世界坐标系下的位置。
进一步的，所述S2具体包括：
S2.1，将四条腿的足端位置代入公式(1)，建立超定方程组Wa＝Pz；
S2.2，采用公式(2)求解超定方程组Wa＝Pz的最小二乘解a：
Figure BDA0002917566490000011
式(2)中，W＝[1，Px，Py]4×3，
Figure BDA0002917566490000021
表示违逆；
Figure BDA0002917566490000022
Py表示四条腿足端在世界坐标系下位置的y轴分量；
Figure BDA0002917566490000023
Px表示四条腿足端在世界坐标系下位置的x轴分量；
a＝(α0,α1,α2)T，a为地形三维平面方程参数。
其中，所述S1中利用四足机器人的惯性传感器和电机编码器，计算每条腿的足端在世界坐标系下的位置。
四足机器人运动控制方法，它根据所述的四足机器人地形感知方法获得的地形信息，来规划机器人的姿态、和/或足端轨迹、和/或质心轨迹。
进一步的，采用公式(3)规划机器人的姿态：
Figure BDA0002917566490000024
Figure BDA0002917566490000025
式(3)中，Θabs为机器人在世界坐标系的期望姿态，Θrel为输入的机器人相对于地形平面的期望姿态，Rpla为地面地形旋转矩阵，φ为地形平面相对于海平面的翻滚角，θ为俯仰角，
Figure BDA0002917566490000026
为偏航角；rpyToRot()表示欧拉角转旋转矩阵，rotToRPY()表示旋转矩阵转欧拉角。
进一步的，φ＝-actan(α2)，θ＝actan(α1)，
Figure BDA0002917566490000027
进一步的，设落足点在水平面的投影坐标为
Figure BDA0002917566490000028
采用公式(4)规划机器人的足端轨迹：
Figure BDA0002917566490000029
进一步的，设期望质心在水平面的投影坐标为
Figure BDA00029175664900000210
采用公式(5)规划机器人的质心轨迹：
Figure BDA00029175664900000211
四足机器人运动控制系统，包括：
足端位置测量模块：负责根据四足机器人本体传感器的检测数据，计算每条腿的足端在世界坐标系下的位置；
地形感知模块：负责根据每条腿的足端位置获得地形信息；
姿态规划模块：负责根据地形信息以及输入的期望姿态规划机器人的姿态；
足端规划模块：负责根据地形信息规划机器人的足端轨迹；
质心规划模块：负责根据地形信息规划机器人的质心轨迹；
运动控制器：负责根据规划的姿态、足端轨迹、质心轨迹，控制机器人的运动。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1，本发明可使四足机器人在不依靠环境感知设备(摄像头、雷达等)的情况下，准确感知地形信息；
2，本发明根据地形信息进行的姿态规划、足端轨迹规划和质心轨迹规划，可以使四足机器人在穿越较大坡度的地形和台阶地形时的稳定性大大增强；
3，本发明方法鲁棒性强，针对不同环境不需要先验信息；并且该方法的实现仅依靠四足机器人本体的基础传感器，部署成本极低。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。
图1是本发明的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
本发明公开的四足机器人地形感知方法，包括以下步骤：
S1，利用四足机器人本体传感器，例如IMU和电机编码器，计算每条腿的足端在世界坐标系下的位置：p1(x,y,z)，p2(x,y,z)，p3(x,y,z)，p4(x,y,z)。
S2，将四条腿的足端位置代入地形三维平面方程z(x,y)＝α0+α1x+α2y，获得地形信息。其计算过程如下：
S2.1，将四条腿的足端位置代入公式(1)，建立超定方程组Wa＝Pz；
S2.2，采用公式(2)求解超定方程组Wa＝Pz的最小二乘解a：
Figure BDA0002917566490000041
式(2)中，W＝[1，Px，Py]4×3，
Figure BDA0002917566490000042
表示违逆；
Figure BDA0002917566490000043
Py表示四条腿足端在世界坐标系下位置的y轴分量；
Figure BDA0002917566490000044
Px表示四条腿足端在世界坐标系下位置的x轴分量；
a＝(α0,α1,α2)T，a为地形三维平面方程参数。
如图1所示，本发明公开的四足机器人运动控制方法，该方法根据上述形感知方法获得的地形信息，来规划机器人的姿态、和/或足端轨迹、和/或质心轨迹，继而控制机器人的运动。
姿态规划：采用公式(3)规划机器人的姿态：
Figure BDA0002917566490000045
Figure BDA0002917566490000046
式(3)中，Θabs为机器人在世界坐标系的期望姿态，Θrel为输入的机器人相对于地形平面的期望姿态，Rpla为地面地形旋转矩阵，φ为地形平面相对于海平面的翻滚角，φ＝-actan(α2)；θ为俯仰角，θ＝actan(α1)；忽略偏航角
Figure BDA0002917566490000047
Figure BDA0002917566490000048
rpyToRot()表示欧拉角转旋转矩阵，rotToRPY()表示旋转矩阵转欧拉角。
足端规划：已知落足点在水平面的投影坐标为
Figure BDA0002917566490000049
采用公式(4)规划机器人的足端轨迹：
Figure BDA00029175664900000410
质心规划：已知期望质心在水平面的投影坐标为
Figure BDA00029175664900000411
采用公式(5)规划机器人的质心轨迹：
Figure BDA00029175664900000412
基于上述四足机器人地形感知方法，本发明还公开了四足机器人运动控制系统，包括：
足端位置测量模块：负责根据四足机器人本体传感器的检测数据，计算每条腿的足端在世界坐标系下的位置；
地形感知模块：负责根据每条腿的足端位置获得地形信息；
姿态规划模块：负责根据地形信息以及输入的期望姿态规划机器人的姿态；
足端规划模块：负责根据地形信息规划机器人的足端轨迹；
质心规划模块：负责根据地形信息规划机器人的质心轨迹；
运动控制器：负责根据规划的姿态、足端轨迹、质心轨迹，控制机器人的运动。
本发明不依靠附加的外部环境感知设备，利用四足机器人传感器，对未知的复杂地形进行精确的感知和识别，并指导四足机器人控制算法进行动力学模型修正和质心、足端的轨迹规划，使四足机器人可以稳定穿越各种复杂地形，例如台阶、上下坡等。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.四足机器人地形感知方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1，利用四足机器人本体传感器，计算每条腿的足端在世界坐标系下的位置；
S2，将四条腿的足端位置代入地形三维平面方程，获得地形信息；
所述的地形三维平面方程式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
（1）
式（1）中，
Figure 331930DEST_PATH_IMAGE002
为足端在世界坐标系下的位置；
所述S2具体包括：
S2.1，将四条腿的足端位置代入公式（1），建立超定方程组
Figure DEST_PATH_IMAGE003
；
S2.2，采用公式（2）求解超定方程组
Figure 304302DEST_PATH_IMAGE003
的最小二乘解
Figure 915412DEST_PATH_IMAGE004
：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
（2）
式（2）中，
Figure 816503DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
表示违逆；
Figure 979807DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
表示四条腿足端在世界坐标系下位置的y轴分量；
Figure 444287DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
表示四条腿足端在世界坐标系下位置的x轴分量；
Figure 785269DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure 247475DEST_PATH_IMAGE004
为地形三维平面方程参数。
2.根据权利要求1所述的四足机器人地形感知方法，其特征在于：所述S1中，利用四足机器人的惯性传感器和电机编码器，计算每条腿的足端在世界坐标系下的位置。
3.四足机器人运动控制方法，其特征在于：它根据如权利要求1或2所述的四足机器人地形感知方法获得的地形信息，来规划机器人的姿态、和/或足端轨迹、和/或质心轨迹；
采用公式（3）规划机器人的姿态：
Figure DEST_PATH_IMAGE013
（3）
Figure 906864DEST_PATH_IMAGE014
；
式（3）中，
Figure DEST_PATH_IMAGE015
为机器人在世界坐标系的期望姿态，
Figure 925767DEST_PATH_IMAGE016
为输入的机器人相对于地形平面的期望姿态，
Figure DEST_PATH_IMAGE017
为地面地形旋转矩阵，
Figure 91562DEST_PATH_IMAGE018
为地形平面相对于海平面的翻滚角，
Figure DEST_PATH_IMAGE019
为俯仰角，
Figure 52565DEST_PATH_IMAGE020
为偏航角；
Figure DEST_PATH_IMAGE021
表示欧拉角转旋转矩阵，
Figure 372819DEST_PATH_IMAGE022
表示旋转矩阵转欧拉角；
设落足点在水平面的投影坐标为
Figure DEST_PATH_IMAGE023
，采用公式（4）规划机器人的足端轨迹：
Figure 287423DEST_PATH_IMAGE024
（4）；
设期望质心在水平面的投影坐标为
Figure DEST_PATH_IMAGE025
，采用公式（5）规划机器人的质心轨迹：
Figure 258790DEST_PATH_IMAGE026
（5）。
4.根据权利要求3所述的四足机器人运动控制方法，其特征在于：
Figure DEST_PATH_IMAGE027
，
Figure 610268DEST_PATH_IMAGE028
，
Figure DEST_PATH_IMAGE029
。
5.四足机器人运动控制系统，其特征在于：可实现如权利要求3或4中的四足机器人运动控制方法，四足机器人运动控制系统包括：
足端位置测量模块：负责根据四足机器人本体传感器的检测数据，计算每条腿的足端在世界坐标系下的位置；
地形感知模块：负责根据每条腿的足端位置获得地形信息；
姿态规划模块：负责根据地形信息以及输入的期望姿态规划机器人的姿态；
足端规划模块：负责根据地形信息规划机器人的足端轨迹；
质心规划模块：负责根据地形信息规划机器人的质心轨迹；
运动控制器：负责根据规划的姿态、足端轨迹、质心轨迹，控制机器人的运动。
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