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复杂地形环境四足机器人运动控制

  • 1 四足机器人全方位移动控制
    • 1.1 四足机器人前进足端轨迹规划
    • 1.2 基于足端运动速度估计的步程计设计
  • 2 四足机器人在斜坡上的移动控制方法
  • 2.1 四足机器人的姿态控制与支撑位置调整策略
  • 3 基于静步态的崎岖地形移动控制方法
  • 3.1 触地状态感知
  • 3.2 四足机器人的行走控制方法
      • 3.2.1 四足机器人的主步态
      • 3.2.2 四足机器人质心位置调整策略
      • 3.2.3 四足机器人躯干姿态调整策略
      • 3.2.4 四足机器人腿长度调整策略

(1)腿足式运动的落足点是离散的,可以在足的可达空间内选择最优支撑
点,可以跨越障碍,提高了对崎岖地面的适应能力。
(2)腿足式运动能实现全方位移动,运动更加灵活。
(3)腿足式运动可以主动隔振,即躯干质心运动轨迹与足端轨迹解耦,在地
面高低不平时身体仍可保持平稳。
(4)腿足式运动在不平坦或松散地面上仍能实现较高的移动速度,能耗不会
显著增加。

四足比双足稳定性更强,而且比六足和八足结构简单,既有较好的静态稳定性,又有较好的动态性能,是最经济实用的配置形式。

从结构来看,四足机器人主要分为两类,仿爬行动物型仿哺乳动物型。仿爬行动物型四足机器人的腿位于躯干两侧,支撑面积大,质心低,静态稳定性高;仿哺乳动物型四足机器人的腿位于躯干下方,利于奔跑和弹跳,由于足端与躯干的水平距离近,重力的力臂小,负载能力较强。

动态步态分为对角小跑(Trot)、蹈蹄(Pace),跳跃(Bound),疾驰(Gallop)

四足机器人的运动控制方法主要有两种:基于CPG和基于模型的控制方法
CPG是使机器人像动物那样进行节律运动,并具有对环境的适应能力。基于模型的运动控制方法应用更加广泛,它需要先对机器人进行运动学、动力学建模,通过模型精确规划各关节的位置或力实现机器人的稳定运动这种控制方法移动速度较慢,但越障能力极强。

1 四足机器人全方位移动控制

1.1 四足机器人前进足端轨迹规划

首先规划足端运动轨迹,然后使用逆运动学计算各关节角度,最后使用伺服控制器实现关节位置伺服。其特点如下:
(1)轨迹连续;
(2)速度连续;
(3)摆动腿在触地前即开始后撤;
(4)支撑腿在离地后仍后撤一段距离;
(5)支撑相速度基本恒定。

通过在X轴和Z轴分别规划足端轨迹,其中X轴方向的运动实现足端的前后摆动,Z轴方向实现足端的抬落。

对于X轴方向,支撑相的足端轨迹为直线,摆动相使用三次曲线。对于Z轴方向,支撑相为恒值,摆动相使用余弦曲线。

Trot步态的特点为对角腿同步,同侧腿反相,运动姿态稳定,移动速度较快。

将前后方向、左右方向和自转方向的运动进行合成,实现了四足机器人在平地上的全方位移动。

1.2 基于足端运动速度估计的步程计设计

里程计是移动机器人进行自身定位和建立环境地图的重要部分,基于足端与地面无滑动的假设,依据腿部相对于躯干的运动计算机器人的移动速度获得步程计。

2 四足机器人在斜坡上的移动控制方法

2.1 四足机器人的姿态控制与支撑位置调整策略

当机器人走上斜坡时,躯干质心在支撑多边形内的投影点会沿斜坡负梯度方向偏移,影响机器人行走时的稳定性。四足机器人需要依据地形信息进行足端支撑位置调整,保持足端与地面的良好接触。

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当四足机器人爬坡时,需要将支撑位置调整和躯干姿态调整相结合,根据躯干姿态信息实现足端位置的坐标映射,通过加入惯性环节以减小姿态扰动对足端位置调整的影响。

3 基于静步态的崎岖地形移动控制方法

机器人仅依赖内部传感器完成本体感知和触地状态感知,即可实现崎岖地形的自主行走。

3.1 触地状态感知

四足机器人足端的触地状态检测对于机器人的稳定运动十分关键,它决定了各足迈步运动的切换时机。

目前最简单、最直接的方式是在足端安装力传感器,但其包含以下缺点:
(1)增加了足部质量和转到惯量,当腿部高速摆动时受到更大的惯性力。降低了运动速度;
(2)机器人行走过程中足端触地角度并不固定,当小腿倾斜角度比较大时,足端力传感器实际受力方向与期望受力方向不一致,造成漏检测甚至力传感器损坏。采用多维力传感器可以解决这个问题,但这样会进一步增加足端重量;
(3))由于地形未知,机器人迈步时除了足端外,小腿和膝盖也可能触地,足端力传感器无法识别这种情况,会造成主动失稳。

采用基于关节力信息进行触地状态检测的方案,当外力超过一定阈值时判定摆动腿已触地,进行状态机的状态切换

3.2 四足机器人的行走控制方法

3.2.1 四足机器人的主步态

迈步阶段可分为抬足和落足两个子阶段。为使机器人保持行进速度不变,所有支撑足都已恒定速度后撤。在抬足阶段,为避免摆动腿在抬足时误碰台阶,摆动腿边抬起边随支撑腿后撤;落足阶段足端沿弧线下落,检测到触地事件则结束下落,状态机切换至下一状态,若在期望的落足时间内没有踩到地面,则意味着行进至地面凹陷处,此时停止前行,收缩三条支撑腿,直到摆动腿检测到触地事件。

3.2.2 四足机器人质心位置调整策略

根据机器人倾倒方向不同,将其分为内倾和外倾。内倾是倒向摆动腿一侧,外倾是指四足机器人倒向支撑多边形外侧。
四足机器人质心位置调整的目标是在保证不发生内倾的情况下,尽量减小调整量,进而减少四足支撑相时间,增加机器人的平均移动速度。在三足支撑阶段,为保持机器人稳定,应当使质心在支撑面内的投影落于支撑多边形内部

基于内外倾稳定裕度比值k,当k偏大时,质心在支撑面内的投影靠近支撑对角线,机器人容易发生内倾;当k偏小时,质心在支撑面内的投影原理支撑对角线,容易发生外倾。

3.2.3 四足机器人躯干姿态调整策略

根据机器人的躯干姿态,进行足端的坐标映射,使爬行步态规划与坡面上的调整分解为两个独立任务,爬行步态规划用于产生适用于在水平地形爬行的步态,同时根据各支撑腿的高度估计地形坡度并进行相应姿态调整,使重心在支撑面内的投影位置与在水平地形时相同,保证稳定性。

3.2.4 四足机器人腿长度调整策略

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