四足机器人在变刚度地形稳定过渡的腿部主动调节方法

本发明属于四足机器人运动研究的
技术领域：
：，具体涉及一种四足机器人在变刚度地形稳定过渡的腿部主动调节方法。
背景技术：
：：相比大多数的轮式和履带式移动机器人，足式仿生机器人在非结构环境下的适应能力更强。其中的四足机器人在稳定性、动态性能和控制难易程度等评价因素综合来看优势明显，因此在家庭服务、灾难救援等领域的应用前景受到研究学者们的广泛关注然而，地表条件复杂多样，在这种环境下要顺利实现四足机器人在多样化地面稳定过渡往往不易。willbosworth等人通过superminicheetah机器人在软硬地面间的动态跳跃实验，并原地测量地面阻抗和摩擦力以提高在未知多变地形下的动态运动性能，发现从硬质到软性表面的过渡需要实时的地面特性测量和控制器的自适应。同时，不同环境条件下的刚度和阻尼并非一致，当四足机器人前腿踏入软性地面(如草地)上，后腿处于硬质路面(如柏油马路)，此时前后两足端所处地面刚度差异明显，如果不进行适当的调整，机器人会因这种差异导致自身姿态的倾斜甚至翻倒。对于如何保证四足机器人在复杂地形上姿态平稳这一问题，学术界普遍采用的方法有以下三种。一种是基于零力矩点(简称zmp)。周坤等人基于zmp的稳态判据对爬行步态进行了规划，通过摆动腿的落地感知未知地形的高度和坡度参数信息，实时调整各支撑腿长用以调整质心高度和机身姿态，实现了对未知复杂地形的自适应稳定行走。但是当四足机器人以快速对角小跑等中高速步态行进时，有时会出现只有两条腿着地甚至四足同时腾空无法满足支撑多边形的情况。第二种是采用中枢模式发生器(cpg)的方法，借鉴四足动物的节律运动。韦中等人利用仿生的脊柱结构，提出一种适用于粗糙可变地形的对角小跑运动控制策略，并基于cpg的原理，感知机器人本体状态和足端接触力对所规划的步态进行调节。但基于cpg的方法通常对参数依赖性过强，控制器设计复杂，且多应用于静步态。第三种是采用柔顺的腿部关节机构以应对外界环境变化。kevinc.galloway等人首次通过实验证明被动变刚度腿部顺应性可以提高自主动态运行机器人移动速度和效率，以适应地形和有效载荷的变化。edinkoco等人设计了一种用于变刚度地形的四足机器人腿部可变被动顺应单元(vpc)，该单元以闭环的方式改变腿部刚度，用以适应变化的地形特征，确保在大范围的地形刚度变化中保持恒定的跳频。(christiemd,suns,ningdh,etal.ahighlystiffness-adjustablerobotlegforenhancinglocomotiveperformance.mechanicalsystemsandsignalprocessing,2019,126(jul.1):458)文章中采用滚动弹簧加载倒立摆(r-slip)形态学的方法，提出了一种磁流变流体中心(mrf)可变刚度腿，以及张小俊等人设计的一种基于主被动变刚度柔性关节(apvsj)等。然而使用变刚度柔性关节的方法往往容易使腿部惯量和整体结构尺寸偏大，影响机器人的动态响应性能。对四足机器人的研究，很多方面的很多问题学术界给出了各种问题的解决方法，让四足机器人越来越成熟。尽管如此，四足机器人本身仍然有很多待解决的问题，比如，现在大部分的四足机器人研究的前提都是平地，而对非平地状态下的行走控制研究较少。此外，以往大多数对机器人在不同地面刚度情况下行走的研究时依靠摄像机、雷达、地面成像等来解决，这样增加了机器人的复杂程度，增加了成本，不利于大规模推广。再者，目前很多研究方法虽然较好，但过于复杂，无论是计算，还是原理，成本很高。因此，如何较简单地解决四足机器人在不同地面软硬度不同的情况下行走而不易摔倒是目前急需解决的问题。技术实现要素：本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种四足机器人在变刚度地形稳定过渡的腿部主动调节方法，该方法计算简单，成本较低，能解决四足机器人在地面软硬度不同的情况下行走而不易摔倒的问题。为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种四足机器人在变刚度地形稳定过渡的腿部主动调节方法，其特征在于，包括如下方法：s1：在四足机器人以对角步态着地时，对机器人在角步态下的机身姿态进行分析并计算机身偏移角度，根据机器人机身偏移角度调整机器人对角腿的等效长度，使得机身平衡；s2：在机器人腾空状态下，通过规划腾空阶段机器人的落足点位置来控制腿部的摆动角度实现对前向速度控制；s3：在机器人腾空着地时，将机器人对角腿的等效刚度补偿到腿部的主动变刚度计算中以调节等效腿长，从而实现对机体俯仰姿态的纠正；s4：对四足机器人着地相姿态反馈控制，实时得出机器人的机身变化，再根据机器人着地机身的变化实时调整机器人虚拟弹簧刚度变化，获取更好平衡效果；s5：在机器人下一个跳跃周期开始通过增加机器人腿部电机功率为机器人的跳跃提供额外的能量补偿。进一步地，在步骤s1中，机器人机体上的角速度陀螺仪接收机身出现偏转的信号，角速度陀螺仪根据接收到的偏转信号改变自身的偏转角速度，陀螺仪发生偏转的角速度wc与机器人机身偏转角度存在以下关系：对角速度wc求积分得出机体偏移角度θbody，主控设备根据接收到的机体偏移角度θbody和角速度wc确定机器人腿部电机所需要的脉冲信号，通过脉冲信号数量，控制机器人腿部电机转角大小，从而改变对角腿的等效长度，使得机身平衡。进一步地，在步骤s2中，通过对腾空相落足点位置的规划实现前向速度控制，其具体通过以下公式进行控制：式中，xf,d为虚拟弹簧腿期望的前向落足点位置,是机身的实际水平速度，是机身的期望水平速度，kp为反馈误差增益，ts是着地时间；在四条腿的运动中引入状态机判断腾空位置并基于位置控制，通过多项式规划腿部的摆动角度，再利用逆运动学解算得到相应的各个期望关节角度，通过与实时的关节角比较，将差值经过pd控制器转化为对应的关节力矩用来驱动机器人关节转动以使得其中一对对角腿按合适的触地角着地，使机器人获得合适的净向前加速度，机身加速或者减速，达到期望的水平速度值。进一步地，在步骤s2中，具体采用以下格式利用逆运动学解算得到相应的各个期望关节角度：式中，l0虚拟腿长，l1为大腿的长度，l2为小腿的长度，θ1为侧摆髋关节角，θ2为前摆髋关节角度，θ3为膝关节角度，xf,d为虚拟弹簧腿期望的前向落足点位置，xs为腿部末端侧边移动的垂直距离；根据上述公式计算得到在期望落足点处的各关节角度，再将实时角度与计算得到的角度进行比较从而调整各关节处电机的转动角度。进一步地，在步骤s3中，建立机器人腿部主动变刚度调节公式从而实现机器人腿部虚拟弹簧刚度的调节控制，公式具体为：maz+mg＝(k1+δk)x4cos(θ4(t))+k1x1cos(θ1(t))式中，δk等效刚度变化量，k1为一对对角腿中的其中一只腿与软性地面接触时的耦合刚度，x1为一对对角腿中的其中一只腿与地面的等效压缩量，x4为一对对角腿中的另一只腿与地面的等效压缩量，az是机身垂直方向的加速度，g是重力加速度，俯仰角加速度ay是俯仰角θpitch对时间的二次微分，θ1(t)为一对对角腿中的其中一只腿的等效摆角，θ4(t)为一对对角腿中的另一只腿的等效摆角，m、j分别是机身质量和转动惯量大小，l为机身长度；由上述两个公式联立求解可得到虚拟等效刚度变化量δk：将δk加入到需要补偿的腿的刚度计算中，通过主控制器程序实现对腿部刚度值的调节，进而转化为膝关节力矩τ3以调整等效腿长，从而实现对机体俯仰姿态的纠正。进一步地，在步骤s4中，对于四组机器人运动过程中产生的姿态偏移，通过以下公式调整机器人虚拟弹簧刚度变化：式中τpitch为机身俯仰角的调节力矩，τroll为机身滚转角的调节力矩，kp_pitch为机身俯仰角的位置反馈增益，kp_roll机身滚转角的位置反馈增益，kv_pitch机身俯仰角的速度反馈增益，kv_roll机身滚转角的速度反馈增益，θpitch为机身俯仰角，θroll为机身滚转角，为机身俯仰角的角速度，为机身滚转角的角速度，θpitch_desire为期望俯仰角，θroll_desire为期望的滚转角，其中，θpitch_desire、θroll_desire一般设置为0。公式中θpitch、θroll、机身俯仰角和滚转角以及相对应的俯仰角速度和滚转角速度由陀螺仪测得的相应数据积分得到，根据上述两式计算各腿部关节的调节力矩，将调节力矩通过程序转换为电机的扭矩以及转速并作用于所需调节的电机上，即给不同的电机施加相应的脉冲信号。与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明提出的一种基于运动方程推导的腿部主动变刚度调整策略，该策略与姿态反馈相结合的调整方法使机身俯仰姿态取得了更好的控制效果，简单有效地解决四足机器人在地面软硬度不同的情况下行走而不易摔倒的问题，相比于其他冗杂的方法，其控制方法简单的同时又能够保证机身侧向滚转姿态保持在一定的误差范围内；此外，该方法不需要对机器人关节进行改变，减小了整体冗余，对于对角小跑等动步态也能实现调整过程的自适应。附图说明图1为本发明实施例四足机器人在变刚度地面上的姿态偏移示意图；图2为本发明实施例机器人各条腿序号示意图；图3为本发明实施例四足机器人单腿分析示意图；图4为本发明实施例四足机器人腾空相控制原理图；图5为本发明实施例四足机器人着地相控制原理图；图6为本发明实施例机器人三位实体模型。具体实施方式下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。对四足机器人在变刚度地面下的过渡情形进行分析。当四足机器人着地时，由于前支撑腿落足点处于较小刚度地面，后支撑腿落足点处于另外较大刚度的地面，当着地的两虚拟弹簧腿的刚度相同，而足端接触力的不同，导致两腿压缩量存在差异，随后与腿部所连接的机身发生更大幅度的翻转现象。若不进行及时的调整，机器人的姿态偏移量会累积，当累积量达到一定程度，机身与地面会发生碰撞，损坏机械结构和电子设备。鉴于上述存在的问题，本发明提供一种四足机器人在变刚度地形稳定过渡的腿部主动调节方法，以解决在变刚度地形过渡所造成的机身平衡的问题，包括如下步骤：s1：在四足机器人以对角步态着地时，对机器人在角步态下的机身姿态进行分析并计算机身偏移角度，根据机器人机身偏移角度调整机器人对角腿的等效长度，使得机身平衡；在四足机器人以对角步态着地时，对机器人运动分析，这里给出机器人的运动方程，方程如下：maz＝k4x4cos(θ4(t))+k1x1cos(θ1(t))-mg(1)式中，k1为一对对角腿中的其中一只腿与地面接触时的耦合刚度，k4为一对对角腿中的另一只腿与地面接触时的耦合刚度，x1为一对对角腿中的其中一只腿与地面的等效压缩量，x4为一对对角腿中的另一只腿与地面的等效压缩量，az是机身垂直方向的加速度，g是重力加速度，俯仰角加速度ay是俯仰角θpitch对时间的二次微分，θ1(t)为一对对角腿中的其中一只腿的等效摆角，θ4(t)为一对对角腿中的另一只腿的等效摆角，m、j分别是机身质量和转动惯量大小，l为机身长度；结合图1分析，图中坐标系{g}是固定在地面上的全局坐标系，坐标轴x的正向是四足机器人的水平前进方向，坐标轴z的负向是重力加速度的方向，l是机身的长度，机身质量和转动惯量大小分别是m、j，khard为硬质(hard)地面的地面刚度，ksoft为软性(soft)地面的地面刚度，chard为硬质(hard)地面的阻尼值，csoft分别为软性(soft)地面的阻尼值。地面与虚拟弹簧腿之间的接触相当于两个弹簧的串联，于是可得着地腿①与软性地面接触时的耦合刚度k1以及腿④与硬质地面接触时的耦合刚度k4，根据机器人机身硬件配置(机器人小腿与大腿之间一个电机和机器人肩部两个方向电机)进行计算，即电机所发出的额脉冲数量与脉冲当量之积可以得到一只腿的三个角度：小腿转角、大腿转角及肩部转角。由小腿转角和大腿转角，根据三角定理得大腿的等效长度l*，即：l*＝lcosθ(3)同样三角定律获得小腿得等效长度，θ是大腿电机转过的角度，l是大腿的长度。小腿与大腿等效长度之和为整个腿等效长度(即机器人肩部到地面得垂直距离)，其与对角腿的等效长度之差为δl，再三角定理计算,即：l为机身长度也即对角腿垂直距离，由式(4)即可得θpitch机身俯仰角。由于两腿与地面的耦合刚度不同，即k1与k4不相等，具体地，可以通过着地腿与地面接触时的耦合刚度计算公式来分别计算k1与k4，其计算公式分别为：公式中，数kleg、khard、ksoft分别为机器人腿的等效刚度、硬质(hard)地面和软性(soft)地面的地面刚度。由上述公式可以计算出k1与k4不相等，即对角腿部对机身的反作用力的不对等，则会导致机身转动，机身姿态会出现变换，机身出现不平衡就会使得机体上的角速度陀螺仪信号发生变化，从而得到陀螺仪发生偏转的角速度，由以下公式进行计算：对角速度wc求积分得出机体偏移角度θbody，根据计算得到的机体偏移角度θbody，主控设备通过程序确定机器人腿部电机所需要的脉冲信号，通过脉冲信号数量，控制电机转角大小，进而根据三角定律改变对角腿的等效长度，使得机身平衡。s2：在机器人腾空状态下，通过规划腾空阶段机器人的落足点位置来控制腿部的摆动角度实现对前向速度控制；在对机器人跳跃腾空的过程中进行调节时，结合图2的机器人各条腿的分布示意图进行说明。各个腿的序号依次是①②③④，其中腿①、④互为对角腿，腿②、③是另一对。对于前进速度，机器人足端在腾空结束后触地的位置直接影响了后续着地状态下的加速度。为了达到使机器人加速或减速的目的，控制系统引入了不对称性，以调节前进速度大小，使其能从一种前进速度变化到另一种前进速度，也就是说通过主控设备调节输入电机的脉冲信号，间接改变电机转动速度和力矩。通过在腾空阶段规划落足点位置实现对前向速度控制，即式(6)中，xf,d为虚拟弹簧腿期望的前向落足点位置,分别是机身的实际水平速度和期望水平速度，kp为反馈误差增益，ts是着地时间。四条腿的运动引入状态机判断腾空状态并基于位置控制，通过多项式规划腿部的摆动角度，利用逆运动学解算得到相应的各个期望关节角度，结合图3有如下公式：上式中，l0虚拟腿长为定值，l1为大腿的长度，l2为小腿的长度，θ1为侧摆髋关节角，θ2为前摆髋关节角度，θ3为膝关节角度，xf,d为虚拟弹簧腿期望的前向落足点位置，xs为腿部末端侧边移动的垂直距离，即规划落点的垂直方向距离。将得到的角度与实时的电机转动位置角度比较，使其中一对对角腿(这里以腿①、腿④为例)按合适的触地角着地，使落足点远离或接近中性点，使机器人获得合适的净向前加速度，机身加速或者减速，以达到期望的水平速度值。同时另外一对对角腿摆动到合适的位置，为下一周期的着地状态做好触地准备。如图3所示，τ1、τ2、τ3分别是侧摆髋关节、前摆髋关节和膝关节的驱动力矩，l1、l2、r(t)分别为大腿、小腿和等效弹簧腿的长度。θ1、θ2、θ3、θ(t)分别是侧摆髋关节角度、前摆髋关节角度、膝关节角度和等效摆角。实时前摆髋关节与膝关节角度信息可由几何关系计算得到，实际的侧摆髋关节角θ1则由安装在侧摆关节处的角度传感器测出，得其转动角度，得到转动角度之后，可以通过电机的脉冲数量与电机步进角的乘积得到各关节处对应电机需要转过的角度，四足机器人腾空相具体控制流程见图4。s3：在机器人腾空着地时，将机器人对角腿的等效刚度补偿到腿部的主动变刚度计算中以调节等效腿长，从而实现对机体俯仰姿态的纠正；在该步骤中，主动变刚度调节过程是通过对机器人腿部电机功率控制从而间接控制机器人腿部的虚拟弹簧刚度控制，具体给出如下计算公式:maz+mg＝(k1+δk)x4cos(θ4(t))+k1x1cos(θ1(t))(13)式中，δk等效刚度变化量，k1为对角腿中的腿①与软性地面接触时的耦合刚度，x1为对角腿中的腿①与地面的等效压缩量，x4为一对对角腿中的腿④与地面的等效压缩量，az是机身垂直方向的加速度，g是重力加速度，俯仰角加速度ay是俯仰角θpitch对时间的二次微分，θ1(t)为对角腿中的腿①的等效摆角，θ4(t)为对角腿中的腿④的等效摆角，m、j分别是机身质量和转动惯量大小，l为机身长度；由上述公式(8)、(9)联立求解可得到虚拟等效刚度变化量δk：上式中等效压缩量x1、x4分别为上式中，v0是机器人当前步态周期着地时的垂直速度，积分时间t的起始时刻为机身下落至最低点的时刻，终止时刻为当前步态周期下的离地时刻wy是机身的俯仰角速度，az是机身受到地面反作用力而得到的一个竖直方向的加速度。结合上该步骤中前述公式，在这里给出机器人当前步态周期着地时的垂直速度公式，即：v0是机器人当前步态周期着地时的垂直速度，可采用上一周期着地时的速度进行估计，从下落至最低点到足端离地的时间内，以下落至最低点的时刻作为积分下限，以离地腾空瞬间的时刻作为积分上限，控制系统时间上限以及时间下限通过状态机的状态转换计算得到，对加速度进行积分可以得到上一步态周期离地时的垂直速度。离地开始腾空后，忽略空气阻力等外部因素的作用，此时机器人整体只受到自身重力的影响，因此从上一周期离地到当前周期着地的时间差与重力加速度的乘积便可得到当前周期着地时刻与上一周期离地时刻的速度变化量，便可得到v0的计算公式。计算v0的公式中，分别是上一步态周期的离地时刻和着地时刻，为当前周期的着地时刻，g是重力加速度。最后将计算得到的x1、x4和其他测量值代入公式(15)中求得等效刚度δk的大小，将δk加入到需要补偿的腿的刚度k计算中，通过主控制器程序实现对腿部刚度值的调节，转化为膝关节力矩τ3，这里给出如下转换公式：k＝k0+δkf＝k(l0-l)其中，k0为腿等效刚度，l0为虚拟腿触地开始时刻长度，l为虚拟腿与地面接触压缩后的长度。此处结合步骤2中的图三，可知参数l1,l2,θ3，从而计算得出关节力矩再根据计算的关节力矩调整脉冲输入进而调整相应电机的转动角度与速度，以间接调整等效腿长，从而实现对机体俯仰姿态的纠正。s4：对四足机器人着地相姿态反馈控制，实时得出机器人的机身变化，再根据机器人着地机身的变化实时调整机器人虚拟弹簧刚度变化，获取更好平衡效果；此时已经完成对机器人机身控制的大部分工作，最后加入机器人行走过程中机身的反馈调节，结合图5，使机身控制更加精准。对机身控制主要体现在机器人行走过程中的机身俯仰角和两侧边机身偏移及角度变化，这些变化直观体现就是会导致陀螺仪与理想设定的状态角度有差值。对于四组机器人运动过程中产生的姿态偏移，常规的解决办法是在着地时利用腿部对机身施加反作用力，即：式中τpitch为机身俯仰角的调节力矩，τroll为机身滚转角的调节力矩，kp_pitch为机身俯仰角的位置反馈增益，kp_roll机身滚转角的位置反馈增益，kv_pitch机身俯仰角的速度反馈增益，kv_roll机身滚转角的速度反馈增益，θpitch为机身俯仰角，θroll为机身滚转角，为机身俯仰角的角速度，为机身滚转角的角速度，θpitch_desire为期望俯仰角，θroll_desire为期望的滚转角，其中，θpitch_desire、θroll_desire一般设置为0。公式中θpitch、θroll、机身俯仰角和滚转角以及相对应的俯仰角速度和滚转角速度由陀螺仪测得的相应数据积分得到，根据上述两式计算各腿部关节的调节力矩τ，将调节力矩τ通过程序转换为电机的扭矩以及转速并作用于所需调节的电机上，即给不同的电机施加相应的脉冲信号。该步骤利用机器人腿部电机的力矩变化对机身施加反作用力，腿部产生的力反作用于机身，从而就可以抵消机身姿态的偏移。s5：在机器人下一个跳跃周期开始通过增加机器人腿部电机功率为机器人的跳跃提供额外的能量补偿。上文的步骤s3中已经说明机器人在跳跃过程中会有能量损失，所以要使机器人按预期的轨迹进行，需要对机器人进行能量补偿，能量补偿直接体现就是控制器对机器人电机的控制，即在机器人跳起后，状态机检测到机器人已腾空时，控制器控制各个电机转动到设定的相应位置，等待机器人着地。而在机器人着地后，由控制器主导，外加重力势能的转换，能够使得机器人腿部的等效弹簧压缩至对应位置，也就是说当下一次跳跃时，要使得机器人腿部电机转动到上一次跳跃的程序数值，给予电机相应的脉冲数量以及脉冲速度，即每一次跳跃过程都使用同样的参数从而减小跳跃过程中的误差累计。为了验证上述方法，建立机器人仿真模型，四足机器人整机共12个关节，其中单腿有3个关节，分别是侧摆髋关节、前摆髋关节和膝关节。实体模型的机身形状设置为长方体，侧摆关节形状是球体，前摆髋关节与膝关节为长方体，足端的形状为球体，具体如图6所示，机器人模型重要参数则见表1。表1为机器人模型的重要参数通过对机器人仿真结果的分析，可以得到对角双足在地面刚度相差较大的环境下，仅仅通过常规的姿态反馈方法难以对机身姿态的控制调整到理想的效果，而利用本发明的腿部主动变刚度策略并加以常规姿态反馈作为补偿的方法，在侧向滚转姿态得以稳定的前提下，俯仰姿态的平衡控制取得了较好的实验效果。以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。当前第1页12当前第1页12