CN109857131A - 一种足式机器人两足-四足姿态变换控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开提供了一种足式机器人两足‑四足姿态变换控制方法，可以根据需要很方便的变换为两足机器人或四足机器人，兼具了两足机器人和四足机器人的优点和功能。在两足机器人和四足机器人的变换过程中，针对建模过程中存在不确定因素的特点，利用滑模变结构控制确定机器人本体的旋转速度，提高了系统的鲁棒性，使足式机器人在姿态变换过程中始终保持平衡。

Description

一种足式机器人两足-四足姿态变换控制方法

技术领域

本发明涉及足式机器人技术领域，更具体的说是涉及一种足式机器人两足-四足姿态变换控制方法。

背景技术

足式机器人的研究始于1960年代，是仿生学在移动机器人上的成功应用，是通过模仿哺乳动物、昆虫、两栖动物等的腿部结构和运动方式而设计的机器人系统。相对于轮式和履带式机器人，足式机器人对地形的要求低，既可以在平地上行走，也可以在崎岖的地面行走，对环境的适应能力强，具有更好的灵活性和稳定性，近年来一直是国际上机器人领域研究的热点。其中，两足机器人﹑四足机器人﹑六足机器人和八足机器人研究最多。

两足机器人以人为模仿对象，直立行走，左右腿交替，有着良好的自由度，动作灵活、自如，更适合在人类的工作环境与人协同工作，在护理老人，康复医疗等方面具有很大的应用潜力。四足机器人以四足动物为模仿对象，相比较两足机器人，其行走具有更好的稳定性和负载能力，又拥有比六足和八足机器人更大的腿部移动空间、较小的机构冗余性和控制复杂度。

虽然两足机器人和四足机器人结构相似，但是在足式机器人由两足变四足的下蹲弯腰阶段或足式机器人由四足变两足的直立动作阶段，由于建模过程参数的不准确现象，包括重力﹑长度参数以及重心位置等均会存在误差，机器人在动作过程中会出现不平衡现象，前后摇摆，甚至摔倒。导致目前的足式机器人无法直接在两足与四足之间切换，兼具两足机器人与四足机器人的优点和功能。

发明内容

针对以上问题，本发明的目的在于提供一种足式机器人两足-四足姿态变换控制方法，可以根据需要很方便的变换为两足机器人或四足机器人，兼具了两足机器人和四足机器人的优点和功能。在两足机器人和四足机器人的变换过程中，针对建模过程中存在不确定因素的特点，利用滑模变结构控制确定机器人本体的旋转速度，提高了系统的鲁棒性，使足式机器人在姿态变换过程中始终保持平衡。

本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：一种足式机器人两足-四足姿态变换控制方法，所述足式机器人包括机器人本体、一对机械上肢和一对机械腿，所述机械上肢分别对称安装在机器人本体上部的左右两侧，机器人本体的下端设有机械胯部，机械腿分别对称安装在机械胯部的左右两侧；所述机械上肢包括大臂、小臂和手部，大臂的上端通过转动关节与机器人本体铰接、大臂的下端通过转动关节与小臂的上端铰接，小臂的下端通过转动关节与手部铰接；所述机械腿包括大腿、小腿和脚部，大腿的上端通过转动关节与机械胯部铰接，大腿的下端通过转动关节与小腿的上端铰接，小腿的下端通过转动关节与脚部铰接；所述脚部的脚底前后两端、手部上均安装有压力传感器；足式机器人两足-四足姿态变换控制方法包括：

判断足式机器人的当前姿态；

如果足式机器人的当前姿态为直立站姿，控制足式机器人执行四足运动姿态变换方法；

如果足式机器人的当前姿态为爬行姿态，控制足式机器人执行两足运动姿态变换方法。

进一步，所述四足运动姿态变换方法具体包括如下步骤：

步骤1：小腿和机械上肢保持竖直状态，大腿以第一预设转速向后旋转，同时机器人本体以通过滑模变结构控制方法计算得出的实时旋转速度向前旋转，当手部压力传感器的压力值不为0，停止旋转；

步骤2：小腿保持竖直静止状态，大腿以第二预设转速向前旋转，同时左侧机械上肢向前迈出第一预设位移，右侧小臂保持竖直状态，右侧大臂配合向前旋转，驱动机器人本体前移，当左侧手部压力传感器的压力值不为0时，停止旋转；

步骤3：小腿保持竖直静止状态，大腿以第三预设转速向前旋转，同时右侧机械上肢向前迈出第一预设位移，左侧小臂保持竖直状态，左侧大臂配合向前旋转，驱动机器人本体前移，当右侧手部压力传感器的压力值不为0时，停止旋转；

步骤4：判断足式机器人的当前姿态是否为爬行姿态，如果否，转到步骤2；如果是，四足运动姿态变换完成。

进一步，所述两足运动姿态变换方法具体包括如下步骤：

步骤1：小腿保持竖直静止状态，大腿以第二预设转速向后旋转，同时左侧机械上肢向后迈出第一预设位移，左侧小臂和右侧小臂均保持竖直状态，右侧大臂配合向后旋转，驱动机器人本体后移，直至左侧机械上肢落地支撑，旋转停止；

步骤2：小腿保持竖直静止状态，大腿以第三预设转速向后旋转，同时右侧机械上肢向后迈出第一预设位移，右侧小臂和左侧小臂均保持竖直状态，左侧大臂配合向后旋转，驱动机器人本体后移，直至右侧机械上肢落地支撑，旋转停止；

步骤3：判断当前机械上肢是否为竖直状态；如果是，转到下一步；如果否，转到步骤1；

步骤4：小腿和机械上肢保持竖直状态，大腿以第一预设转速向后旋转，同时机器人本体以通过滑模变结构控制方法计算得出的实时旋转速度向后旋转，直至机器人本体呈竖直状态，停止旋转。

进一步，所述滑模变结构控制方法包括：

建立足式机器人在姿态变换过程中的转动平衡方程：

其中，θ₁为机器人本体与竖直方向的角度，θ₂为大腿与竖直方向的角度，G₁为大腿重，L₁为大腿长,G₂为小腿重，L₂为小腿长,G₃为机器人本体重；沿机器人本体长度方向，L₄为机器人本体重心到机械腿的距离，L₅为机械上肢到机器人本体重心的距离；L₃为足部压力传感器的间距，F₁为足部后端压力传感器的压力值，F₂为足部前端压力传感器的压力值；

引入偏差变量e＝F₂-F₁，带入上式，得：

对上式求导，得：

其中，为机器人本体的旋转速度，为大腿的旋转速度，为偏差变量的变化速度；

为了加快控制系统的误差收敛速度，采用滑模面：

其中，a＞0,b＞0,且，a,b为奇数，k₁＞0,k₂＞0；

取机器人本体的旋转速度为控制变量，大腿的旋转速度为定值，将以上各式合并，则可以得到机器人本体的旋转速度为：

进一步，所述滑模变结构控制方法还包括：在足式机器人四足触地的姿态调整过程中，始终满足L₁(cosθ₃-cosθ₂)＝(L₄+L₅)cosθ₁,

其中，θ₃为大臂与竖直方向的角度。

进一步，所述大臂的长度与大腿的长度相等，所述小臂的长度与小腿的长度相等，大臂的长度大于小臂的长度。

进一步，所述小腿的下端通过转动关节与脚部的中点铰接。

进一步，所述手部包括手掌和与手掌连接的手指，手指在足式机器人表现为两足姿态时为展开状态，用于实现抓取动作；所述手指在足式机器人表现为四足姿态的时为向上收缩状态，手掌触地支撑；所述压力传感器安装在手掌底部，用于检测手掌是否受力。

对比现有技术，本发明有益效果在于：本发明提供了一种足式机器人两足-四足姿态变换控制方法，使足式机器人兼具了两足机器人和四足机器人的优点和功能。每一条械腿包括大腿﹑小腿和足部，机械腿分别对称安装在机械胯部的左右两侧，使其具有四个自由度。每一条机械上肢包括大臂﹑小臂和手部，机械上肢分别对称安装在机器人本体上部的左右两侧，使其具有四分自由度。在两足机器人和四足机器人的姿态变换过程中，针对建模过程中存在不确定因素的特点，利用滑模变结构控制确定机器人本体的旋转速度，提高了系统的鲁棒性，使机器人在变换过程中始终保持平衡，并建立了在四足触地姿态调整阶段机器人所要满足的几何关系。为了方便调节并简化整个控制过程，机器人的小腿或小臂较短，大腿或大臂较长。设计简单合理，为扩展足式机器人的研究和应用提供了较高的借鉴和参考价值。

由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步，其实施的有益效果也是显而易见的。

附图说明

附图1是本发明的足式机器人两足运动姿态示意图。

附图2是本发明的足式机器人四足运动姿态示意图。

附图3是本发明的方法流程图。

附图4是本发明的四足运动姿态变换方法流程图。

附图5是本发明的两足运动姿态变换方法流程图。

附图6是本发明的足式机器人弯腰过程的受力示意图。

附图7是本发明的四足运动姿态变换过程示意图。

附图8是本发明的两足运动姿态变换过程示意图。

附图9是本发明的足式机器人四足触地姿态示意图。

图中，1为机器人本体，2为机械上肢，3为机械腿，4为机械胯部，5为大臂，6为小臂，7为手部，8为大腿，9为小腿，10为脚部，11为转动关节。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做出说明。

如图1和图2所示，本发明提供了一种足式机器人，足式机器人可表现为两足运动姿态和四足运动姿态。具体包括：机器人本体1、一对机械上肢2和一对机械腿3，所述机械上肢2分别对称安装在机器人本体1上部的左右两侧，机器人本体1的下端设有机械胯部4，机械腿3分别对称安装在机械胯部4的左右两侧；所述机械上肢2包括大臂5、小臂6和手部7，大臂5的上端通过转动关节11与机器人本体1铰接、大臂5的下端通过转动关节11与小臂6的上端铰接，小臂6的下端通过转动关节11与手部7铰接；所述机械腿3包括大腿8、小腿9和脚部10，大腿8的上端通过转动关节11与机械胯部4铰接，大腿8的下端通过转动关节11与小腿9的上端铰接，小腿9的下端通过转动关节11与脚部10铰接；所述脚部10的脚底前后两端、手部上均安装有压力传感器。

如图3所示，本发明提供了一种足式机器人两足-四足姿态变换控制方法，包括：

判断足式机器人的当前姿态；

如果足式机器人的当前姿态为直立站姿，控制足式机器人执行四足运动姿态变换方法；

如果足式机器人的当前姿态为爬行姿态，控制足式机器人执行两足运动姿态变换方法。

对足式机器人当前姿态的判断，主要包括：直立站姿的判定和爬行姿态的判断。所述的直立站姿参照当前两足机器人的初始运动姿态，所述爬行姿态参照当前四足机器人的初始运动姿态。

如图4所示，四足运动姿态变换方法具体包括如下步骤：

步骤1：小腿和机械上肢保持竖直状态，大腿以第一预设转速向后旋转，同时机器人本体以通过滑模变结构控制方法计算得出的实时旋转速度向前旋转，当手部压力传感器的压力值不为0，停止旋转。

步骤2：小腿保持竖直静止状态，大腿以第二预设转速向前旋转，同时左侧机械上肢向前迈出第一预设位移，右侧小臂保持竖直状态，右侧大臂配合向前旋转，驱动机器人本体前移，当左侧手部压力传感器的压力值不为0时，停止旋转。

步骤3：小腿保持竖直静止状态，大腿以第三预设转速向前旋转，同时右侧机械上肢向前迈出第一预设位移，左侧小臂保持竖直状态，左侧大臂配合向前旋转，驱动机器人本体前移，当右侧手部压力传感器的压力值不为0时，停止旋转。

步骤4：判断足式机器人的当前姿态是否为爬行姿态，如果否，转到步骤2；如果是，四足运动姿态变换完成。

上述四足运动姿态具体变换过程，如图7所示。

如图5所示，两足运动姿态变换方法具体包括如下步骤：

步骤1：小腿保持竖直静止状态，大腿以第二预设转速向后旋转，同时左侧机械上肢向后迈出第一预设位移，左侧小臂和右侧小臂均保持竖直状态，右侧大臂配合向后旋转，驱动机器人本体后移，直至左侧机械上肢落地支撑，旋转停止。

步骤2：小腿保持竖直静止状态，大腿以第三预设转速向后旋转，同时右侧机械上肢向后迈出第一预设位移，右侧小臂和左侧小臂均保持竖直状态，左侧大臂配合向后旋转，驱动机器人本体后移，直至右侧机械上肢落地支撑，旋转停止。

步骤3：判断当前机械上肢是否为竖直状态；如果是，转到下一步；如果否，转到步骤1。

步骤4：小腿和机械上肢保持竖直状态，大腿以第一预设转速向后旋转，同时机器人本体以通过滑模变结构控制方法计算得出的实时旋转速度向后旋转，直至机器人本体呈竖直状态，停止旋转。

上述两足运动姿态具体变换过程，如图8所示。

所述四足运动姿态变换方法和两足运动姿态变换方法均采用了滑模变结构控制方法。滑模变结构控制方法具体包括：

建立足式机器人在姿态变换过程中的转动平衡方程：

其中，如图6所示，θ₁为机器人本体与竖直方向的角度，θ₂为大腿与竖直方向的角度，G₁为大腿重，L₁为大腿长,G₂为小腿重，L₂为小腿长,G₃为机器人本体重；沿机器人本体长度方向，L₄为机器人本体重心到机械腿的距离，L₅为机械上肢到机器人本体重心的距离；L₃为足部压力传感器的间距，F₁为足部后端压力传感器的压力值，F₂为足部前端压力传感器的压力值。

假定脚部受力沿L3方向为线性分布。因为在建模的过程中，参数包括重力﹑长度参数以及重心位置等均会存在误差，导致机器人在弯腰的过程中出现不平衡现象，前后摇摆，甚至摔倒。滑模变结构控制方法对模型的要求比较低，对外界扰动及参数的不确定性具有良好的鲁棒性和自适应性，因此，控制过程采用滑模变结构控制方法。

引入偏差变量e＝F₂-F₁，带入上式，得：

对上式求导，得：

其中，为机器人本体的旋转速度，为大腿的旋转速度，为偏差变量的变化速度；

为了加快控制系统的误差收敛速度，采用滑模面：

其中，a＞0,b＞0,且，a,b为奇数，k₁＞0,k₂＞0；

取机器人本体的旋转速度为控制变量，大腿的旋转速度为定值，将以上各式合并，则可以得到机器人本体的旋转速度为：

另外，在足式机器人四足触地的姿态调整过程中，始终满足

L₁(cosθ₃-cosθ₂)＝(L₄+L₅)cosθ₁,

其中，如图9所示，θ₃为大臂与竖直方向的角度。

为了简化控制和设计过程使足式机器人实现仿人直立行走。可将足式机器人设计为，大臂的长度与大腿的长度相等，小臂的长度与小腿的长度相等，大臂的长度大于小臂的长度。

为了提高机器人在下蹲过程中重心调整的能力，可将足式机器人设计为，脚部相对于踝关节前后对称。具体为：小腿的下端通过转动关节与脚部的中点铰接。通过计算足部两端压力传感器的差值，取较大值作为控制系统的偏差输入信号。

所述手部包括手掌和与手掌连接的手指，手指在足式机器人表现为两足姿态时为展开状态，用于实现抓取动作；所述手指在足式机器人表现为四足姿态的时为向上收缩状态，手掌触地支撑；所述压力传感器安装在手掌底部，用于检测手掌是否受力。

由此可见，本实施例提供了一种足式机器人两足-四足姿态变换控制方法，足式机器人由两足姿态变四足姿态的过程包括两个阶段：下蹲弯腰阶段和四足触地姿态调整阶段。在下蹲弯腰阶段，通过大腿向后旋转降低足式机器人重心，通过机器人本体向前旋转以方便足式机器人的机械上肢触地支撑，为了保持足式机器人平衡，足式机器人的大腿匀速旋转，借助于足式机器人脚部的压力传感器检测前后受力差值，作为反馈信号，采用滑模控制方法实时确定机器人本体的旋转速度，使得机器人在下蹲弯腰阶段保持平衡。在四足触地姿态调整阶段，通过机械上肢和机械腿的协调动作，将足式机器人的姿态调整至正常的四足运动状态。足式机器人由四足姿态变两足姿态的过程与两足姿态变四足姿态的过程相反，先进行四足触地姿态调整至两机械上肢受力为零，再进行站立。在站立阶段，大腿和机器人本体的旋转方向与下蹲弯腰阶段的旋转方向相反，其转速控制方法相同。在四足触地姿态调整阶段，转速大小相同，方向相反。

结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所限定的范围。

Claims (8)

1.一种足式机器人两足-四足姿态变换控制方法，所述足式机器人包括机器人本体、一对机械上肢和一对机械腿，所述机械上肢分别对称安装在机器人本体上部的左右两侧，机器人本体的下端设有机械胯部，机械腿分别对称安装在机械胯部的左右两侧；所述机械上肢包括大臂、小臂和手部，大臂的上端通过转动关节与机器人本体铰接、大臂的下端通过转动关节与小臂的上端铰接，小臂的下端通过转动关节与手部铰接；所述机械腿包括大腿、小腿和脚部，大腿的上端通过转动关节与机械胯部铰接，大腿的下端通过转动关节与小腿的上端铰接，小腿的下端通过转动关节与脚部铰接；所述脚部的脚底前后两端、手部上均安装有压力传感器；其特征在于，包括：

判断足式机器人的当前姿态；

如果足式机器人的当前姿态为直立站姿，控制足式机器人执行四足运动姿态变换方法；

如果足式机器人的当前姿态为爬行姿态，控制足式机器人执行两足运动姿态变换方法。

2.根据权利要求1所述的足式机器人两足-四足姿态变换控制方法，其特征在于，所述四足运动姿态变换方法具体包括如下步骤：

步骤1：小腿和机械上肢保持竖直状态，大腿以第一预设转速向后旋转，同时机器人本体以通过滑模变结构控制方法计算得出的实时旋转速度向前旋转，当手部压力传感器的压力值不为0，停止旋转；

步骤2：小腿保持竖直静止状态，大腿以第二预设转速向前旋转，同时左侧机械上肢向前迈出第一预设位移，右侧小臂保持竖直状态，右侧大臂配合向前旋转，驱动机器人本体前移，当左侧手部压力传感器的压力值不为0时，停止旋转；

步骤3：小腿保持竖直静止状态，大腿以第三预设转速向前旋转，同时右侧机械上肢向前迈出第一预设位移，左侧小臂保持竖直状态，左侧大臂配合向前旋转，驱动机器人本体前移，当右侧手部压力传感器的压力值不为0时，停止旋转；

步骤4：判断足式机器人的当前姿态是否为爬行姿态，如果否，转到步骤2；如果是，四足运动姿态变换完成。

3.根据权利要求1所述的足式机器人两足-四足姿态变换控制方法，其特征在于，所述两足运动姿态变换方法具体包括如下步骤：

步骤1：小腿保持竖直静止状态，大腿以第二预设转速向后旋转，同时左侧机械上肢向后迈出第一预设位移，左侧小臂和右侧小臂均保持竖直状态，右侧大臂配合向后旋转，驱动机器人本体后移，直至左侧机械上肢落地支撑，旋转停止；

步骤2：小腿保持竖直静止状态，大腿以第三预设转速向后旋转，同时右侧机械上肢向后迈出第一预设位移，右侧小臂和左侧小臂均保持竖直状态，左侧大臂配合向后旋转，驱动机器人本体后移，直至右侧机械上肢落地支撑，旋转停止；

步骤3：判断当前机械上肢是否为竖直状态；如果是，转到下一步；如果否，转到步骤1；

步骤4：小腿和机械上肢保持竖直状态，大腿以第一预设转速向后旋转，同时机器人本体以通过滑模变结构控制方法计算得出的实时旋转速度向后旋转，直至机器人本体呈竖直状态，停止旋转。

4.根据权利要求2或3所述的足式机器人两足-四足姿态变换控制方法，其特征在于，所述滑模变结构控制方法包括：

建立足式机器人在姿态变换过程中的转动平衡方程：

其中，θ₁为机器人本体与竖直方向的角度，θ₂为大腿与竖直方向的角度，G₁为大腿重，L₁为大腿长,G₂为小腿重，L₂为小腿长,G₃为机器人本体重；沿机器人本体长度方向，L₄为机器人本体重心到机械腿的距离，L₅为机械上肢到机器人本体重心的距离；L₃为足部压力传感器的间距，F₁为足部后端压力传感器的压力值，F₂为足部前端压力传感器的压力值；

引入偏差变量e＝F₂-F₁，带入上式，得：

对上式求导，得：

其中，为机器人本体的旋转速度，为大腿的旋转速度，为偏差变量的变化速度；

为了加快控制系统的误差收敛速度，采用滑模面：

其中，a＞0,b＞0,且，a,b为奇数，k₁＞0,k₂＞0；

取机器人本体的旋转速度为控制变量，大腿的旋转速度为定值，将以上各式合并，则可以得到机器人本体的旋转速度为：

5.根据权利要求4所述的足式机器人两足-四足姿态变换控制方法，其特征在于，所述滑模变结构控制方法还包括：在足式机器人四足触地的姿态调整过程中，始终满足L₁(cosθ₃-cosθ₂)＝(L₄+L₅)cosθ₁,

其中，θ₃为大臂与竖直方向的角度。

6.根据权利要求1所述的足式机器人两足-四足姿态变换控制方法，其特征在于：所述大臂的长度与大腿的长度相等，所述小臂的长度与小腿的长度相等，大臂的长度大于小臂的长度。

7.根据权利要求1所述的足式机器人两足-四足姿态变换控制方法，其特征在于：所述小腿的下端通过转动关节与脚部的中点铰接。

8.根据权利要求1所述的足式机器人两足-四足姿态变换控制方法，其特征在于：所述手部包括手掌和与手掌连接的手指，手指在足式机器人表现为两足姿态时为展开状态，用于实现抓取动作；所述手指在足式机器人表现为四足姿态的时为向上收缩状态，手掌触地支撑；所述压力传感器安装在手掌底部，用于检测手掌是否受力。