四足机器人Flight Trot步态切换控制方法研究

The quadruped robot has great potential for adapting the complex environment, has become a hot research direction in recent years. This program is based on bionics and robotics. Switching control method of the flight trotting quadruped robot has been researched, with the engineering demand and the existing methods being considered: (1) In order to descript the gait mechanism more turely, a switching dynamical model of the flight trotting quadruped robot is built. (2) Based on Lyapunov stability theory and the switching dynamical model, considering the driving capability limitation of joint driving capability, a uniform asymptotically stability criterion about body posture of the quadruped robot is proposed. (3) In order to improve the environmental adaptability of the flight trotting quadruped robot, a switching control method about body posture based on contact force control is designed. (4) In order to switch gaits more smoothly, a switching method between Flight Trot gait and Trot gait is designed based on the velocity ariation of the body. The research in this program is able to improve the stability of the flight trotting quadruped robot effectively, and offers a theoretical basis and a technological support for studying stability analysis and control problems of the other trotting quadruped robot.

四足机器人在适应复杂环境方面具有巨大潜力，是近年来机器人领域的研究热点。本项目以仿生学和机器人学为基础，以Flight Trot步态为对象，从系统实际需求出发，综合已有方法，研究四足机器人Flight Trot步态切换控制方法：（1）为了更好的反映步态机理，建立了Flight Trot步态切换动力学模型；（2）在考虑关节作动器驱动能力限制的前提下，设计了机器人本体位姿稳定性判据；（3）为了提高Flight Trot步态四足机器人的环境适应性，设计了基于足端接触力控制的本体位姿切换控制方法；（4）为了使得步态切换更加平滑，设计了基于本体速度的Flight Trot步态与Trot步态之间的切换方法。本课题的研究能够有效提高四足机器人以Flight Trot步态运动过程中的稳定性，为继续研究四足机器人跳跃步态的稳定性分析和控制问题提供理论基础和技术支撑。

项目主要研究了四组机器人Flight Trot步态切换控制方法，主要工作和成果如下：.1、关节电液驱动器状态参数的多尺度在线联合估计方法.针对电液驱动器在有限传感器配置条件下存在的时变参数和负载估计、不可测量状态估计和可测量状态噪声滤波的三个问题，对模型参数进行参数灵敏度和快慢速变化特性分析，提出了具有快变和慢变时间尺度的基于数据驱动的状态和参数多尺度在线联合估计算法（MEKF）。.2、单腿能耗数值分析方法.项目构建了四足机器人的动力学模型，并依据四足机器人的运动特性给出了统一的能耗评价指标，确定四足机器人在摆动期和支撑期的轨迹规划， 通过分析单腿模型在理想条件下的运动， 计算了trot步态不同参数对应的能量消耗，将速度无量纲化，分析能耗最小时步态参数与速度的关系，得到具有普遍性的结论，有效指导了trot步态参数的选择。.3、基于能耗指标的trot和flight trot切换方法.基于动力学模型的数值分析，分别为trot 和 flight trot步态选择能够体现步态特性的步态参数，以两种曲线的交汇点作为步态切换的速度点。为降低步态切换中的姿态震荡， 基于MPC 提出了落足规划方法，通过考虑四足机器人的本体速度、姿态以及规划的足端力， 对摆动腿的落足位置进行优化，有效降低步态切换后的姿态震荡。.4、基于强化学习实现依据能耗的四足机器人步态参数的优化.项目基于强化学习方法完成对四足机器人步态参数的优化，通过与仿真环境进行交互， 计算得到不同步态参数下的能量消耗，将步态周期和四足机器人的高度离散化， 采用DDQN 的方法， 学习不同步态参数下的能量消耗,依据数值分析的结果和仿真效果，合理确定步态参数的搜索范围，提高强化学习的学习效率。