【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及仿人机器人稳定行走控制方法领域，尤其涉及一种基于全身动力学模型的仿人机器人台阶地形行走方法。
技术介绍
1、近年来，仿人机器人的控制算法愈来愈成熟，使得其越来越多地走进人们视野。仿人机器人相对传统轮式移动机器人的优势在于能够直接适应人类的生产生活环境，能够直接使用人类所使用的工具，而不需要改变环境或重新设计工具。从应用场景来看，由于轮式机器人难以适应起伏较大的地形，飞行机器人无法满足大负载及复杂操作需求，仿人机器人能够更好地执行特定任务。进一步地，相比于四足机器人，仿人机器人行走时的占地面积更小，活动范围更大，两个机械臂也为其进行复杂操作提供了更多可能。但是，由于仿人机器人本身的结构更复杂，行走和操作的控制难度也远大于轮式、四足等其他构型的机器人。
2、仿人机器人在过去十几年飞速发展并取得了诸多成果，如日本本田的asimo、波士顿动力的atlas、agility robotics的cassie和digit、特斯拉的optimus等。经过长时间的发展，仿人机器人的运动控制目前有很多种方法，这些方法中极具代表性的有：零力矩点(zero moment point,zmp)、虚拟力模型(virtual model control,vmc)、混杂零动态(hybrid zero dynamics,hzd)、基于优化控制方法、以及基于强化学习的控制方法。
3、目前，基于零力矩点方法控制仿人机器人的应用较为广泛(如cn112224300a、cn113830197a)，能够实现稳定行走，但抗扰动能力差、动态性
技术实现思路
1、为克服上述现有技术的局限性，本专利技术提供一种基于全身动力学模型的仿人机器人台阶地形行走方法，用以解决上述问题。本专利技术依据全身动力学模型构建了面向仿人机器人的混合系统，系统建模完整、精度高；同时，本专利技术设计了含有地形信息的非线性模型预测控制问题并实时求解，使得仿人机器人在行走时考虑到地形因素并合理地规划其运动。本专利技术实现了仿人机器人在仿真环境中跨越不同高度的高台和连续台阶，同时行走稳定性强、运动能力强。本专利技术的技术方案包括以下内容：
2、一种基于全身动力学模型的仿人机器人台阶地形行走方法，包括以下步骤：
3、s1、绘制用于表征台阶地形的灰度图，对灰度图进行处理生成栅格地图，再由栅格地图生成凸平面、有向距离场以及仿真软件中的地形；其中，栅格地图生成的凸平面作为可落足区域的集合；
4、s2、依据全身动力学模型设计机器人系统状态、系统输入、系统动态方程以及跳跃函数；
5、s3、根据步骤s1得到的可落足区域信息和步骤s2得到的系统动态方程与跳跃函数，设计面向仿人机器人台阶地形行走的非线性模型预测控制问题并求解，得到系统期望状态和输入的轨迹；
6、s4、基于步骤s3计算出的结果，依据全身动力学模型计算机器人关节力矩，并利用pd结合前馈的控制器下发力矩给机器人关节，实现控制效果。
7、进一步地，所述步骤s1包括以下子步骤：
8、s11、利用matlab软件绘制表征台阶地形的灰度图；
9、s12、将步骤s11得到的灰度图转化为栅格地图，利用栅格地图生成若干凸平面作为可落足区域的集合，同时生成有向距离场作为机器人和环境的外碰撞检测判据；
10、s13、将步骤s12生成的栅格地图转化为仿真软件中的地形，供仿真调试时使用。
11、进一步地，所述步骤s2包括以下子步骤：
12、s21、根据全身动力学模型设计非线性模型预测控制中的状态量：利用欧拉-拉格朗日法表示仿人机器人动力学方程，进而确定系统状态x由质心位置、质心欧拉角、关节角度、质心线速度、质心欧拉角变化率、关节速度共六项构成；
13、s22、根据系统状态量和全身动力学模型推导系统动态方程，将全身动力学方程分为欠驱动和完全驱动两个部分，进而求得身体加速度；选取系统输入u由关节加速度和末端接触力-力矩构成；
14、s23、根据系统状态量和全身动力学模型推导跳跃函数：结合系统状态突变时的动力学方程并假设位置量不突变，利用舒尔补方法求解速度量的跳跃函数。
15、进一步地，所述步骤s3包括以下子步骤：
16、s31、设计面向仿人机器人行走的非线性模型预测控制问题：结合该控制问题的一般形式，设计参考轨迹、成本函数、等式约束和不等式约束四个部分；
17、s32、使用sqp方法对该控制问题进行实时求解。
18、进一步地，所述步骤s31包括以下子步骤：
19、s311、设计系统状态x和系统输入u的参考轨迹：机器人控制器接收仅包含运动终点x、y方向质心位置以及yaw角的用户指令，通过多项式插值生成匀加速-匀速-匀减速的位置量参考轨迹，进而通过差分的方式求得速度量的参考轨迹；z方向的参考值需要考虑到地形高度，roll、pitch两个分量的参考值不变，速度参考值始终为零，其参考轨迹均为恒定值轨迹；足端的参考落足点通过raibert启发式落足点公式计算而来；足端位置、速度和加速度的参考轨迹由摆动腿足端轨迹规划器插值生成；关节角度的参考轨迹通过足端位姿的参考轨迹经过解析逆运动学计算而来，关节角速度的参考轨迹通过足端速度的参考轨迹通过雅可比矩阵的逆计算而来；系统输入u的参考均为零，参考轨迹为恒定值轨迹；
20、s312、设计成本函数，包括以下两部分：状态轨迹跟踪成本和输入成本；
21、s313、设计等式约束，包括以下三部分：摆动腿末端零力-力矩约束、双腿轨迹跟踪约束、支撑腿足端速度约束；
22、s314、设计不等式约束并将不等式约束以惩罚的形式加入至成本函数中，包括以下六部分：落足区域约束、自碰撞约束、外碰撞约束、关节速度约束、关节力矩约束、摩擦锥约束。
23、进一步地，所述步骤s4包括本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于全身动力学模型的仿人机器人台阶地形行走方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于全身动力学模型的仿人机器人台阶地形行走方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下子步骤：
3.根据权利要求1所述的基于全身动力学模型的仿人机器人台阶地形行走方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下子步骤：
4.根据权利要求1所述的基于全身动力学模型的仿人机器人台阶地形行走方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下子步骤：
5.根据权利要求4所述的基于全身动力学模型的仿人机器人台阶地形行走方法，其特征在于，所述步骤S31包括以下子步骤：
6.根据权利要求3所述的基于全身动力学模型的仿人机器人台阶地形行走方法，其特征在于，所述步骤S4包括以下子步骤：
【技术特征摘要】
1.一种基于全身动力学模型的仿人机器人台阶地形行走方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于全身动力学模型的仿人机器人台阶地形行走方法，其特征在于，所述步骤s1包括以下子步骤：
3.根据权利要求1所述的基于全身动力学模型的仿人机器人台阶地形行走方法，其特征在于，所述步骤s2包括以下子步骤：
4.根据权...
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