[發(fā)明專利]戶外環(huán)境下的多足機(jī)器人雙邊觸覺遙操作系統(tǒng)及控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810497769.7
• 申請(qǐng)日: 2018-05-23
• 公開（公告）號(hào): CN108508906B
• 公開（公告）日: 2020-11-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 尤波;李佳鈺;許家忠;丁寧;陳翰南
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 哈爾濱理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G05D1/08
• 分類號(hào): G05D1/08
• 代理公司: 哈爾濱華夏松花江知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 23213
• 代理人: 楊曉輝

戶外環(huán)境下的多足機(jī)器人雙邊觸覺遙操作系統(tǒng)及控制方法，涉及一種多足機(jī)器人在面對(duì)戶外非理想環(huán)境時(shí)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)體多維度控制的遙操作方式。本發(fā)明所述戶外環(huán)境下多足機(jī)器人雙邊觸覺遙操作系統(tǒng)及控制方法，考慮了復(fù)雜多變的足底界面對(duì)于多足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響，在半自主控制模式的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)可協(xié)同調(diào)控機(jī)體速度與位姿的二維遙操作系統(tǒng)；基于無源性理論設(shè)計(jì)速度層遙操作子系統(tǒng)的雙邊控制器，并反饋加速度差異力；再根據(jù)虛擬懸架模型設(shè)計(jì)位姿層遙操作子系統(tǒng)的雙邊控制器，同時(shí)反饋機(jī)體等效的虛擬彈簧?阻尼力；所提出的遙操作系統(tǒng)及控制方法也為后續(xù)更復(fù)雜環(huán)境下多足機(jī)器人遙操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)做鋪墊。本發(fā)明適用于多足機(jī)器人的遙操作領(lǐng)域。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于足式機(jī)器人遙操作技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種針對(duì)戶外環(huán)境下操作者遙操作多足機(jī)器人完成高效、平穩(wěn)行走的新方法。

背景技術(shù)

當(dāng)多足機(jī)器人行走在戶外真實(shí)的環(huán)境中，復(fù)雜多變的足底界面對(duì)其運(yùn)動(dòng)性能造成的影響十分顯著，尤其對(duì)于松軟崎嶇的地形條件。由于多足機(jī)器人足端與地面的接觸狀態(tài)不可預(yù)知，此時(shí)機(jī)器人規(guī)劃的落足位置與實(shí)際位置之間會(huì)存在較大的差異。因此按照多足機(jī)器人理想運(yùn)動(dòng)學(xué)模型解算出腿部關(guān)節(jié)的目標(biāo)轉(zhuǎn)角并對(duì)機(jī)器人進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制時(shí)，機(jī)體位姿與期望位姿之間勢(shì)必存在一定的誤差，結(jié)果不僅會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向上的速度損失，來自機(jī)體無法預(yù)期的位姿波動(dòng)更會(huì)造成多足機(jī)器人穩(wěn)定裕度的不足。

綜上所述，若單純從速度跟蹤性能的角度出發(fā)，對(duì)多足機(jī)器人的遙操作系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，將可能導(dǎo)致可控性的下降以及適應(yīng)性不足的問題。因此提出戶外環(huán)境下基于速度與位姿協(xié)同調(diào)控的多足機(jī)器人雙邊觸覺遙操作系統(tǒng)及控制方法。為應(yīng)對(duì)不同的任務(wù)需求，分別設(shè)計(jì)速度層及位姿層遙操作子系統(tǒng)，每一個(gè)子系統(tǒng)內(nèi)均有一個(gè)主端機(jī)器人與之匹配，兩個(gè)主端機(jī)器人可同時(shí)完成對(duì)多足機(jī)器人機(jī)體位姿和機(jī)體速度間的協(xié)同調(diào)控。由于常規(guī)閉環(huán)控制算法無法解決多足機(jī)器人位姿控制時(shí)位姿目標(biāo)量與關(guān)節(jié)角被控量之間的強(qiáng)耦合冗余非線性問題，因此在底層控制單元內(nèi)設(shè)計(jì)基于多目標(biāo)協(xié)同約束的足力優(yōu)化分配算法，采用虛擬懸架模型對(duì)機(jī)體位姿的波動(dòng)量進(jìn)行補(bǔ)償，并通過阻抗控制模型建立足力柔順調(diào)控機(jī)制。分別將從端機(jī)器人機(jī)體的位姿波動(dòng)量以及加速度差值以觸覺力的形式反饋給操作者，以此提高多足機(jī)器人雙邊觸覺遙操作系統(tǒng)在面對(duì)戶外非理想環(huán)境時(shí)的操作及控制能力。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明是為了解決多足機(jī)器人由于自身多自由度冗余結(jié)構(gòu)以及戶外非理想接觸環(huán)境等原因所導(dǎo)致的單一遙操作模式難以滿足其在全地形下對(duì)于可控性以及適應(yīng)性的需求，現(xiàn)提出戶外環(huán)境下的多足機(jī)器人雙邊觸覺遙操作系統(tǒng)及控制方法。

所述戶外環(huán)境下的多足機(jī)器人雙邊觸覺遙操作系統(tǒng)包括：速度層遙操作子系統(tǒng)和位姿層遙操作子系統(tǒng)；

所述的速度層遙操作子系統(tǒng)包括：速度層主端機(jī)器人、速度層主端控制器、從端機(jī)器人的機(jī)體速度、速度層從端控制器、從端機(jī)器人的底層控制單元和通信端口；

所述的位姿層遙操作子系統(tǒng)包括：位姿層主端機(jī)器人、位姿層主端控制器、從端機(jī)器人的機(jī)體位姿、位姿層從端控制器、從端機(jī)器人的底層控制單元和通信端口；

所述的速度層主端機(jī)器人為一個(gè)3自由度關(guān)節(jié)型觸覺力反饋設(shè)備，用于量化操作者對(duì)于從端機(jī)器人機(jī)體速度的操作意圖，輸出相應(yīng)的觸覺引導(dǎo)力并反饋給操作者，以此輔助操作者完成對(duì)從端機(jī)器人機(jī)體速度的操作任務(wù)；

所述的速度層主端控制器一方面用于將速度層主端機(jī)器人三個(gè)關(guān)節(jié)的位置指令轉(zhuǎn)化為從端機(jī)器人機(jī)體的速度指令，并將此作為控制信號(hào)經(jīng)通信端口發(fā)送至速度層從端控制器，另一方面負(fù)責(zé)將從端機(jī)器人機(jī)體的加速度跟蹤信息轉(zhuǎn)換成觸覺力信息，控制速度層主端機(jī)器人內(nèi)置的力反饋電機(jī)輸出相應(yīng)的觸覺引導(dǎo)力；

所述的從端機(jī)器人的機(jī)體速度，表示從端機(jī)器人在速度層遙操作子系統(tǒng)中的被控量為機(jī)體質(zhì)心所在水平面內(nèi)三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)速度，分別包括了沿機(jī)體坐標(biāo)系X軸方向的縱向速度，沿機(jī)體坐標(biāo)系Y軸方向的橫向速度以及繞機(jī)體坐標(biāo)系Z軸的轉(zhuǎn)向速度；