[發明專利]一種四足機器人分布式高實時性控制系統及方法

有效

• 申請號: 202010588091.0
• 申請日: 2020-06-24
• 公開（公告）號: CN111687846B
• 公開（公告）日: 2021-09-24
• 發明（設計）人: 周樂來;吳磊;李貽斌;榮學文;劉在陽
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 祖之強

1.一種四足機器人分布式高實時性控制系統，其特征在于，包括至少一個控制終端，每條行走單腿包括至少一個控制主站，每個運動關節包括至少一個控制從站；

控制終端運行多足控制算法并將控制指令傳遞給控制主站，控制主站根據接收到的控制指令，運行單腿控制算法并將控制指令傳遞給控制從站；

所述多足控制算法采用策略梯度強化學習方法，策略梯度強化學習算法的目標函數為：

J(θ)＝E(r₁+γr₂+γ²r₃+...|π_θ) (1)

其中，r_t為t時刻的反饋獎賞值；γ是折扣率，0＜γ≤1；π_θ(s，a)＝P(s|a，θ)，即參數為θ的策略π在狀態s的情況下，做出動作a的概率為P；

對目標函數求導可得到策略π的優化方向：

控制從站根據控制主站的控制指令對電機進行運動控制，提取編碼器脈沖數返回給控制主站以確定關節電機的偏轉角度，控制主站將獲取到的數據實時回傳給控制終端以實現控制參數的實時更新，控制終端根據每個運動關節對應的編碼器與慣性測量單元采集的參數，獲取機器人最新的狀態，并計算獎賞值作為反饋，所述四足機器人最新的狀態至少包括各個行走單腿的關節角、機身的俯仰角和橫滾角以及俯仰角和橫滾角的角速度；所述動作至少包括期望轉動角度；所述獎賞值由俯仰角和橫滾角及它們的角速度共同判定。

2.如權利要求1所述的四足機器人分布式高實時性控制系統，其特征在于，所述控制主站通過EtherCAT總線與控制從站通信，控制終端通過CAN總線與控制主站通信。

3.如權利要求1所述的四足機器人分布式高實時性控制系統，其特征在于，所述控制從站為每個運動關節的驅動器，編碼器設置在各個關節電機處，通過信號線與驅動器連接。

4.如權利要求1所述的四足機器人分布式高實時性控制系統，其特征在于，所述多足控制算法，具體為：在一個控制周期內，根據機器人的當前狀態，控制機器人做出相應的動作，并獲取獎賞值作為反饋，以整個控制過程的獎賞值總和達到最大值為目標進行神經網絡參數的實時更新。

5.如權利要求4所述的四足機器人分布式高實時性控制系統，對于每條行走單腿，控制終端將數據幀發送給控制主站，數據經過控制主站處理后發送到第一從站，并依次向后傳遞，直到最后的從站將信息返回，由控制主站打包處理傳回控制終端。

6.如權利要求4所述的四足機器人分布式高實時性控制系統，其特征在于，控制主站通過單腿虛擬力柔順算法計算出電機力矩，驅動器控制電機轉動，實現機器人的運動。

7.如權利要求6所述的四足機器人分布式高實時性控制系統，其特征在于，所述控制主站根據每條行走單腿的足端期望位置、足端當前位置與足端速度，得到電機力矩。

8.如權利要求7所述的四足機器人分布式高實時性控制系統，其特征在于，所述電機力矩為雅克比矩陣的轉置與足端虛擬力的乘積，所述足端虛擬力為期望位置與實際位置的差值和剛度的第一乘積與阻尼和足端速度的第二乘積的加和。

9.如權利要求1-8任一所述的一種四足機器人分布式高實時性控制系統的控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

控制終端接收控制指令，根據機器人當前狀態及獎賞值采取動作；

控制終端通過正運動學運算與足端軌跡規劃，得到足端期望位置、足端當前位置與足端速度，并將其發送到每個行走單腿的控制主站中；

控制主站根據單條行走單腿虛擬力柔順算法計算出各關節電機力矩，并發送到每個運動關節對應的驅動器從站中，驅動器控制電機轉動，實現機器人的運動；

控制終端根據每個運動關節對應的編碼器與慣性測量單元采集的參數，獲取最新的狀態，并計算獎賞值，更新神經網絡參數。