[發明專利]一種爬壁六足機器人足端軌跡跟蹤控制器的控制方法

有效

• 申請號: 202011381333.5
• 申請日: 2020-11-30
• 公開（公告）號: CN112558622B
• 公開（公告）日: 2021-12-17
• 發明（設計）人: 周翔;魏武;高勇
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 何淑珍;江裕強

1.一種爬壁六足機器人足端軌跡跟蹤控制器的控制方法，其特征在于，包括步驟：

S1、構造爬壁六足機器人的單腿支鏈的運動學模型；

S2、根據微分運動學求解爬壁六足機器人單腿支鏈的速度雅克比矩陣；

單腿支鏈的速度雅可比矩陣為：

其中，記θ_i、θ_j、θ_k分別表示第i、j、k個關節轉動角度，S_ijk表示第i、j、k個關節轉動角度之和的正弦值，C_ijk表示第i、j、k個關節轉動角度之和的余弦值，i＝1,2,3,4；L₁、L₂、L₃和L₄分別為第一連桿(1)、第二連桿(2)、第三連桿(3)和第四連桿(4)的長度；

S3、設計基于雅可比矩陣的六足機器人關節角速度控制器：定義理想足端位置為p_d，則理想足端位置與實際足端位置的誤差表示為e＝p_d-p，根據反饋控制原理，設計基于誤差的負反饋控制，并加上前饋控制項，設計關節角速度控制器規律為：

其中，為理想足端位置的微分，即理想足端速度；K為3×3的對角矩陣，K＝diag(k₁,k₂,k₃)，k₁、k₂與k₃分別為控制器中可調節的x、y、z三維的增益參數；J^T(θ)為J(θ)的轉置矩陣；為J(θ)的偽逆矩陣，表示為：

對關節角速度控制器輸出求積分，即可得到第i個轉動關節轉動角度θ_i；

S4、基于李雅普諾夫函數證明關節角速度控制器的穩定性。

2.根據權利要求1所述爬壁六足機器人足端軌跡跟蹤控制器的控制方法，其特征在于，所述爬壁六足機器人單腿支鏈包括依次以連桿連接的髖關節(1)、膝關節(2)、踝關節(3)、足關節(4)和足端的吸盤(5)。

3.根據權利要求2所述爬壁六足機器人足端軌跡跟蹤控制器的控制方法，其特征在于，所述步驟S1的具體過程為：

S11、構造六足機器人單腿支鏈的參考坐標系與足端坐標系，定義單腿參考坐標系{L}的原點為髖關節軸線的中心，以髖關節轉動軸線方向為z軸，以沿連接髖關節與踝關節的第一連桿的方向為x軸，y軸由右手定則確定；定義足端坐標系{F}的原點位于吸盤中心，以沿平行足關節轉動軸線方向為z軸，以沿連接足關節與足端吸盤的第四連桿的方向為x軸，y軸由右手定則確定；

S12、建立足端坐標系{F}相對于參考坐標系的變換矩陣，確定足端坐標系{F}在初始位姿下相對于單腿參考坐標系{L}的變換矩陣為g_L,F(0)；

S13、根據旋量理論確定單腿支鏈各關節的運動旋量，在已知初始位形下轉動關節的轉動軸旋轉矢量ω_i與軸線位置矢量r_i的情況下，各轉動關節的運動旋量表示為

S14、根據旋量指數映射公式求解單腿支鏈各關節運動旋量的指數映射，在求得各轉動關節的運動旋量情況下，相對應的指數映射表示為即確定第i個轉動關節位姿相對于參考坐標系的位姿轉換矩陣，其中，θ_i為第i個轉動關節的轉動角度，為關于運動旋量ξ_i的4×4李代數矩陣形式；

S15、根據疊加原理確定六足機器人的單腿支鏈的運動學模型，通過疊加原理將所得的各關節旋量的指數映射左乘于初始位姿的變換矩陣g_L,F(0)，確定爬壁六足機器人單腿支鏈運動學模型的齊次變換矩陣為：

其中，R為3×3的足端位姿旋轉矩陣，p為3×1的足端位置矢量。