[發明專利]一種輪腿式機器人機身姿態及足端受力協同控制方法

有效

• 申請號: 202011616868.6
• 申請日: 2020-12-31
• 公開（公告）號: CN112859593B
• 公開（公告）日: 2022-05-10
• 發明（設計）人: 汪首坤;雷濤;王亮;司金戈;劉鵬濤
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04;G05D27/02
• 代理公司: 北京正陽理工知識產權代理事務所(普通合伙) 11639
• 代理人: 王民盛

1.一種輪腿式機器人機身姿態及足端受力協同控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：設計機身姿態控制器；

姿態調整模型根據姿態傳感器的測量值，計算出每條腿的長度調整量Δl_i，其計算方法如下：

其中，φ、θ、表示姿態傳感器采集的機身姿態角度，(x_Bi,y_Bi,0)是單腿基座在機身坐標系中的坐標，i表示機器人腿的編號；

步驟2：設計重心高度控制器；

重心高度調整模型根據每條腿的實際伸出長度，規劃出各腿的伸縮量ΔL_i，使所有腿均具有足夠的工作空間；

以各腿的伸出長度作為重心高度調整模型輸入，設最短腿長為Len，P_L與P_H分別表示機器人工作狀態下腿伸長量的最低和最高閾值；當LenP_L時，說明某腿的工作空間不足，將各腿的位置調整量為：

ΔL_i＝P_L-Len (2)

相反，當Len＞P_H時，說明機器人所有腿的工作空間均能適應當前地形，需降低重心高度，ΔL_i為：

ΔL_i＝P_H-Len (3)

步驟3：計算力跟蹤偏差；

將姿態控制器和重心高度控制器置于控制外環，足端力控制器置于內環，使得足端力控制、姿態控制和高度控制，統一為力跟蹤控制；

將足端期望受力F_i^r與足端沿豎直方向的實際受力F_i^Z相減，得到初始力跟蹤偏差F_i^e；將步驟1計算出的Δl_i乘以系數K₁轉換成驅動力ΔF_i^P，將步驟2計算出的ΔL_i乘以系數K₂轉換為驅動力ΔF_i^H；然后，將初始力跟蹤偏差F_i^e與ΔF_i^P、ΔF_i^H相加，得到足端真正的力偏差F_i^E；

其中，K₁的物理意義為：設各腿在Δt₁時間內沿豎直方向做初始速度為零的勻加速運動，加速度為a₁，位移量為-Δl_i，機體分擔到單腿上的質量為m，則該過程所需的驅動力ΔF_i^P為：

K₂的物理意義為：設各腿在Δt₂時間內沿豎直方向做初始速度為零的勻加速運動，加速度為a₂，位移量為ΔL_i，機體分擔到單腿上的質量為m，則該過程所需的驅動力為：

步驟4：將步驟3計算出的F_i^E作為足端力控制器的輸入，足端力控制器的輸出為腿的長度調整量，將此長度調整量輸入給各腿的執行機構；由此通過調整各腿的長度達到調整機器人姿態、重心高度及足端受力的效果；

此處，足端力控制器能夠任意設計為滿足需求的控制器。

2.如權利要求1所述的一種輪腿式機器人機身姿態及足端受力協同控制方法，其特征在于，計算出每條腿的長度調整量時，建立坐標系，其中，機器人的連坐標系為Σ，其基坐標系為Σ′；

初始時，機器人機身保持水平，連體坐標系與基坐標系重合，其坐標原點位于機身中心，x軸與線段O_B1O_B2垂直，y軸與線段O_B3O_B6平行，z軸垂直于機身平面向上；點O_Bi(i＝1,...,6)表示各腿在機身的鉸接中心，同時也是各腿的基坐標系原點；i＝1,2,…,6表示腿的編號；

單腿只有沿豎直方向一個自由度，機器人受障礙物影響時，設O_Bi(i＝1,...,6)分別繞基坐標系x、y、z軸旋轉的角度為φ、θ、旋轉正方向為右手螺旋方向；設O_Bi在連體坐標系中的坐標矢量為O_Bi，在基坐標系中的坐標矢量為O′_Bi，則：

其中，T(φ)、T(θ)、分別為：

設O_Bi在連體坐標系中的坐標表示為(x_Bi,y_Bi,0)，由機器人的結構參數決定；

設O′_Bi在基坐標系中沿豎直方向的坐標值為Δl_i，代表每條腿的長度調整量。