[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

本發明涉及一種輪腿式機器人機身姿態及足端受力協同控制方法，屬于機器人運動驅動與控制技術領域。本發明，通過設計姿態調整模型、重心高度調整模型，將姿態控制器和重心高度控制器置于控制外環，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，實現機器人通過復雜路面時機身保持水平、足端接觸力維持在一定范圍內、重心高度隨地形變化自適應調整的控制目標。本方法極大地降低了三種控制器的耦合影響，有效地抑制了外界地形擾動，最終達到了機器人機身運動平穩性的效果，為機器人搭載設備實際應用于無人特種作戰、抗災救援、野外勘探、星表探測等領域提供了可能。

技術領域

本發明涉及一種輪腿式機器人機身姿態及足端受力協同控制方法，屬于機器人運動驅動與控制技術領域。

背景技術

輪腿式機器人，兼具輪式機器人和腿式機器人的運動優勢，具有運動形式多樣、移動速度快、運動效率高、越障性能好等特點，可用于無人特種作戰、抗災救援、野外勘探、星表探測等領域。

在機器人輪式運動時，經常遇到崎嶇不平的路況，機器人行走在這些不平的路面時，機身隨著地形的起伏產生傾斜，引發一系列問題。首先，機器人隨地面起伏而晃動劇烈，極大地影響了運動穩定性。其次，機器人重心偏移，可能引起機體側翻。此外，機器人部分懸空輪無法提供驅動力，削弱了機器人的爬坡能力。

機器人的姿態、足端接觸力、重心高，都將影響其行進的穩定性。對姿態、足端接觸力控制，是保障輪腿機器人穩定行進的前提，可以避免機體不確定的振動，足端懸空、滑移及驅動力不足等問題。因此，輪腿式機器人機身姿態及足端受力協同控制，是實現輪腿機器人在不規則地形穩定行進的必要前提。

現有技術中，輪腿機器人機身平穩的控制策略主要是改變每條腿的長度，使機器人運動在崎嶇路面時保持機身水平。在調整各個腿伸長量的過程中，通過設計足端力控制器、重心高度控制器、機身姿態補償控制器，來計算每條腿的長度修正量。但是，這三種控制器的控制量簡單相加，并不是所需的最優控制結果，因為這幾種輸出的控制量相互耦合甚至矛盾，容易使輪腿機器人陷入失穩、劇烈振蕩、失控等狀態。

發明內容

本發明的目的是針對現有技術的不足，為了解決輪腿式機器人機身平穩控制過程中面臨的足端力控制器、重心高度控制器、機身姿態補償控制器三種控制器控制過程中存在的耦合問題，提出一種輪腿式機器人機身姿態及足端受力協同控制方法。

本發明的創新點在于：將姿態控制器和重心高度控制器置于控制外環，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，實現機器人通過復雜路面時機身保持水平、足端接觸力維持在一定范圍內、重心高度隨地形變化自適應調整的控制目標。

一種輪腿式機器人機身姿態及足端受力協同控制方法，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)