[發(fā)明專利]一種電驅(qū)動(dòng)哺乳構(gòu)型足式機(jī)器人足地滑移估計(jì)方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110646523.3
• 申請(qǐng)日: 2021-06-10
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113405548A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-09-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉宇飛;高海波;丁亮;王志瑞;邢伯陽(yáng);江磊;蘇波
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)北方車輛研究所;智能移動(dòng)機(jī)器人（中山）研究院
• 主分類號(hào): G01C21/16
• 分類號(hào): G01C21/16;G01C21/20;G06F17/16
• 代理公司: 中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)公司專利中心 11011
• 代理人: 王雪芬

本發(fā)明涉及一種電驅(qū)動(dòng)哺乳構(gòu)型足式機(jī)器人足地滑移估計(jì)方法，屬于足式機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域。通過(guò)對(duì)一種電驅(qū)動(dòng)哺乳構(gòu)型足式機(jī)器人足地滑移估計(jì)方法的研究，使得本發(fā)明所提哺乳構(gòu)型足式機(jī)器人在牽引力方向移動(dòng)過(guò)程中具有滑移狀態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)功能，并可以通過(guò)檢測(cè)到的足地滑移情況實(shí)現(xiàn)足地滑移抑制功能，并提高足式機(jī)器人控制的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于足式機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種電驅(qū)動(dòng)哺乳構(gòu)型足式機(jī)器人足地滑移估計(jì)方法。

背景技術(shù)

電驅(qū)動(dòng)足式機(jī)器人足地滑移估計(jì)是足式系統(tǒng)穩(wěn)定控制的重要關(guān)鍵技術(shù)，承擔(dān)著外部環(huán)境擾動(dòng)轉(zhuǎn)化為具體的運(yùn)動(dòng)控制的重要任務(wù)。以保證足式平臺(tái)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性、靈活性、魯棒性以及操作便易性為追求目標(biāo)，哺乳構(gòu)型足式機(jī)器人足地滑移估計(jì)方法需要重點(diǎn)關(guān)注足式系統(tǒng)行走功能及穩(wěn)定性控制性能。

目前，我國(guó)足式機(jī)器人起步較晚，足式機(jī)器人普遍存在自主穩(wěn)定性不高，地形適應(yīng)性差，外部滑移擾動(dòng)未知，對(duì)工作地形環(huán)境的依賴性強(qiáng)等缺點(diǎn)。足式機(jī)器人在結(jié)構(gòu)上屬于串并聯(lián)混合結(jié)構(gòu)，在控制方面屬于多輸入多輸出的冗余耦合系統(tǒng)，足式機(jī)器人由于自由度繁多從而增加了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中缺乏對(duì)實(shí)時(shí)足地滑移估計(jì)的能力，目前足式機(jī)器人研究主要面向野外崎嶇地面，大多注重于步行功能的實(shí)現(xiàn)，對(duì)足式機(jī)器人滑移問(wèn)題關(guān)注較少。

發(fā)明內(nèi)容

(一)要解決的技術(shù)問(wèn)題

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是：如何解決機(jī)器人普遍存在自主穩(wěn)定性不高，地形適應(yīng)性差，外部滑移擾動(dòng)未知，對(duì)工作環(huán)境的依賴性強(qiáng)，自由度繁多等缺點(diǎn)從而增加了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性以及運(yùn)動(dòng)過(guò)程中缺乏對(duì)實(shí)時(shí)足地滑移估計(jì)能力的問(wèn)題，從而提出一種電驅(qū)動(dòng)哺乳構(gòu)型足式機(jī)器人足地滑移估計(jì)方法。

(二)技術(shù)方案

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種電驅(qū)動(dòng)哺乳構(gòu)型足式機(jī)器人足地滑移估計(jì)方法，包括以下步驟：

步驟一、設(shè)計(jì)哺乳構(gòu)型足式機(jī)器人本體傳感數(shù)據(jù)解算方法，得到的機(jī)器人在導(dǎo)航坐標(biāo)系中的加速度；

步驟二、將步驟一驗(yàn)證得到的機(jī)器人在導(dǎo)航坐標(biāo)系中的加速度，作為基于擴(kuò)展卡爾曼濾波的哺乳構(gòu)型足式機(jī)器人狀態(tài)估計(jì)框架的輸入變量，從而建立基于擴(kuò)展卡爾曼濾波的哺乳構(gòu)型足式機(jī)器人狀態(tài)估計(jì)框架，得到哺乳構(gòu)型足式機(jī)器人位置、速度估計(jì)變量；

步驟三、將步驟二得到的哺乳構(gòu)型足式機(jī)器人位置、速度估計(jì)變量，用于作為單腿動(dòng)力學(xué)方程的輸入變量，建立哺乳構(gòu)型足式機(jī)器人足地滑移估計(jì)模型，得到哺乳構(gòu)型足式機(jī)器人足地滑移加速度模型；

步驟四、利用步驟三得到的哺乳構(gòu)型足式機(jī)器人足地滑移加速度模型，建立基于擴(kuò)展卡爾曼濾波的哺乳構(gòu)型足地滑移狀態(tài)估計(jì)方法；

步驟五、基于步驟一至步驟四進(jìn)行哺乳構(gòu)型足式機(jī)器人的足地滑移檢測(cè)。

優(yōu)選地，步驟一中，對(duì)慣導(dǎo)等傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定及補(bǔ)償，通過(guò)標(biāo)定加速度及角加速度信號(hào)來(lái)抑制哺乳構(gòu)型牽引力運(yùn)動(dòng)方向速度和姿態(tài)解算的誤差，最終輸出準(zhǔn)確的哺乳構(gòu)型機(jī)器人牽引力方向本體速度及三維姿態(tài)信息，慣導(dǎo)傳感實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)具體解算結(jié)果為：

式中，為導(dǎo)航坐標(biāo)系到機(jī)體坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，f_B為空間中的真實(shí)加速度和重力導(dǎo)致的加速度之差的力矢量，g_n為重力矢量，為地球自轉(zhuǎn)角度在導(dǎo)航坐標(biāo)系中的投影，為機(jī)器人在導(dǎo)航坐標(biāo)系中的速度，v_n為機(jī)器人在導(dǎo)航坐標(biāo)系中的速度。

優(yōu)選地，步驟二中，將步驟一驗(yàn)證得到的機(jī)器人在導(dǎo)航坐標(biāo)系中的加速度作為基于擴(kuò)展卡爾曼濾波的哺乳構(gòu)型足式機(jī)器人狀態(tài)估計(jì)框架的輸入變量從而建立基于擴(kuò)展卡爾曼濾波的哺乳構(gòu)型足式機(jī)器人狀態(tài)估計(jì)框架。

優(yōu)選地，步驟二中，根據(jù)足式機(jī)器人單腿及質(zhì)心狀態(tài)變量，建立狀態(tài)估計(jì)過(guò)程中的預(yù)測(cè)模型，其具體建模結(jié)果為：