[發明專利]一種四足輪式可變形全方位移動機器人及其控制方法

有效

• 申請號: 202110671104.5
• 申請日: 2021-06-17
• 公開（公告）號: CN113371090B
• 公開（公告）日: 2022-12-13
• 發明（設計）人: 陳光榮;盧華風;張彥琦;冉涪馨;張家樂;王向陽;王遠航;孟慶宇;郭盛
• 申請（專利權）人: 北京交通大學
• 主分類號: B62D57/02
• 分類號: B62D57/02;B62D57/032
• 代理公司: 北京市誠輝律師事務所 11430
• 代理人: 楊帥峰;岳東升

1.一種四足輪式可變形全方位移動機器人控制方法，其特征在于：機器人的總體結構由車體(1)，第一、第二、第三和第四腿足支鏈(2-1、2-2、2-3、2-4)構成；其中，第一、第二、第三和第四腿足支鏈(2-1、2-2、2-3、2-4)的近體電機(3-1)分別與車體(1)上呈90度排布的支撐座通過螺栓固定連接，四條腿足支鏈的結構均一致；

每條腿足支鏈的近體電機(3-1)出軸的軸線方向垂直于車體(1)上下表面，通過虎克鉸式支架(4)連接連接電機(3-2)的出軸軸線與近體電機(3-1)的出軸軸線，兩條出軸軸線在空間垂直；第一固定支架(5-1)與連接電機(3-2)固定在一起，其A孔與末端電機(3-3)的出軸機械固定在一起；第二固定支架(5-2)與末端電機(3-3)通過螺栓緊固，同時安裝有多功能足端(6)；

所述機器人通過控制電機轉角，使所述機器人工作在輪式狀態與足式狀態；機器人沒有正反面、前后側和左右側之分，除可在足式狀態實現傳統的全方位四足行走功能外，還可變形成雙輪式和球式進行滾動行進；其雙輪式具有兩種不同的狀態：即對側抱環輪式模式與單側抱環輪式模式；雙輪式和球式通過節律改變電機轉角，可實現不同滾動速度控制和轉向控制；

機器人控制架構由輪足運動切換、足式運動和輪式運動三大模塊組成；足式運動由靜動步態選擇、姿態感知、步態規劃、運動結算和驅動控制組成；輪式運動由輪式模式選擇、姿態感知、轉向控制、速度控制和驅動控制組成；

其中，輪式模式選擇中，按相鄰兩條腿足支鏈配對方式，有兩種模式；按腿足支鏈上翻和下翻方式，有兩種模式；按變形姿態方式，有對側抱環輪式模式、單側抱環輪式模式和球式三種模式；因此，共有十二種輪式模式；

姿態感知由安裝在車體(1)上的姿態傳感器測得，由車體的橫滾角、俯仰角、偏航角(α,β,γ)組成；

轉向控制以單側抱環輪式模式為例，已知期望的和實際偏航角分別為γ_d,γ，由于雙輪式，整體轉速一樣，只可以通過雙輪半徑差異進行轉向，且雙輪半徑差異越大轉彎越快，雙輪半徑的大小主要由四條腿足支鏈上的連接電機(3-2)決定，則可設計小車轉向控制器為

左轉：

右轉：

其中，θ₀為雙輪剛好為一個整圓時四條腿足支鏈上的連接電機(3-2)的驅動角度；k_γ＞0為轉向控制調節因子，用來控制拐彎速度的快慢，k_γ越大拐彎速度越快；分別為要實現期望偏航角γ_d時第一、第二、第三和第四腿足支鏈(2-1、2-2、2-3、2-4)的連接電機(3-2)的驅動角度；

速度控制通過姿態感知中的俯仰角β所在的區間，實時控制雙輪半徑的變大變小實現，已知期望的速度分別為v_d，k_v＞0為速度控制調節因子，i＝1,2分別為要實現期望偏航角γ_d時第一和第二腿足支鏈(2-1、2-2)的連接電機(3-2)的驅動角度，設定同時實現期望偏航角γ_d和期望速度v_d的第一和第二腿足支鏈(2-1、2-2)的連接電機(3-2)的驅動角度分別為θ^2-i,i＝1,2，當第一、第二腿足支鏈(2-1、2-2)開始觸地時，具體的速度控制器設計為

當第三、第四腿足支鏈(2-3、2-4)開始觸地時，具體的速度控制器設計方法相同；其他輪式模式控制器設計與以上步驟相同。