[發明專利]一種輪式雙足機器人姿態控制方法

在審

• 申請號: 202110811070.5
• 申請日: 2021-07-19
• 公開（公告）號: CN113485398A
• 公開（公告）日: 2021-10-08
• 發明（設計）人: 黃強;韓連強;陳學超;余張國;趙凌萱;邱雪健
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08
• 代理公司: 南京智造力知識產權代理有限公司 32382
• 代理人: 汪芬

本發明公開了一種輪式雙足機器人姿態控制方法，通過建立低維單輪?倒立質心擺模型，優化控制質心與輪軸相對位置，從而實現輪式穩定與移動能力；建立雙足機器人全身動力學模型，依據機器人參考位姿求解全身動力學補償控制量和調節量，實現腿式高維非線性系統的位姿控制。該方法將輪式雙足機器人姿態控制與平衡控制解耦，通過建立低維模型進而快速優化平衡控制量，通過高維模型精確控制機器人形態位姿，因此方法結合了快、準的優點，使輪式雙足機器人控制更加方便快捷并具備穩定性。

技術領域

本發明屬于雙足機器人技術領域，尤其是一種輪式雙足機器人姿態控制方法。

背景技術

雙足機器人是具有人類外形、雙腿等特征的智能機器人，也是人們對機器人形象設想的完美具體表現形式。它可以實現擬人的靈巧行走動作，對未知復雜環境的適應能力強，相較于專業機器人需要對環境進行改造的情況雙足機器人基本不需要并同時代替人工勞動完成更加復雜工作任務等。輪子可以賦予機械更敏捷快速的移動能力，其運動速度遠超腿足生物，是提升機器人速度的有效方式之一。因此輪式雙足機器人不僅具備仿人機器人的靈巧擬人作業能力和環境適應性，還擁有輪式移動的快速性。而機器人具備多學科交叉融合的特點，需要機電、計算機、仿生等多領域技術支撐，多國都在大力研究中，而我國也將智能機器人發展作為規劃目標，因此，輪式雙足機器人具有重要的研究意義與應用價值。

現有輪式雙足機器人自由度配置較為簡單，如圖1依次所示，早期輪式機器人在平衡車基礎上增加人形軀體，但也只是剛性一體結構，根本不具備雙足運動能力，如ALTER-EGO 機器人所示；近期，出現了腿部連接的輪足形態，但腿部自由度僅有一個，腿部只能進行升縮的功能，如ASCENTO機器人所示；騰訊公司的機器人采用菱形腿設計能夠使腿部具有伸縮和擺動的能力，但已經偏離仿人機器人形態；而波士頓動力公司的Handle機器人具備人腿外形以及龐大上身和手臂，但腿部不具備側擺能力，雖然該機器人工作靈活能夠實現跳躍、滑行和搬動貨物的能力，但該公司并未公開其方法，屬于商業機密。

現有技術中存在的不足集中在以下兩點：

1、輪式雙足機器人平衡穩定控制問題。相比較兩輪的平衡車兩自由度、低質心、一體化結構，輪式雙足機器人增加了更多的關節自由度，質心相較輪軸距離增大，并且兩輪通過雙腿連接在上身處使得相對位置的可變性增大，控制難度加大。

2、輪式雙足機器人位置和姿態控制問題。相比較傳統具有平腳掌的雙足機器人，輪式雙足機器人不能通過腳掌與腳踝的運動配合調整自身姿態，踩在輪子上的固有不平衡性導致在此基礎上的傳統控制方法在輪足機器人上的不適用性。

針對上文提到的現有技術問題，傳統做法是上身形態固定不動，從而將整個系統簡化為單一的平衡車控制，但是這不符合輪式雙足機器人快速移動、靈巧作業的要求，當上身姿態需要變換的時候平衡車控制的穩定性將降低，更不要說手臂的協同操作等更復雜行為；也有建立機器人全模型進行優化控制的做法，但對于有限的計算機資源，這一個過程是非常耗時的，并且由于輪式運動的高速性，實時快速的控制成為必不可少、無可替代的部分，這樣才能保障機器人的安全性。

發明內容

為了解決現有技術中存在的不足，本發明提出了一種輪式雙足機器人姿態控制方法，為輪式建立與整個系統解耦的輪-倒立質心擺模型，通過低維系統優化控制可以實現快速實時性極高的穩定性能；為雙足機器人建立全身動力學模型通過動力學補償實現精確的位姿控制。

本發明所采用的技術方案如下：

一種輪式雙足機器人姿態控制方法，分別構造姿態控制器和平衡控制器；所述姿態控制器包括姿態解算和全身動力學補償控制，姿態解算接收給定上身軀干的參考姿態矩陣 R_ref、軀干相對輪軸的參考位置p_ref以及狀態估計得到的機器人狀態；姿態解算進行姿態解算后經全身動力學補償控制單元得到姿態控制量τ_leg，即機器人腿部各關節驅動力矩，從而控制身體姿態；