[發明專利]一種基于變質心的機器人越障控制方法和系統

有效

• 申請號: 202111207023.6
• 申請日: 2021-10-18
• 公開（公告）號: CN113641180B
• 公開（公告）日: 2022-01-11
• 發明（設計）人: 陶永;高赫;溫宇方;蘭江波;劉海濤;韓棟明
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 北京中知法苑知識產權代理有限公司 11226
• 代理人: 陳俊由;李明

本發明涉及機器人越障控制領域，公開了一種基于變質心的機器人越障控制方法和系統。建立擺臂式履帶機器人變結構質心運動學模型，計算障礙估算高度；基于障礙估算高度和動作序列規則生成動作控制序列；基于子動作與變結構質心運動學模型預測質心變化狀態；評價質心變化狀態是否滿足越障需求，若滿足，根據動作控制序列控制機器人越障，否則修正子動作，有效提高了機器人越障性能和可靠性，降低非視距條件下操作手操作難度，估算障礙高度，不依賴外部傳感器，降低了系統成本和系統復雜度。

技術領域

本發明涉及機器人越障控制領域，具體涉及一種基于變質心的機器人越障控制方法和系統。

背景技術

履帶特種機器人作為機器人的重要種類，是為承擔反恐防爆、抗震救災等特殊應急任務需求開發的特種機器人裝備，相較于普通機器人，履帶特種機器人對越障能力提出了更高的要求，需要具備強大的處置能力、足夠的越障能力和便捷的控制手段。為保證系統越障能力，現有技術主要從結構上進行改進，以在結構上留出冗余，增強行進越障能力，出現了履帶式、輪式、復合擺臂式、輪腿復合式等多種構型的履帶特種機器人，復合擺臂式履帶機器人是現行搜救、排爆履帶機器人的典型構型。

現行復合擺臂式履帶機器人為保證本體功能多樣性，通常設置較多的可活動關節數，每個活動關節對應一組操縱搖桿，現有技術中主要采用手動遙控的方式，專業操作員手動遙控各個活動關節對應的操縱搖桿實現越障、抓取等復雜功能，一方面人工遙控時，需要時刻關注機器人姿態防止傾覆，且同時控制多個操作搖桿，操作難度較大；另一方面在執行非視距、極限越障任務時，人工操作難度較高，實現極限越障任務較為困難，便捷性與功能實現可靠性的矛盾極為突出。

目前，部分研究對傳統移動機器人越障性能進行模擬分析，為了簡化分析過程，現有技術的傳統移動機器人的越障性能分析過程通常基于運動過程中整機質心相對位置不變的假設。然而，復合擺臂式履帶機器人在行進越障過程中，前擺臂和機械臂動作會發生大幅變化，整機質心位置會發生明顯改變，質心相對位置不變的假設會導致越障控制下機器人姿態的傾覆，傳統的移動機器人越障分析方法無法適用于復合擺臂式履帶機器人越障控制，亟需一種符合擺臂式履帶機器人實時變化情況的、面向便捷操作的越障控制方法和系統。

發明內容

本發明的為解決擺臂式履帶機器人手動遙控為主以及傳統移動機器人越障分析未考慮整機質心位置變化的問題，提供一種基于變質心的機器人越障控制方法，包括如下步驟：

S1：建立擺臂式履帶機器人變結構質心運動學模型，獲得障礙相對于機器人本體的障礙估算高度；

S2：基于障礙估算高度和動作序列規則生成動作控制序列，所述動作控制序列包括一個或多個子動作；

S3：基于子動作與變結構質心運動學模型預測質心變化狀態；

S4：基于質心約束和越障質心需求評價質心變化狀態是否滿足越障需求，若滿足，執行S6，否則執行S5；

S5：基于預測質心變化狀態、質心約束和越障質心需求修正子動作，返回步驟S3；

S6：輸出子動作至擺臂式履帶機器人控制器，根據子動作控制機器人越障；

機械臂末端觸碰障礙頂部，獲取機器人姿態信息，基于機器人姿態信息計算障礙高度以獲得障礙相對于機器人本體的障礙估算高度；預測質心變化狀態具體包括根據變結構質心運動學模型計算在子動作和子動作控制量下質心變化后的坐標。

本發明還提供一種基于變質心的機器人越障控制系統，包括：

上位機，用于接收傳感器數據、行進速度設定，根據基于變質心的機器人越障控制方法計算動作控制序列，向下位機發送動作控制序列；

下位機，用于根據動作控制序列實現對機器人電機位置控制；

和傳感器，用于測量機器人的狀態數據。