[發(fā)明專利]足式機器人全局平衡控制方法、裝置和足式機器人

在審

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• 申請日: 2021-11-29
• 公開（公告）號: CN114137840A
• 公開（公告）日: 2022-03-04
• 發(fā)明（設計）人: 劉益彰;葛利剛;陳春玉;熊友軍;周江琛;羅璇
• 申請（專利權(quán)）人: 深圳市優(yōu)必選科技股份有限公司
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04;B62D57/032
• 代理公司: 北京超凡宏宇專利代理事務所(特殊普通合伙) 11463
• 代理人: 王新哲

1.一種足式機器人全局平衡控制方法，其特征在于，包括：

獲取足式機器人在當前時刻的運動狀態(tài)；

根據(jù)所述當前時刻的運動狀態(tài)和所述足式機器人對應的飛輪倒立擺簡化模型的動力學方程，獲得所述足式機器人在當前時刻的系統(tǒng)狀態(tài)方程；

根據(jù)所述當前時刻的系統(tǒng)狀態(tài)方程通過非線性模型預測控制，獲得當前時刻用于全局平衡控制所需的控制輸入量；

根據(jù)所述控制輸入量對所述足式機器人進行運動控制。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的足式機器人全局平衡控制方法，其特征在于，所述足式機器人對應的飛輪倒立擺簡化模型的動力學方程經(jīng)預先構(gòu)建得到，包括：

將所述足式機器人的軀干等效為具有質(zhì)量的剛體，以及將與外界接觸的支撐腿等效為具有質(zhì)量的連桿，構(gòu)建得到所述足式機器人的飛輪倒立擺簡化模型；

分別構(gòu)建所述足式機器人支撐腿的動力學方程和軀干的動力學方程，以聯(lián)立得到所述飛輪倒立擺簡化模型的動力學方程。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的足式機器人全局平衡控制方法，其特征在于，所述足式機器人支撐腿的動力學方程的構(gòu)建，包括：

選取所述足式機器人支撐腿的幾何中心為所述支撐腿的質(zhì)心，并根據(jù)所述支撐腿與地面的入射角、所述支撐腿繞地面端點的轉(zhuǎn)動慣量、所述支撐腿的關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩以及對所述軀干的作用力，構(gòu)建得到所述支撐腿的動力學方程。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的足式機器人全局平衡控制方法，其特征在于，所述足式機器人軀干的狀態(tài)包括軀干的質(zhì)心位置及質(zhì)心姿態(tài)，所述足式機器人軀干的動力學方程的構(gòu)建，包括：

根據(jù)所述剛體的幾何中心位置、所述支撐腿的接觸點位置以及所述支撐腿與地面的入射角之間的幾何關(guān)系，構(gòu)建所述軀干的質(zhì)心位置的表達式；

將所述剛體與水平方向的俯仰角作為所述軀干的質(zhì)心姿態(tài)；

根據(jù)所述質(zhì)心位置的表達式、所述質(zhì)心姿態(tài)、所述剛體繞幾何中心的轉(zhuǎn)動慣量、以及所述軀干受到所述支撐腿的作用力，構(gòu)建得到所述軀干的動力學方程。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的足式機器人全局平衡控制方法，其特征在于，所述根據(jù)所述當前時刻的系統(tǒng)狀態(tài)方程通過非線性模型預測控制，獲得當前時刻用于全局平衡控制所需的控制輸入量，包括：

根據(jù)所述當前時刻的系統(tǒng)狀態(tài)方程和上一時刻的系統(tǒng)狀態(tài)方程進行系統(tǒng)狀態(tài)預測，得到后續(xù)若干個時刻的系統(tǒng)狀態(tài)預測值；

根據(jù)所述若干個時刻的系統(tǒng)狀態(tài)預測值對用于全局平衡控制的非線性優(yōu)化函數(shù)進行優(yōu)化求解，得到當前時刻所需的控制輸入量；其中，所述非線性優(yōu)化函數(shù)用于使系統(tǒng)狀態(tài)的預測值跟蹤期望值，且設有所述系統(tǒng)狀態(tài)滿足的非線性約束條件。

6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的足式機器人全局平衡控制方法，其特征在于，所述系統(tǒng)狀態(tài)方程中的系統(tǒng)狀態(tài)向量包括：所述軀干的質(zhì)心姿態(tài)及所述質(zhì)心姿態(tài)的一階導數(shù)、所述支撐腿與地面的入射角及所述入射角的一階導數(shù)；

所述支撐腿所需的關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩作為待求解的控制輸入量。

7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的足式機器人全局平衡控制方法，其特征在于，所述飛輪倒立擺簡化模型的動力學方程的表達式如下：

其中，M表示所述剛體繞幾何中心的轉(zhuǎn)動慣量，表示所述軀干的質(zhì)心姿態(tài)θ的二階導數(shù)，θ₀表示所述軀干的質(zhì)心與幾何中心之間的姿態(tài)偏差，r表示所述軀干的質(zhì)心位置與幾何中心位置之間的距離偏差，τ表示所述支撐腿的關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩，表示所述支撐腿與地面的入射角的二階導數(shù)，M₁表示所述支撐腿繞地面端點的轉(zhuǎn)動慣量，m和m₁分別表示所述剛體和所述連桿的質(zhì)量，g表示重力加速度，L表示所述支撐腿的質(zhì)心到接觸點的距離。