[發(fā)明專利]足式機(jī)器人全局平衡控制方法、裝置和足式機(jī)器人

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202111433427.7
• 申請(qǐng)日: 2021-11-29
• 公開（公告）號(hào): CN114137840A
• 公開（公告）日: 2022-03-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉益彰;葛利剛;陳春玉;熊友軍;周江琛;羅璇
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 深圳市優(yōu)必選科技股份有限公司
• 主分類號(hào): G05B13/04
• 分類號(hào): G05B13/04;B62D57/032
• 代理公司: 北京超凡宏宇專利代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 11463
• 代理人: 王新哲

本申請(qǐng)實(shí)施例提供一種足式機(jī)器人全局平衡控制方法、裝置和足式機(jī)器人，該方法包括：獲取足式機(jī)器人在當(dāng)前時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；根據(jù)所述當(dāng)前時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和所述足式機(jī)器人對(duì)應(yīng)的飛輪倒立擺簡(jiǎn)化模型的動(dòng)力學(xué)方程，獲得所述足式機(jī)器人在當(dāng)前時(shí)刻的系統(tǒng)狀態(tài)方程；根據(jù)所述當(dāng)前時(shí)刻的系統(tǒng)狀態(tài)方程通過非線性模型預(yù)測(cè)控制，獲得當(dāng)前時(shí)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(duì)所述足式機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制。該方法基于飛輪倒立擺模型進(jìn)行模型簡(jiǎn)化，并利用非線性模型預(yù)測(cè)控制技術(shù)進(jìn)行平衡優(yōu)化控制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)足式機(jī)器人整個(gè)系統(tǒng)的平衡控制。

技術(shù)領(lǐng)域

本申請(qǐng)涉及機(jī)器人控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種足式機(jī)器人全局平衡控制方法、裝置和足式機(jī)器人。

背景技術(shù)

足式機(jī)器人是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，尤其是對(duì)于足式機(jī)器人在移動(dòng)過程中的欠驅(qū)動(dòng)特性控制，一直是足式機(jī)器人研發(fā)最需解決的問題。已有的關(guān)于足式機(jī)器人的步行規(guī)劃和控制方法，大都是基于線性倒立擺模型等實(shí)現(xiàn)行走控制，其通過給定一個(gè)簡(jiǎn)化的動(dòng)力學(xué)模型實(shí)現(xiàn)行走控制，然而在實(shí)際使用中，上述控制方法并不能保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。到目前為止，依舊沒有一個(gè)統(tǒng)一、普適的方法來解決這一問題。

發(fā)明內(nèi)容

本申請(qǐng)實(shí)施例提供一種足式機(jī)器人全局平衡控制方法、裝置和足式機(jī)器人，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)足式機(jī)器人整個(gè)系統(tǒng)的平衡控制。

第一方面，本申請(qǐng)實(shí)施例提供一種足式機(jī)器人全局平衡控制方法，包括：

獲取足式機(jī)器人在當(dāng)前時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；

根據(jù)所述當(dāng)前時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和所述足式機(jī)器人對(duì)應(yīng)的飛輪倒立擺簡(jiǎn)化模型的動(dòng)力學(xué)方程，獲得所述足式機(jī)器人在當(dāng)前時(shí)刻的系統(tǒng)狀態(tài)方程；

根據(jù)所述當(dāng)前時(shí)刻的系統(tǒng)狀態(tài)方程通過非線性模型預(yù)測(cè)控制，獲得當(dāng)前時(shí)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(duì)所述足式機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制。

在一些實(shí)施例中，所述足式機(jī)器人對(duì)應(yīng)的飛輪倒立擺簡(jiǎn)化模型的動(dòng)力學(xué)方程經(jīng)預(yù)先構(gòu)建得到，包括：

將所述足式機(jī)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(jī)器人的飛輪倒立擺簡(jiǎn)化模型；

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

在一些實(shí)施例中，所述足式機(jī)器人支撐腿的動(dòng)力學(xué)方程的構(gòu)建，包括：

選取所述足式機(jī)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(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、所述支撐腿的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩以及對(duì)所述軀干的作用力，構(gòu)建得到所述支撐腿的動(dòng)力學(xué)方程。

在一些實(shí)施例中，所述足式機(jī)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(jī)器人軀干的動(dòng)力學(xué)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(diǎn)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(dá)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(dá)式、所述質(zhì)心姿態(tài)、所述剛體繞幾何中心的轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)力學(xué)方程。

在一些實(shí)施例中，所述根據(jù)所述當(dāng)前時(shí)刻的系統(tǒng)狀態(tài)方程通過非線性模型預(yù)測(cè)控制，獲得當(dāng)前時(shí)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(dāng)前時(shí)刻的系統(tǒng)狀態(tài)方程和上一時(shí)刻的系統(tǒng)狀態(tài)方程進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)預(yù)測(cè)，得到后續(xù)若干個(gè)時(shí)刻的系統(tǒng)狀態(tài)預(yù)測(cè)值；