[發明專利]一種類半人馬機器人及其臂足協同平衡控制方法

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• 申請號: 202310210084.0
• 申請日: 2023-03-07
• 公開（公告）號: CN116424453A
• 公開（公告）日: 2023-07-14
• 發明（設計）人: 陳光榮;閆雷;盧華風;魏寧澤;丁泓博
• 申請（專利權）人: 北京交通大學
• 主分類號: B62D57/032
• 分類號: B62D57/032;B25J9/16
• 代理公司: 北京市誠輝律師事務所 11430
• 代理人: 岳東升

1.一種類半人馬機器人，其特征在于：其總體結構由四足機器人部分(18)、機械臂部分(19、20)、身體機構部分(21)、激光雷達部分(22)組成；

其中，四足機器人部分(18)與地面相接觸，由左前腿(1-1、2-1、3-1)、右前腿(1-2、2-2、3-2)、右后腿(1-3、2-3、3-3)、左后腿(1-4、2-4、3-4)、腰部機構(7)、膝關節電機(4-1、4-2、4-3、4-4)、髖關節俯仰電機(5-1、5-2、5-3、5-4)和髖關節橫滾電機(6-1、6-2、6-3、6-4)組成；各腿部結構均相同，通過髖關節橫滾電機(6-1、6-2、6-3、6-4)安裝在腰部機構(7)前后兩側；髖關節橫滾電機(6-1、6-2、6-3、6-4)與髖關節俯仰電機(5-1、5-2、5-3、5-4)連接，實現腿部髖關節的橫滾運動；髖關節俯仰電機(5-1、5-2、5-3、5-4)與膝關節電機(4-1、4-2、4-3、4-4)連接，實現腿部髖關節的俯仰運動；膝關節電機(4-1、4-2、4-3、4-4)則與大腿(3-1、3-2、3-3、3-4)連接，大腿(3-1、3-2、3-3、3-4)與小腿(2-1、2-2、2-3、2-4)通過轉動副連接，球形足端(1-1、1-2、1-3、1-4)固定在小腿末端并與地面接觸；

第一固定座(8)固定在四足機器人腰部機構(7)上，通過底座電機帶動底座旋轉；身體機構(9)安裝在第一固定座(8)上，并與第一固定座(8)通過轉動副連接；激光雷達(10)安裝在身體機構(9)上方，并與之固定連接；

第二固定座(11-1)和第三固定座(11-2)固定在身體機構(9)左側和右側，左六自由度機械臂(19)和右六自由度機械臂(20)結構相同，均由基座(12-1、12-2)、大臂(13-1、13-2)、折臂(14-1、14-2)、小臂(15-1、15-2)、腕關節(16-1、16-2)和夾爪(17-1、17-2)組成，分別通過第二固定座(11-1)和第三固定座(11-2)與身體機構(9)連接；機械臂(19、20)的六個關節均為轉動副，通過串聯方式相連接；夾爪(17-1、17-2)安裝在機械臂(19、20)末端，可以實現物體的搬運和夾取。

2.一種類半人馬機器人臂足協同控制方法，其特征在于：其控制架構由自身位姿獲取模塊、期望位姿計算模塊、運動控制模塊組成；

其中，身位姿獲取模塊用于獲取類半人馬機器人當前位姿信息，包括類半人馬機器人腿部(18、19、20、21)各關節當前角度信息和左右兩個六自由度機械臂(22、23)各關節當前角度信息，并通過慣性測量單元得到類半人馬機器人當前重心位置信息；

期望位姿計算模塊用于實時計算類半人馬機器人腿部(18、19、20、21)各關節和左右兩個六自由度機械臂(22、23)各關節當前期望角度，包括：

首先通過視覺感知模塊(25)得到任務目標位置信息，根據自身位姿獲取模塊所得信息判斷目標位置是否位于左右兩個機械臂(22、23)工作空間中，如果沒有位于左右兩個機械臂(22、23)工作空間，僅需計算類半人馬機器人腿部(18、19、20、21)各關節當前期望角度，直到類半人馬機器人移動到機械臂(22、23)工作空間中；最后利用運動學逆解模型計算得出類半人馬機器人腿部(18、19、20、21)各關節和左右兩個六自由度機械臂(22、23)各關節當前期望角度；

運動控制模塊用于控制類半人馬機器人運動完成任務目標，包括：

根據類半人馬機器人腿部(18、19、20、21)和左右兩個機械臂(22、23)各關節當前期望角度，控制腿部(18、19、20、21)和機械臂(22、23)速度，實現類半人馬機器人臂足協同運動控制；根據類半人馬機器人整體的重心位置，調整機械臂(22、23)各關節力矩來避免機械臂產生的力矩導致類半人馬機器人翻倒；根據類半人馬機器人左右兩個六自由度機械臂(22、23)各關節當前期望角度，控制機械臂完成抓取物體等任務目標；

類半人馬機器人行走步態采用對角步態，且擺動相與支撐相周期相同，設計類半人馬機器人行走控制器為：

其中，S、H、Tm為行走控制器中的步長、抬腿高度、擺動相周期參數，當i＝1、3時，Ti＝0，當i＝2、4時，Ti＝Tm；

在類半人馬機器人臂足協同運動控制中，單獨控制腿部和機械臂不可避免產生擾動，影響控制精度，而為了實現臂足協同控制，對每條腿之間以及腿與機械臂之間的通訊相互連接，由計算機發出領導者速度指令，四條腿與機械臂對領導者速度進行跟隨。對每條腿和機械臂都設計一個速度控制器，速度控制器不僅接收自身速度信息，同時接收其他腿和機械臂的速度信息來實現臂足協同控制，設計臂足速度協同控制器為：

其中，v'_i為期望速度，b₁、b₂為臂足速度協同控制器系統參數，c₁為協同因子，c₂為跟蹤因子，v₀為領導者速度；

在機械臂的抓取運動中，雙機械臂運動會產生復雜的非線性耦合，為保證雙機械臂能夠協同完成目標任務，建立雙機械臂協作約束方程：

其中，M(q,t)為關于關節角度和時間的慣性矩陣，為關于關節角度、關節角速度和時間的廣義力，為關于關節角度、關節角速度和時間的約束力；

設計類半人馬機器人機械臂末端執行器運動控制器為：

其中，τ_i為控制力矩，G(q)為重力矩，K_id、K_ip為末端執行器運動控制器的微分、比例控制參數。