CN112455155B

CN112455155B - 多模态变形轮及其控制方法、装置、电子设备和存储介质

Info

Publication number: CN112455155B
Application number: CN202011344520.6A
Authority: CN
Inventors: 姚言章; 徐淇玮; 徐浩; 梁聪慧
Original assignee: Tencent Technology Shenzhen Co Ltd
Current assignee: Tencent Technology Shenzhen Co Ltd
Priority date: 2020-11-26
Filing date: 2020-11-26
Publication date: 2022-03-25
Anticipated expiration: 2040-11-26
Also published as: CN112455155A

Abstract

本申请涉及自动控制技术领域，尤其涉及多模态变形轮及其控制方法、装置、电子设备和存储介质，用以提高变形轮的环境适应能力。其中，变形轮包括：轮体，控制轮体转动的第一电机，转动装配在轮体上的控制部，控制控制部转动的第二电机，至少两组可伸缩腿部部件，每组可伸缩腿部部件包括两条腿杆，两条腿杆的第一端转动连接形成连接端，第一腿杆的第二端与控制部转动连接，第二腿杆的第二端与轮体转动连接；第二电机驱动控制部转动，带动可伸缩腿部部件的两条腿杆转动，以使连接端向轮体边沿运动并伸出轮体边沿，或以使连接端以及两条腿杆从轮体边沿外收回至轮体边沿以内。本申请通过可伸缩腿部部件实现变形，以增强环境适应能力。

Description

多模态变形轮及其控制方法、装置、电子设备和存储介质

技术领域

本申请涉及自动控制技术领域，尤其涉及多模态变形轮及其控制方法、装置、电子设备和存储介质。

背景技术

现阶段，各类具有不同性能的车辆或机器人广泛运用到了城市交通、农业、军事、航空航天等领域中。不过，目前，轮式运动机器人的轮子部分多以传统圆轮结构为主，主要应用于平坦路面的运动。由于其大量采用普通圆轮结构，无法根据实际情况改变结构参数，存在着对路面要求高、越障能力不足、抓地力不强等缺陷。

与传统轮子相比，具有变形功能的轮子，不仅可实现传统轮子的运动模式，还可以通过自身变形的方式，增强轮子对环境的适应能力，使其具有一定的越障能力和弹跳能力，以大大降低对路面的要求。从而如何增强变形轮的环境适应能力是一个需要考虑的问题。

发明内容

本申请实施例提供多模态变形轮及其控制方法、装置、电子设备和存储介质，用以提高变形轮的环境适应能力。

本申请实施例提供的一种多模态变形轮，包括：

轮体，控制所述轮体转动的第一电机，转动装配在所述轮体上的控制部，控制所述控制部转动的第二电机，以及至少两组可伸缩腿部部件，其中：

每组可伸缩腿部部件包括两条腿杆，其中第一腿杆的第一端与第二腿杆的第一端转动连接形成连接端，所述第一腿杆的第二端与所述控制部转动连接，所述第二腿杆的第二端与所述轮体转动连接；

所述第二电机驱动所述控制部相对于所述轮体以第一转动方向转动时，带动每组可伸缩腿部部件的两条腿杆转动，以使每组可伸缩腿部部件的连接端向所述轮体边沿运动并伸出所述轮体边沿，所述第二电机驱动所述控制部相对于所述轮体以第二转动方向转动时，每组可伸缩腿部部件的连接端以及两条腿杆从所述轮体边沿外收回至所述轮体边沿以内，所述第一转动方向和所述第二转动方向相反。

本申请实施例提供的一种机器人，包括至少一个腿部，每个腿部装配有上述任一项所述的多模态变形轮。

本申请实施例提供的一种多模态变形轮的控制方法，包括：

获取用于指示所述变形轮运动模态切换的控制指令，以及所述第一电机和所述第二电机当前的状态参数；

根据所述控制指令以及所述状态参数，获得将所述变形轮由当前运动模态切换为目标运动模态时，用于控制所述第一电机转动的第一控制参数，以及用于控制所述第二电机转动的第二控制参数；

根据第一控制参数控制所述第一电机的转动，以控制所述轮体的运动，以及根据第二控制参数控制所述第二电机的转动，以控制所述可伸缩腿部部件的伸缩，实现所述变形轮运动模态的切换控制。

可选的，将所述变形轮在连续小跳模态的跳跃运动划分为站立相、腾空相和着地相三个阶段；所述通过控制所述变形轮在落地时的着地角度，改变所述变形轮着地点的位置，以控制所述变形轮的跳跃水平速度，具体包括：

当着地角度小于预设角度时，所述变形轮离开着地相的速度小于所述变形轮进入着地相的速度；或者，当着地角度大于预设角度时，所述变形轮离开着地相的速度大于所述变形轮进入着地相的角度；

其中，当所述变形轮以所述预设角度进入着地相时，使得所述变形轮的跳跃水平速度以及跳跃高度与期望稳定跳跃状态相同，且所述变形轮的运动轨迹关于所述着地点轴对称，所述着地角度与所述变形轮进入腾空相的腾空角度相同。

本申请实施例提供的一种多模态变形轮的控制装置，包括：

获取单元，用于获取用于指示所述变形轮运动模态切换的控制指令，以及所述第一电机和所述第二电机当前的状态参数；

分析单元，用于根据所述控制指令以及所述状态参数，获得将所述变形轮由当前运动模态切换为目标运动模态时，用于控制所述第一电机转动的第一控制参数，以及用于控制所述第二电机转动的第二控制参数；

控制单元，用于根据第一控制参数控制所述第一电机的转动，以控制所述轮体的运动，以及根据第二控制参数控制所述第二电机的转动，以控制所述可伸缩腿部部件的伸缩，实现所述变形轮运动模态的切换控制。

可选的，所述目标运动模态为轮式模态时，所述控制单元具体用于：

根据所述第一控制参数控制所述第一电机转动，以使所述变形轮的轮体转动，根据所述第二控制参数控制所述第二电机与所述第一电机保持同步运动，以使所述变形轮的每组可伸缩腿部部件处于收缩状态，使得所述变形轮保持圆轮滚动。

可选的，所述目标运动模态为越障模态时，所述控制单元具体用于：

当所述变形轮与障碍物的距离在一定范围内时，根据所述第一控制参数控制所述第一电机转动，根据所述第二控制参数控制所述第二电机以相对于所述第一电机的第一转动方向转动，以使每组可伸缩腿部部件的连接端向所述轮体边沿运动并伸出所述轮体边沿，且至少一组可伸缩腿部部件的连接端搭接在所述障碍物的上表面，至少一组可伸缩腿部部件的连接端抵接地面，以支撑所述变形轮站立，所述第一转动方向和所述第二转动方向相反；以及

当所述变形轮抵接地面的可伸缩腿部部件的连接端离开地面时，根据所述第一控制参数控制所述第一电机转动，根据所述第二控制参数控制所述第二电机与所述第一电机保持同步运动，以使每组可伸缩腿部部件保持伸出状态，使得所述变形轮跨越所述障碍物。

可选的，在每组可伸缩腿部部件中，两条腿杆与所述轮体之间连接有扭簧，两条腿杆所连接的扭簧的弹性系数不同；所述目标运动模态为跳跃模态时，所述控制单元具体用于：

根据所述第一控制参数控制所述第一电机转动，根据所述第二控制参数控制所述第二电机以相对于所述第一电机的第一转动方向转动，以使每组可伸缩腿部部件的连接端向所述轮体边沿运动并伸出所述轮体边沿，至所述变形轮的至少一组可伸缩腿部部件的连接端抵接地面时，所述变形轮基于所述扭簧释放的能量发生弹跳，所述第一转动方向和所述第二转动方向相反；

在所述变形轮完成弹跳后，根据所述第一控制参数控制所述第一电机转动，根据所述第二控制参数控制所述第二电机以相对于所述第一电机的第二转动方向转动，以使每组可伸缩腿部部件的连接端以及两条腿杆从所述轮体边沿外向内收回。

可选的，在每组可伸缩腿部部件中，两条腿杆与所述轮体之间连接有扭簧，两条腿杆所连接的扭簧的弹性系数不同；所述目标运动模态为连续小跳模态时，所述控制单元具体用于：

根据所述第一控制参数控制所述第一电机的转动，根据所述第二控制参数控制所述第二电机的转动，以使所述变形轮发生弹跳，并在所述变形轮落地后通过控制所述第一电机和所述第二电机的转动，为所述变形轮补充能量，以使所述变形轮再次发生弹跳，实现所述变形轮的连续跳跃，其中每次弹跳都执行下列过程：

根据所述第一控制参数控制所述第一电机转动，根据所述第二控制参数控制所述第二电机以相对于所述第一电机的第一转动方向转动，以使每组可伸缩腿部部件的连接端向所述轮体边沿运动并伸出所述轮体边沿，至所述变形轮的至少一组可伸缩腿部部件的连接端抵接地面时，所述变形轮基于所述扭簧释放的能量发生弹跳；

可选的，所述控制单元还用于：

通过控制所述变形轮在落地时的着地角度，改变所述变形轮着地点的位置，以控制所述变形轮的跳跃水平速度。

可选的，将所述变形轮在连续小跳模态的跳跃运动划分为站立相、腾空相和着地相三个阶段；所述控制单元具体用于：

本申请实施例提供的一种电子设备，包括处理器和存储器，其中，所述存储器存储有程序代码，当所述程序代码被所述处理器执行时，使得所述处理器执行上述一种多模态变形轮的控制方法的步骤。

本申请实施例提供一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存储介质中。计算机设备的处理器从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行上述一种多模态变形轮的控制方法的步骤。

本申请实施例提供一种计算机可读存储介质，其包括程序代码，当所述程序产品在电子设备上运行时，所述程序代码用于使所述电子设备执行上述一种多模态变形轮的控制方法的步骤。

本申请有益效果如下：

本申请实施例提供的多模态变形轮的控制方法、装置、电子设备和存储介质，由于本申请中提出的变形轮包括至少两组可伸缩腿部部件，每组可伸缩腿部部件包括两条腿杆，两条腿杆的第一端转动连接形成连接端，其中第一腿杆的第二端与控制部转动连接，第二腿杆的第二端与轮体转动连接，因而，在通过第一电机控制轮体转动，通过第二电机控制控制部转动时，即可带动带动每组可伸缩腿部部件的两条腿杆转动，以使每组可伸缩腿部部件的连接端向轮体边沿运动并伸出轮体边沿，或者是带动每组可伸缩腿部部件的连接端以及两条腿杆从轮体边沿外收回至轮体边沿以内，通过自身变形的方式，实现多种运行模态，增强轮子对环境的适应能力。另外，本申请实施例中的多模态变形轮的控制方法使得装载多模态变形轮的机器人能够实现稳定的多模态运动，在不同的地形下运动时采用不同的模态控制策略，使其具有广泛的地形适应能力。通过不同运动模式的控制切换，可以让轮子适应平地，崎岖地面以及高台的运动，根据地形灵活地切换运动方式。

本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1A为本申请实施例中的第一种多模态变形轮的结构示意图；

图1B为本申请实施例中的第二种多模态变形轮的结构示意图；

图2A为本申请实施例中的第一种控制部的示意图；

图2B为本申请实施例中的第二种控制部的示意图；

图3为本申请实施例中的一种多模态变形轮的控制方法的示意图；

图4为本申请实施例中的一种多模态变形轮的运动控制***的框图；

图5为本申请实施例中的一种轮式运动机器人的结构示意图；

图6为本申请实施例中的一种轮式模态示意图；

图7为本申请实施例中的第一种越障模态示意图；

图8为本申请实施例中的第二种越障模态示意图；

图9为本申请实施例中的一种跳跃模态的示意图；

图10为本申请实施例中的一种连续小跳模态的示意图；

图11A为本申请实施例中的一种SLIP模型的示意图；

图11B为本申请实施例中的一种中性点的示意图；

图12为本申请实施例中的一种多模态变形轮的控制装置的组成结构示意图；

图13为应用本申请实施例的一种电子设备的一个硬件组成结构示意图。

附图标记：

11–轮体，12-控制部，13-可伸缩腿部部件，131-第一腿杆，131a-第一腿杆的第一端，131b-第一腿杆的第二端，132-第二腿杆，132a-第二腿杆的第一端，132b-第二腿杆的第二端，14a-第一扭簧，14b-第二扭簧。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请技术方案的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请文件中记载的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请技术方案保护的范围。

下面对本申请实施例中涉及的部分概念进行介绍。

伺服电机：是指在伺服***中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电机转子转速受输入信号控制，在自动控制***中，用作执行元件，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。本申请实施例中的第一电机和第二电机都可以是伺服电机。

扭转弹簧(简称扭簧)：属于螺旋弹簧。扭转弹簧的端部被固定到其他组件，当其他组件绕着弹簧中心旋转时，该弹簧将它们拉回初始位置，产生扭矩或旋转力。扭转弹簧可以存储和释放角能量或者通过绕簧体中轴旋转力臂以静态固定某一装置。

有限状态机：又称有限状态自动机，简称状态机，是表示有限个状态以及在这些状态之间的转移和动作等行为的数学模型。在本申请实施例中，由于变形轮运动具有多种形态，因而控制***中的主控制器可以通过有限状态机的方式，根据用户指令或自主决策指令来完成模态切换。

下面对本申请实施例的设计思想进行简要介绍：

随着世界经济的快速发展以及人类生活水平的不断的进步，人们的消费对象越来越转向服务方向。新兴的服务机器人适应这一潮流，目前正蓬勃发展。服务机器人应用于餐饮服务、商场服务、会议服务、家居公用等多个场合。但由于应用场合地形狭窄，人流繁忙这就要求服务机器人的底盘性能具备一定的越障能力。

就目前发展情况，轮式运动机器人它以其灵活的转向性能，运行的稳定性，控制的简洁性、高效率性能成为最常见的移动方式。但它在越障性能上存在很大不足，主要应用于平坦路面的运动。室内的门槛台阶等都会成为它行进的障碍。

为解决以上问题，需要一种具有变形轮的移动机器人，变形轮能够通过驱动一定的机构带动车轮变形，从而大大提高机器人的路面适应能力，同时，在普通路面移动时，变形轮能够保持为圆形，使机器人能够高速、平稳地行驶。

有鉴于此，本申请实施例提供了一种多模态变形轮及其控制方法、装置、电子设备和存储介质。该变形轮包括至少两组可伸缩腿部部件，每组可伸缩腿部部件包括两条腿杆，两条腿杆的第一端转动连接形成连接端，其中第一腿杆的第二端与控制部转动连接，第二腿杆的第二端与轮体转动连接，因而，在通过第一电机控制轮体转动，通过第二电机控制控制部转动时，即可带动带动每组可伸缩腿部部件的两条腿杆转动，以使每组可伸缩腿部部件的连接端向轮体边沿运动并伸出轮体边沿，或者是带动每组可伸缩腿部部件的连接端以及两条腿杆从轮体边沿外收回至轮体边沿以内，通过自身变形的方式，实现多种运行模态，增强轮子对环境的适应能力。相应地，该变形轮的运动模态可以包括轮式模态、越障模态、跳跃模态、连续小跳模态等模态，基于本申请实施例中提出的控制方法使得装载多模态变形轮的机器人能够实现稳定的多模态运动，在不同的地形下运动时采用不同的模态控制策略，使其具有广泛的地形适应能力。

以下结合说明书附图对本申请的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本申请，并不用于限定本申请，并且在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

参阅图1A所示，其为本申请实施例中的第一种多模态变形轮的结构示意图。该变形轮包括轮体11，控制轮体11转动的第一电机，转动装配在轮体11上的控制部12，控制控制部12转动的第二电机，以及至少两组可伸缩腿部部件13，其中：

每组可伸缩腿部部件13包括两条腿杆，其中第一腿杆131的第一端131a与第二腿杆132的第一端132a转动连接形成连接端，第一腿杆131的第二端131b与控制部12转动连接，第二腿杆132的第二端132b与轮体11转动连接；

第二电机驱动控制部12相对于轮体11以第一转动方向转动时，带动每组可伸缩腿部部件13的两条腿杆转动，以使每组可伸缩腿部部件13的连接端向轮体11边沿运动并伸出轮体11边沿，第二电机驱动控制部12相对于轮体11以第二转动方向转动时，每组可伸缩腿部部件13的连接端以及两条腿杆从轮体11边沿外收回至轮体11边沿以内，第一转动方向和第二转动方向相反。

其中，第一转动方向可以是顺时针，也可以是逆时针。当第一转动方向为顺时针时，第二转动方向为逆时针；例如，控制部12相对于轮体11以顺时针方向转动时，可伸缩腿部部件13伸出，以逆时针方向转动时，可伸缩腿部部件13收缩。或者，当第一转动方向为逆时针时，第二转动方向为顺时针。例如，制部12相对于轮体11以逆时针方向转动时，可伸缩腿部部件13伸出，以顺时针方向转动时，可伸缩腿部部件13收缩。

在图1A中，第一电机和第二电机未示出，具体的，第一电机通过输出轴与轮体连接，第二电机通过输出轴与控制部连接。因而，在第一电机转动时，即可通过与轮体连接的输出轴，带动轮体转动，在第二电机转动时，即可通过与控制部连接的输出轴，带动控制部转动。

参阅图1B所示，其为本申请实施例中所列举一种可伸缩腿部部件处于伸出状态时变形轮的示意图。每组可伸缩腿部部件的连接端以及两条腿杆都伸出至轮体边沿外。

可选的，每组可伸缩腿部部件13中的两条腿杆都为弧形，且每组可伸缩腿部部件13中的两条腿杆的弧线的开口朝向相同。如图1A或图1B所示，弧线开口朝向一致，即每组可伸缩腿部部件中的两条腿杆都是朝一个方向弯曲。

在本申请实施例中，腿杆也可以是其他形状，例如直杆，在此不做具体限定，本文主要是以弧形为例进行举例说明的，在翻越障碍时，弧形腿杆可以更好的与障碍物接触，效果更佳。

可选的，在每组可伸缩腿部部件中，两条腿杆与轮体之间连接有扭簧，两条腿杆所连接的扭簧的弹性系数不同；其中，各条腿杆所连接的扭簧，用于向对应连接的腿杆施加向轮体边沿外的作用力。具体的，在每组可伸缩腿部部件的连接端向轮体边沿运动并伸出轮体边沿的过程中，向对应连接的腿杆施加向轮体边沿外运动的作用力，形成释放能量的状态。在每组可伸缩腿部部件的连接端以及两条腿杆从轮体边沿外收回至轮体边沿以内的过程中，受到对应连接的腿杆施加的反作用力而形成蓄能状态。

在本申请实施例中，在每组可伸缩腿部部件的连接端以及两条腿杆从轮体边沿外收回至轮体边沿以内的过程中，向对应连接的腿杆施加向轮体边沿外运动的作用力。但是，该作用力要小于对应连接的腿杆给扭簧施加的反作用力，因而扭簧形变而形成蓄能状态，储存能量。其中，反作用力是电机转矩的力量带来的。

例如图1B所示，在每组可伸缩腿部部件13中，第一腿杆131与轮体11之间连接有第一扭簧14a，第二腿杆132与控制部之间连接有第二扭簧14b，第一扭簧14a与第二扭簧14b的弹性系数不同。其中，第一扭簧以及第二扭簧在可伸缩腿部部件由伸出状态至收缩状态的转变过程中，产生形变，储存能量。该情况下，扭簧向对应连接的腿杆施加向轮体边沿外运动的作用力，即第一扭簧14a向腿杆131施加向轮体11边沿外运动的作用力，第二扭簧14b向腿杆132施加向轮体11边沿外运动的作用力，但是扭簧向腿杆施加的作用力小于电机转动所施加的作用力，所以可伸缩腿部部件13的连接端以及两条腿杆从轮体11边沿外收回至轮体11边沿以内。

在变形轮弹跳过程中，变形轮的可伸缩腿部部件存在由收缩状态至伸出状态的转变，该过程中扭簧会恢复形变，释放能量，为变形轮中每组可伸缩腿部部件的连接端对应连接的腿杆施加向轮体边沿运动并伸出轮体边沿的作用力。例如在某些实施方式中，施加竖直方向的作用力，该竖直方向的作用力使得可伸缩腿部部件向外伸出来。

其中，考虑到每组可伸缩腿部部件中的两条腿杆虽然都是弧形，但是弧度并不相同，基于此设置第一扭簧和第二扭簧的弹性系数不同，可以保证腿部收缩时，第一电机和第二电机的力矩对称。

可选的，轮体11和控制部12的转动轴心重合，每组可伸缩腿部部件13的连接端均匀分布在以转动轴心为圆心的圆形上。

可选的，可伸缩腿部部件13包括两组，控制部12为控制杆，控制杆的两端分别转动连接一组可伸缩腿部部件13中第二腿杆132的第二端132b。如图1A所示或图1B所示。其中，当可伸缩腿部部件有更多组时，比如包括三组，此时控制部12可以是一个三角形的控制盘，这样三角形的每一个顶点转动连接一组可伸缩腿部部件13中第二腿杆132的第二端132b，当然也可以是其他形状，在此不做具体限定。如图2A所示，其为本申请实施例中的一种三角形的控制盘的示意图，其中，三角形中心的圆点即控制部12的转动轴心，三角形顶角位置的圆点是分别与可伸缩腿部部件13中第二腿杆132的第二端132b转动连接的位置。

另外，当可伸缩腿部部件有三组时，控制部12还可以是图2B所示的控制盘，同样，中心位置的圆点即控制部12的转动轴心，各个顶角位置的圆点是分别与可伸缩腿部部件13中第一腿杆131的第二端131b转动连接的位置。

基于上述所列举的多模态变形轮，本申请实施例提供了一种多模态变形轮的包含圆轮滚动，步行轮爬行，并联腿跳跃以及连续小跳的运动控制方法与动力学建模。通过不同运动模式的控制切换，可以让轮子适应平地，崎岖地面以及高台的运动，根据地形灵活地切换运动方式。

下面主要是以变形轮的可伸缩腿部部件包括两组，控制部为控制杆的情景为例进行详细介绍。上述多模态变形轮共有两个自由度，一个控制部(也称控制轮杆或控制杆)，一个轮体(也称控制轮盘)，两个自由度均由伺服电机实现。整体采用ARM控制器，通过CAN(Controller Area Network，控制器局域网络)总线实现联动，保证运动控制的同步性与算法的有效性。

需要说明的是，本申请实施例中的变形轮的运动模态包括但不限于轮式模态、越障模态、跳跃模态、连续小跳模态，基于本申请实施例所提供的多模态变形轮的控制方法，可以使得装载本申请实施例所列举的多模态变形轮的机器人能够实现稳定的多模态运动，在不同的地形下运动时采用不同的模态控制策略，使其具有广泛的地形适应能力。可选的，本申请实施例中所列举的机器人包括至少一个腿部，每个腿部上装配有该多模态变形轮。

下面将对本申请实施例中的多模态变形轮的控制方法进行详细介绍：

参阅图3所示，其为本申请实施例中的一种多模态变形轮的控制方法的实施流程图，该方法的具体实施流程如下：

S31：获取用于指示变形轮运动模态切换的控制指令，以及第一电机和第二电机当前的状态参数；

其中，控制指令是指用于实现变形轮模态切换的指令。本申请实施例中的控制指令可以是用户指令，也可以是主控制器自主决策指令。

下面结合本申请实施例中所列举的变形轮的运动控制***对本申请实施例中的多模态变形轮的控制方法进行简要介绍。

如图4所示，其为本申请实施例中的一种变形轮的运动控制***的框图，包括主控制器、编码器、姿态传感器IMU、驱动器及第一电机，第二电机，其中编码器用于读取两个电机主动关节当前的转角，并将数据传送给主控制器。主控制器接收编码器上传的数据，并获取用于指示变形轮的运动模态切换的控制指令；根据控制指令以及转角获得将变形轮由当前运动模态切换为目标运动模态时，两个电机分别需要转动的目标角度；将目标角度传送给驱动器，以用于驱动两个电机的协同控制，以及足端轨迹规划。驱动器则用于根据目标角度，结合PID驱动算法，控制为电机提供的驱动电压。而第一电机和第二电机则用于根据驱动器提供的驱动电压进行转动，以通过转动控制变形轮的转动和变形。

另外，在由主控制器进行足端轨迹规划时，姿态传感器则用于测量安装有本申请实施例中所提供的多模态变形轮的轮式运动机器人的运动模态信息和位姿信息(具体是指倾角，角速度，角加速度等，以及在轮式运动机器人起跳之后检测轮式运动机器人的姿态等)，并将运动模态信息以及位姿信息反馈给主控制器；主控制器用于根据运动模态信息以及位姿信息，对轮式运动机器人进行足端轨迹规划。

如图5所示为本申请实施例中所列举的一种机器人的示意图，该机器人包括两条腿部，每条腿部上装配有一个本申请实施例中所列举的变形轮。在本申请实施例中，通过测量该机器人的运动模态信息以及位姿信息等，还可调整该机器人在空中的姿态，保证机器人的平稳。

S32：根据控制指令以及状态参数，获得将变形轮由当前运动模态切换为目标运动模态时，用于控制第一电机转动的第一控制参数，以及用于控制第二电机转动的第二控制参数；

在本申请实施例中，由于变形轮运动具有多种形态，主控制器通过有限状态机的方式，根据用户指令或自主决策指令来完成模态切换。其中，状态参数包括第一电机和第二电机当前的转角，另外还可以包括转速，角加速度，转动方向等参数。而第一控制参数主要是指第一电机需要转动的目标角度，另外也可包括某某时刻或某某时段所需的转速，角加速度，转动方向等等；第二控制参数主要是指第二电机需要转动的目标角度，同样可包括某某时刻或某某时段所需的转速，角加速度，转动方向等等参数，在此不做具体限定。

S33：根据第一控制参数控制第一电机的转动，以控制轮体的运动，以及根据第二控制参数控制第二电机的转动，以控制可伸缩腿部部件的伸缩，实现变形轮运动模态的切换控制。

在本申请实施例中，由于目标运动模态不同，相应地第一控制参数和第二控制参数也不相同，但是基本原理都是基于这些控制参数来控制第一电机和第二电机的转动，以控制变形轮的变形和转动。需要说明的是，本申请实施例中的电机可以是指伺服电机。具体的，通过改变加到直流电机电枢两端的直流驱动电压，即可改变电机的转速；改变该驱动电压的极性，即可改变电机的转动方向。

下面分别对各运动模态进行详细介绍：

一、轮式模态。

在本申请实施例中，多模态变形轮能够适应多种不同的地形，而轮式模态则保证变形轮能够在平整路面具有快速运动能力、高运动效率。在控制方面需要驱动两个伺服电机，控制变形轮的可伸缩腿部部件收缩在圆形控制轮盘面内，并保持收缩状态不变。

需要注意的是，在使多模态变形轮处于轮式模态时，轮子需要保持圆轮滚动的状态，因而本申请实施例中的两个电机需要协同控制，具体的控制方法为：根据第一控制参数控制第一电机以某一转动方向转动，以使变形轮的轮体转动，根据第二控制参数控制第二电机也以该转动方向转动，使得第一电机和第二电机相对静止，保持同步运动。在本申请实施例中，通过控制第一电机与第二电机保持同步运动，可以保证变形轮的每组可伸缩腿部部件保持收缩状态，使得变形轮保持圆轮滚动。

也就是说，为了保证腿部能够收缩，维持变形轮的轮式模态，两个伺服电机必须保证同步运动，具有相同的位置项和速度项。比如，第一电机和第二电机都顺时针转动，角速度和角加速度大小相等，方向相同；或者，第一电机和第二电机都逆时针转动，角速度和角加速度大小相等，方向相同。

具体的，轮式模态的运动学方程如下：

参阅图6所示，其为本申请实施例中的一种轮式模态的示意图。在图6中，R为多模态变形轮半径，假设电机减速比为i，电机转速为ω，轮子前进速度为ν，则轮子的运动学方程满足以下关系：

ν＝(ω/i)*R。

也就是说，在轮式模态下，需要保证使得变形轮的前进速度和变形轮半径的比值，与电机的转速和电机的减速比的比值相等。同时，第一电机和第二电机同步运动。其中，第一电机和第二电机同步运动，转速，减速比等都相同。这些都属于本申请实施例中所列举的控制参数。

二、越障模态。

在本申请实施例中，轮式模态下运动越障的最大高度受到轮半径R的限制，其最大越障高度不超过轮半径R，为了增大多模态变形轮的越障高度，将变形轮(也可以叫弹跳轮)转换至越障模态即可。如图7所示，其为本申请实施例中所列举的一种越障模态下变形轮结构的示意图，该结构使其能够适应崎岖地形以及攀爬楼梯等特殊场景。

在越障模态下，多模态变形轮的可伸缩腿部部件需要伸出，并且，在翻越障碍时不需要收回，变形轮的可伸缩腿部部件保持伸出状态，以更好的接触障碍物，翻越障碍物。

因而，当变形轮与障碍物的距离在一定范围内时，需要控制多模态变形轮腿部伸出，具体控制方法为：在变形轮与障碍物的距离在一定范围内时(比如靠近障碍物时)，根据第一控制参数控制第一电机转动，根据第二控制参数控制第二电机以相对于第一电机的第一转动方向转动，以使每组可伸缩腿部部件的连接端向轮体边沿运动并伸出轮体边沿，且至少一组可伸缩腿部部件的连接端搭接在障碍物的上表面，至少一组可伸缩腿部部件的连接端抵接地面，以支撑变形轮站立。如图7所示，在图7中，变形轮的一组可伸缩腿部部件的连接端搭接在障碍物的上表面上，另一组抵接地面，此时变形轮处于站立相。

其中，“相对于第一电机的第一转动方向”是指与“第一电机的转动方向”相比较时的一个相对概念，比如第一转动方向为逆时针时，若第一电机和第二电机相对于同一参照物(比如地面)都是顺时针转动，但是第一电机转速快，第二电机转速慢，此时第二电机相对于第一电机逆时针转动，即以相对于第一电机的第一转动方向转动。或者，第一电机和第二电机相对于同一参考物都是逆时针转动，但是第一电机转速快，第二电机转速慢，此时第二电机相对于第一电机顺时针转动，即以相对于第一电机的第一转动方向转动。再比如，第一电机相对于参照物A顺时针转动，第二电机相对于参照物A逆时针转动。

或者，第一转动方向为顺时针时，第一电机相对于参照物A逆时针转动，第二电机相对于参照物A顺时针转动。再比如，第一电机和第二电机相对于同一参照物(比如地面)都是顺时针转动，但是第一电机转速慢，第二电机转速快，此时第二电机相对于第一电机逆时针转动，即以相对于第一电机的第一转动方向转动。或者，第一电机和第二电机相对于同一参考物都是逆时针转动，但是第一电机转速慢，第二电机转速快，此时第二电机相对于第一电机顺时针转动，即以相对于第一电机的第一转动方向转动，等等这些都是第二电机以相对于第一电机的第一转动方向转动的情况，在此不再一一列举。

在本申请实施例中，主要是以两个伺服电机反向协同为例进行举例说明的，其中，反向协同是指第一电机和第二电机的角速度，角加速度必须保持大小相等，方向相反，这样可以使得变形轮的每组可伸缩腿部部件更快地伸出。

需要说明的是，在翻越障碍的过程中，变形轮的轮子一直向障碍物方向运动，比如一直会向前滚动，在达到图7所示的状态时，由于需要继续向前滚动，此时变形轮抵接地面的可伸缩腿部部件的连接端开始离开地面，以翻越障碍。在本申请实施例中，在翻越障碍时伺服电机协同控制方式与轮式模态相同，保证多模态变形轮的可伸缩腿部部件保持伸出状态，以更好的与障碍物接触，翻越障碍物。具体控制方法为：当变形轮抵接地面的可伸缩腿部部件的连接端离开地面时，根据第一控制参数控制第一电机以某一转动方向转动，根据第二控制参数控制第二电机与第一电机保持同步运动，以使每组可伸缩腿部部件保持伸出状态，使得变形轮跨越障碍物。

在本申请实施例中，在变形轮越障的瞬间，其抵接地面的可伸缩腿部部件的连接端开始离开地面。因而，当变形轮抵接地面的可伸缩腿部部件的连接端离开地面时，可根据第一控制参数控制第一电机相对于参照物A以某一转动方向转动，此外，根据第二控制参数控制第二电机相对于参照物A也以该转动方向转动，且第一电机和第二电机的角速度，角加速度都大小相等，方向相同，以保证第二电机与第一电机保持同步运动，此时变形轮的两组可伸缩腿部部件会一直保持伸出状态不变，使得变形轮跨越障碍物。

例如，第一电机相对于参照物A顺时针转动，第二电机也相对于参照物A顺时针转动，且角速度和角加速度的大小、方向都相同。或者，第一电机相对于参照物A逆时针转动，第二电机也相对于参照物A逆时针转动，且角速度和角加速度的大小、方向都相同。

该模态下，多模态变形轮的极限越障高度取决于其腿部末端到轮心的距离，参阅图7所示，其为本申请实施例中的一种具有两组可伸缩腿部部件的变形轮能够翻越的最高障碍示意图，图中R为多模态变形轮半径，l为虚拟杆长(表示的是轮盘中心到腿部顶点之间的距离，可以通过正运动学算法求解得到)，h为极限越障高度，则有以下关系：

h＝2lsinθ；

θ＝arccos(R/l)。

图8中包含了变形轮在越障时的受力情况分析，假定多模态变形轮机构所受驱动转矩为M，可伸缩腿部部件与接触面之间的摩擦因数为μ，变形轮所受重力为G，N₁，N₂分别为地面和障碍面对变形轮的支撑力，F₁，F₂分别为地面和障碍面对变形轮的摩擦力，F_t为多模态变形轮机构在越障时所需的驱动力，在变形轮越障的瞬间，其抵接地面的可伸缩腿部部件的连接端开始离开地面，此时有N₁＝0，F₁＝0，则有以下关系：

G-N₂cosθ-F₂sinθ＝0；

F_t-N₂sinθ+F₂cosθ＝0；

N₂R-M＝0；

F₂＝μN₂；

由上述四个公式可以计算得到变形轮的驱动力

由于在越障时，可伸缩腿部部件不再与地面接触，因而驱动力计算公式中的μ具体是指的可伸缩腿部部件与障碍面之间的摩擦因数，该摩擦因数与障碍面表面的粗糙度，材料，材料硬度，温度，湿度等相关。

另外，考虑到变形轮的运动模态还包括跳跃模态和连续小跳的模态，基于此，一方面，本申请实施例中的变形轮在每组可伸缩腿部部件中，两条腿杆与轮体之间连接有扭簧，扭簧受到外部施加的作用力时可以产生形变，比如在变形轮由高处落地时，扭簧被压缩，可产生弹性形变；另一方面，本申请实施例中变形轮的腿杆可以为弧形，在变形轮弹跳时，也可产生弹性形变。基于这两个方便可以使本申请实施例中变形轮的腿杆形式弹性杆的效果，便于变形轮的运动控制。

下面分别对跳跃模态和连续小跳模态进行详细说明：

三、跳跃模态。

在本申请实施例中，多模态变形轮弹跳方式采用被动跳跃模式，即采用扭簧在多模态变形轮腿部收缩时储存能量，利用存储能量进行跳跃。为了使得扭簧存储能量最大化，分别在变形轮膝关节加了四个扭转弹簧如图1B所示，其中，在每组可伸缩腿部部件中，第一腿杆与轮体之间连接有第一扭簧，第二腿杆与控制部之间连接有第二扭簧。其中，腿杆转角α和θ是两个腿杆由收缩状态转到伸出状态需要的转角，由于两个腿杆形状不一样，所以角度是不同的。

在本申请实施例中，考虑到每组可伸缩腿部部件中的两个腿杆转角不同，为了保证腿部收缩时伺服电机力矩对称，分别选用不同刚度系数(也称弹性系数)的扭簧，即第一扭簧与第二扭簧的弹性系数不同。根据扭簧弹性势能，以及多模态变形轮质量可以得到理论上跳跃高度和扭簧的关系：

k₁Δα＝k₂Δθ；

其中，k₁是第二扭簧的弹性系数，k₂是第一扭簧的弹性系数，Δα、Δθ是扭簧形变角度，m是变形轮质量，h是变形轮跳跃高度。

在控制变形轮跳跃时，如图9所示，其为本申请实施例中的一种变形轮的跳跃模态的示意图，表示的是从右向左跳跃的过程中所列举的该变形轮的几个状态。首先，在起跳过程中，根据第一控制参数控制第一电机以某一方向转动，根据第二控制参数控制第二电机以相对于第一电机的第一转动方向转动，以使每组可伸缩腿部部件的连接端向轮体边沿运动并伸出轮体边沿，至变形轮的至少一组可伸缩腿部部件的连接端抵接地面时，变形轮基于第一扭簧和第二扭簧释放的能量发生弹跳；如图9所示的状态1即表示有一组可伸缩腿部部件的连接端抵接地面，支撑该变形轮站立。在由状态1->状态2->状态3，表示的是每组可伸缩腿部部件的连接端逐渐向轮体边沿运动直至伸出轮体边沿的过程。在达到状态3时，变形轮跳跃至了目标高度，在图9中所列举的目标高度即最高点，此时可伸缩腿部最长，第一扭簧和第二扭簧的形变都为0。

在该运动过程中，扭簧恢复形变，为变形轮的可伸缩腿部部件对应连接的腿杆施加了向轮体边沿外运动的作用力；另外，若在变形轮跳跃至目标高度的过程中，第二电机仍转动，带动变形轮的控制部相对于轮体转动，此时第二电机也为可伸缩腿部部件对应连接的腿杆施加了向轮体边沿外运动的作用力。该情况下，由状态1至状态3，为变形轮的可伸缩腿部部件对应连接的腿杆施加向轮体边沿外运动的作用力的有扭簧以及电机。

若只是初始时刻电机转动以促使扭簧恢复形变，但是在变形轮跳跃至目标高度的过程中，第二电机不再带动变形轮的控制部相对于轮体转动，此时第二电机也不会为可伸缩腿部部件对应连接的腿杆施加向轮体边沿外运动的作用力。该情况下，由状态1至状态3，为变形轮的可伸缩腿部部件对应连接的腿杆施加向轮体边沿外运动的作用力的只有扭簧。

在变形轮完成弹跳后，则需要根据第一控制参数控制第一电机以某一方向转动，根据第二控制参数控制第二电机以相对于第一电机的第二转动方向转动，以使每组可伸缩腿部部件的连接端以及两条腿杆从轮体边沿外向内收回。

需要注意的是，本申请实施中的第二转动方向与第一转动方向相反，“相对于第一电机的第二转动方向”同样也是一个相对概念。比如第一转动方向为逆时针时，第二转动方向为逆时针，若第一电机和第二电机相对于同一参照物(比如地面)都是顺时针转动，但是第一电机转速慢，第二电机转速快，此时第二电机相对于第一电机逆时针转动，即以相对于第一电机的第二转动方向转动，等等，在此不再一一列举。

在本申请实施例中，变形轮完成弹跳指变形轮起跳之后，具体包括两个阶段：变形轮上升阶段和变形轮下降阶段。因而在变形轮完成弹跳后，根据第二控制参数控制第二电机以相对于第一电机的第二转动方向转动时，可以是在上升阶段和下降阶段的任一时刻，比如变形轮的腿部离地，但是还未跳跃至最高点时，就开始控制第二电机以相对于第一电机的第二转动方向转动，有可能到达最高点的时候成为圆轮状态了。

当然，也可以在变形轮跳跃至目标高度后开始控制第二电机以相对于第一电机的第二转动方向转动，比如变形轮至最高点时。具体参见图9所示的状态3->状态4->状态5。此过程中，扭簧向变形轮的每组可伸缩腿部部件的连接端对应连接的腿杆施加了向轮体边沿外运动的作用力，第二电机向变形轮的每组可伸缩腿部部件的连接端对应连接的腿杆施加了向轮体边沿内运动的作用力，且第二电机施加的作用力大于扭簧施加的作用力，使得变形轮的可伸缩腿部部件对应连接的腿杆向轮体边沿内运动。

其中，在状态5时，变形轮落地，此时变形轮的一组可伸缩腿部部件的连接端抵接地面。在另一种可选的实施方式中，变形轮落地时，其每组可伸缩腿部部件也可收缩至轮体内，进而恢复成轮式模态，继续向前滚动。在此不做具体限定。

在该状态下，第一控制参数和第二控制参数更加复杂，可能包括不同时段，变形轮不同阶段对应的不同的参数，例如由状态1->状态2->状态3可作为一个时段，由状态3->状态4->状态5可作为另一个时段等，在这两个时段中第二电机的转动方向有发生改变，另外转速，角加速度等参数也可能会发生变化，具体根据实际情况而定。

需要说明的是，本申请实施例中的电机控制是基于PID控制算法实现的。其中，要使电机的转速稳定在某一预定的转速，需要随时监测(采样)电机的转速并与预定值(设定值，即本申请实施例中的第一控制参数或第二控制参数)相比较，根据比较为结果来不断调整电机的转速，使之尽量接近设定值。即根据第一控制参数控制第一电机的转动，根据第二控制参数控制在第二电机的转动。

在本申请实施例中，驱动电机采用PID控制算法来控制电机转动，以控制变形轮的运动时，共包括三个闭环负反馈PID调节***：电流环、速度环和位置环，这三个调节***的关系如下：

伺服电机为了达到生产的精准控制，电机一般采用三环控制，这主要是为了使伺服电机***形成闭环控制，所谓三环就是3个闭环负反馈PID调节***。电压映射电流变化，电流映射转矩大小，转矩大小映射转速的变化，转速又映射了位置的变化，三环控制是考虑电气与物理融合。以达到非常精准，可靠的控制。

其中，第1环是电流环，此环完全在伺服驱动器内部进行，通过霍尔装置检测驱动器给电机的各相的输出电流，负反馈给电流的设定进行PID调节，从而达到输出电流尽量接近等于设定电流，电流环就是控制电机转矩的，所以在转矩模式下驱动器的运算最小，动态响应最快。

第2环是速度环，通过检测的电机编码器的信号来进行负反馈PID调节，它的环内PID输出直接就是电流环的设定，所以速度环控制时就包含了速度环和电流环，换句话说任何模式都必须使用电流环，电流环是控制的根本，在角速度和位置控制的***实际也在进行电流(转矩)的控制以达到对角速度和位置的相应控制。

第3环是位置环，它是最外环，可以在驱动器和电机编码器间构建也可以在外部控制器和电机编码器或最终负载间构建，要根据实际情况来定。由于位置控制环内部输出就是速度环的设定，位置控制模式下***进行了所有3个环的运算，此时的***运算量最大，动态响应速度也最慢。

在本申请实施例中，电流环，电压环和位置环之间是串联的方式，位置环的输出是速度环的输入，速度环的输出是电流环的输入，电流环的输出到达伺服电机，进而来不断调整电机的转动。

四、连续小跳模态。

在本申请实施例中，连续小跳模态是使得多模态变形轮连续进行小型跳跃前进的运动方式。与上述所列举的跳跃模态的控制方式类似，不过需要不断为变形轮补充能量。具体控制方式如下：

根据第一控制参数控制第一电机的转动，根据第二控制参数控制第二电机的转动，以使变形轮发生弹跳，并在变形轮落地后通过控制第一电机和第二电机的转动，为变形轮补充能量，以使变形轮再次发生弹跳，实现变形轮的连续跳跃，其中每次弹跳都执行下列过程：

根据第一控制参数控制第一电机转动，根据第二控制参数控制第二电机以相对于第一电机的第一转动方向转动，以使每组可伸缩腿部部件的连接端向轮体边沿运动并伸出轮体边沿，至变形轮的至少一组可伸缩腿部部件的连接端抵接地面时，变形轮基于第一扭簧和第二扭簧释放的能量发生弹跳；在变形轮完成弹跳后，根据第一控制参数控制第一电机以某一方向转动，根据第二控制参数控制第二电机以相对于第一电机的第二转动方向转动，以使每组可伸缩腿部部件的连接端以及两条腿杆从轮体边沿外向内收回。该过程同跳跃模态的具体过程类似。在变形轮落地时，可保持至少一组可伸缩腿部部件的连接端抵接地面，也可全部收缩至轮体内。

具体的，在变形轮完成弹跳后的任一时刻，都可控制第二电机以相对于第一电机的第二转动方向转动，同上文中弹跳模态类似，在此不做具体限定。在下文中主要是以变形轮跳转至目标高度时，控制第二电机以相对于第一电机的第二转动方向转动为例，进行举例说明的。

参阅图10所示，其为本申请实施例中的一种连续小跳模态的示意图。对于连续跳跃，在跳跃过程中赋予扭簧刚度增量(即使扭簧产生形变)可以使变形轮保持最大跳跃高度，虚拟弹簧的力可以通过雅可比矩阵转换为电机控制力矩输出。其中，在每次变形轮落地后都会产生一定的能量损失，因而每次跳跃都需要给变形轮补充能量。

具体的，图10所示由状态1至状态7表示的是变形轮连续跳跃三次时的运动过程。其中，由状态1至状态2，由状态3至状态4，由状态5至状态6都表示变形轮跳跃至目标高度的过程。在该过程中，变形轮的可伸缩腿部部件对应连接的腿杆向轮体边沿外运动，为变形轮的可伸缩腿部部件对应连接的腿杆施加该作用力的可以只是扭簧，也可以是扭簧与第二电机。下面以变形轮由状态1跳跃至状态2为例，具体情况如下：

若在变形轮跳跃至目标高度的过程中，第二电机仍转动，带动变形轮的控制部相对于轮体转动，此时第二电机也为可伸缩腿部部件对应连接的腿杆施加了向轮体边沿外运动的作用力。该情况下，由状态1至状态2，为变形轮的可伸缩腿部部件对应连接的腿杆施加向轮体边沿外运动的作用力的有扭簧以及电机。

若只是初始时刻电机转动以促使扭簧恢复形变，但是在变形轮跳跃至目标高度的过程中，第二电机不再带动变形轮的控制部相对于轮体转动，此时第二电机也不会为可伸缩腿部部件对应连接的腿杆施加向轮体边沿外运动的作用力。该情况下，由状态1至状态2，为变形轮的可伸缩腿部部件对应连接的腿杆施加向轮体边沿外运动的作用力的只有扭簧。

另外，由状态2至状态3，由状态4至状态5，由状态6至状态7都表示变形轮从目标高度开始下落的过程。在该过程中，变形轮的可伸缩腿部部件对应连接的腿杆向轮体边沿内运动，为变形轮的可伸缩腿部部件对应连接的腿杆施加该作用力的有扭簧以及第二电机。以变形轮由状态2至状态3为例，扭簧向变形轮的每组可伸缩腿部部件的连接端对应连接的腿杆施加了向轮体边沿外运动的作用力，第二电机向变形轮的每组可伸缩腿部部件的连接端对应连接的腿杆施加了向轮体边沿内运动的作用力，且第二电机施加的作用力大于扭簧施加的作用力，使得变形轮的可伸缩腿部部件对应连接的腿杆向轮体边沿内运动。

参阅图11A所示，其为本申请实施例中的一种整体跳跃动力学模型采用SLIP动力学模型时的示意图。将变形轮的整体质量等效为髋关节处(即轮体中心或质心)，质量等效为m，弹簧腿部原长为l₀(原长指扭簧形变量为0时的长度)，l表示为现等效弹簧长度，等效弹簧的刚度为k，模型与竖直方向夹角为θ。因此***着地时总动能为：

***的势能包括整个***的重力势能和弹性势能，因此***的总势能为：

因此由拉格朗日动力学方程得：

L＝E_k-E_p；

可得着地相(着地相表示变形轮落地)动力学方程为：

可选的，为了保证多模态变形轮稳定，还可进一步控制变形轮的跳跃，具体的，跳跃分为跳跃水平速度控制策略以及跳跃高度控制策略。

在本申请实施例中，通过控制变形轮在落地时的着地角度，改变变形轮着地点的位置，以控制变形轮的跳跃水平速度。

以SLIP模型为例，SLIP模型着地时的着地角度为变形轮腿部与地面的夹角，当变形轮以特定角度进入着地相可以使得其跳跃水平速度以及跳跃高度与期望稳定跳跃状态相同，这种情况下SLIP模型的着地点就是中性点，如图11B所示，当变形轮的着地点和中性点重合时，其运动轨迹关于中性点轴对称，此时SLIP***的着地角度与***进入腾空相的腾空角度相同，都为θ_TD，θ_TD代表中性点的着地角度。因此通过调整变形轮的着地角度就可以改变***着地点的位置以控制变形轮的水平速度。

具体的，将变形轮在连续小跳模态的跳跃运动划分为站立相、腾空相和着地相三个阶段；当着地角度小于预设角度θ_TD时，变形轮离开着地相的速度小于变形轮进入着地相的速度；或者，当着地角度大于预设角度θ_TD时，变形轮离开着地相的速度大于变形轮进入着地相的角度。

基于上述方法，即可通过调整变形轮的着地角度，来控制变形轮的水平速度，当每次着地角度都相，变形轮的水平速度即为匀速状态。

另外，通过控制第一伺服电机和第二伺服电机的力矩输出，以为变形轮提供跳跃所需补充的能量，控制变形轮的跳跃高度；其中，每次跳跃都需要通过伺服电机的力矩输出为变形轮提供所需补充的能量。

具体的，跳跃高度控制采用通过改变SLIP模型虚拟弹簧刚度补偿***能量的方式稳定变形轮的跳跃高度。假定ΔE₁为***落地时每次损耗的能量，ΔE为每次跳跃需要给***补充的能量，h_aim为跳跃目标高度，h_last为上次跳跃最大高度，因此：

ΔE＝mg(h_aim-h_last)+ΔE₁；

其中，Δl指着地时虚拟弹簧长度压缩量，k是所需虚拟弹簧刚度，对于连续跳跃，在跳跃过程中赋予弹簧刚度增量k使***保持最大跳跃高度，虚拟弹簧的力可以通过雅可比矩阵转换为电机控制力矩输出。

在连续小跳模态下，若每次都保证辨析行了的着地角度相同，且为变形轮补充同样的能力时，即可显示图10所示的连续小跳模态，即每次小跳的跳跃高度一致，且水平速度也一致。

需要说明的是，在本申请实施例中，在控制每组可伸缩腿部部件的伸缩时，可同时对第一电机和第二电机进行控制，也可对第一电机和第二电机分别进行控制。例如在每组可伸缩腿部部件伸出时，可首先控制第二电机，使每组可伸缩腿部部件的连接端向轮体边沿运动并伸出轮体边沿，进而再控制第一电机，带动轮体转动，此时为了保证轮体转动时每组可伸缩腿部部件仍处于伸出状态，还可在每组可伸缩腿部部件伸出后，同时控制第一电机和第二电机反向协同，使变形轮的可伸缩腿部部件保持伸出的同时轮体转动；再或者，一开始就同时控制第一电机和第二电机反向协同，使变形轮的可伸缩腿部部件伸出，轮体转动等。在此不做具体限定。

综上，本申请实施例中的多模态变形轮的运动模态包括但不限于上述所列举的轮式模态、越障模态、跳跃模态、连续小跳模态，基于本申请实施例中所列举的控制方案使得装载弹跳变形轮的机器人能够实现稳定的多模态运动，在不同的地形下运动时采用不同的模态控制策略，使其具有广泛的地形适应能力。通过不同运动模式的控制切换，可以让轮子适应平地，崎岖地面以及高台的运动，根据地形灵活地切换运动方式。

基于相同的发明构思，本申请实施例还提供一种多模态变形轮的控制装置。如图12所示，其为本申请实施例中的一种控制装置1200的结构示意图，可以包括：

获取单元1201，用于获取用于指示变形轮运动模态切换的控制指令，以及第一电机和第二电机当前的状态参数；

分析单元1202，用于根据控制指令以及状态参数，获得将变形轮由当前运动模态切换为目标运动模态时，用于控制第一电机转动的第一控制参数，以及用于控制第二电机转动的第二控制参数；

控制单元1203，用于根据第一控制参数控制第一电机的转动，以控制轮体的运动，以及根据第二控制参数控制第二电机的转动，以控制可伸缩腿部部件的伸缩，实现变形轮运动模态的切换控制。

可选的，目标运动模态为轮式模态时，控制单元1203具体用于：

根据第一控制参数控制第一电机转动，以使变形轮的轮体转动，根据第二控制参数控制第二电机与第一电机保持同步运动，以使变形轮的每组可伸缩腿部部件处于收缩状态，使得变形轮保持圆轮滚动。

可选的，目标运动模态为越障模态时，控制单元1203具体用于：

当变形轮与障碍物的距离在一定范围内时，根据第一控制参数控制第一电机转动，根据第二控制参数控制第二电机以相对于第一电机的第一转动方向转动，以使每组可伸缩腿部部件的连接端向轮体边沿运动并伸出轮体边沿，且至少一组可伸缩腿部部件的连接端搭接在障碍物的上表面，至少一组可伸缩腿部部件的连接端抵接地面，以支撑变形轮站立；以及

当变形轮抵接地面的可伸缩腿部部件的连接端离开地面时，根据第一控制参数控制第一电机转动，根据第二控制参数控制第二电机与第一电机保持同步运动，以使每组可伸缩腿部部件保持伸出状态，使得变形轮跨越障碍物。

可选的，在每组可伸缩腿部部件中，两条腿杆与轮体之间连接有扭簧，两条腿杆所连接的扭簧的弹性系数不同；目标运动模态为跳跃模态时，控制单元具体用于：

根据第一控制参数控制第一电机转动，根据第二控制参数控制第二电机以相对于第一电机的第一转动方向转动，以使每组可伸缩腿部部件的连接端向轮体边沿运动并伸出轮体边沿，至变形轮的至少一组可伸缩腿部部件的连接端抵接地面时，变形轮基于第一扭簧和第二扭簧释放的能量发生弹跳；

在变形轮完成弹跳后，根据第一控制参数控制第一电机转动，根据第二控制参数控制第二电机以相对于第一电机的第二转动方向转动，以使每组可伸缩腿部部件的连接端以及两条腿杆从轮体边沿外向内收回。

可选的，在每组可伸缩腿部部件中，两条腿杆与轮体之间连接有扭簧，两条腿杆所连接的扭簧的弹性系数不同；目标运动模态为连续小跳模态时，控制单元1203具体用于：

根据第一控制参数控制第一电机转动，根据第二控制参数控制第二电机以相对于第一电机的第一转动方向转动，以使每组可伸缩腿部部件的连接端向轮体边沿运动并伸出轮体边沿，至变形轮的至少一组可伸缩腿部部件的连接端抵接地面时，变形轮基于扭簧释放的能量发生弹跳；

可选的，控制单元1203还用于：

通过控制变形轮在落地时的着地角度，改变变形轮着地点的位置，以控制变形轮的跳跃水平速度。

可选的，将变形轮在连续小跳模态的跳跃运动划分为站立相、腾空相和着地相三个阶段；控制单元1203具体用于：

当着地角度小于预设角度时，变形轮离开着地相的速度小于变形轮进入着地相的速度；或者，当着地角度大于预设角度时，变形轮离开着地相的速度大于变形轮进入着地相的角度；

其中，当变形轮以预设角度进入着地相时，使得变形轮的跳跃水平速度以及跳跃高度与期望稳定跳跃状态相同，且变形轮的运动轨迹关于着地点轴对称，着地角度与变形轮进入腾空相的腾空角度相同。

为了描述的方便，以上各部分按照功能划分为各模块(或单元)分别描述。当然，在实施本申请时可以把各模块(或单元)的功能在同一个或多个软件或硬件中实现。

在介绍了本申请示例性实施方式的多模态变形轮的控制方法和装置之后，接下来，介绍根据本申请的另一示例性实施方式的电子设备。

所属技术领域的技术人员能够理解，本申请的各个方面可以实现为***、方法或程序产品。因此，本申请的各个方面可以具体实现为以下形式，即：完全的硬件实施方式、完全的软件实施方式(包括固件、微代码等)，或硬件和软件方面结合的实施方式，这里可以统称为“电路”、“模块”或“***”。

与上述方法实施例基于同一发明构思，本申请实施例中还提供了一种电子设备。在一种实施例中，该电子设备可以是服务器。服务器可以是独立的物理服务器，也可以是多个物理服务器构成的服务器集群或者分布式***，还可以是提供云服务、云数据库、云计算、云函数、云存储、网络服务、云通信、中间件服务、域名服务、安全服务、CDN(ContentDelivery Network，内容分发网络)、以及大数据和人工智能平台等基础云计算服务的云服务器。

在该实施例中，电子设备的结构可以如图13所示，包括存储器1301，通讯模块1303以及一个或多个处理器1302。

存储器1301，用于存储处理器1302执行的计算机程序。存储器1301可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作***，以及运行即时通讯功能所需的程序等；存储数据区可存储各种即时通讯信息和操作指令集等。

存储器1301可以是易失性存储器(volatile memory)，例如随机存取存储器(random-access memory，RAM)；存储器1301也可以是非易失性存储器(non-volatilememory)，例如只读存储器，快闪存储器(flash memory)，硬盘(hard disk drive，HDD)或固态硬盘(solid-state drive，SSD)；或者存储器1301是能够用于携带或存储具有指令或数据结构形式的期望的程序代码并能够由计算机存取的任何其他介质，但不限于此。存储器1301可以是上述存储器的组合。

处理器1302，可以包括一个或多个中央处理单元(central processing unit，CPU)或者为数字处理单元等等。处理器1302，用于调用存储器1301中存储的计算机程序时实现上述多模态变形轮的控制方法。

通讯模块1303用于与终端设备和其他服务器进行通信。

本申请实施例中不限定上述存储器1301、通讯模块1303和处理器1302之间的具体连接介质。本公开实施例在图13中以存储器1301和处理器1302之间通过总线1304连接，总线1304在图13中以粗线表示，其它部件之间的连接方式，仅是进行示意性说明，并不引以为限。总线1304可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图13中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。

存储器1301中存储有计算机存储介质，计算机存储介质中存储有计算机可执行指令，计算机可执行指令用于实现本申请实施例的多模态变形轮的控制方法。处理器1302用于执行上述的多模态变形轮的控制方法，如图3所示。

在一些可能的实施方式中，本申请提供的多模态变形轮的控制方法的各个方面还可以实现为一种程序产品的形式，其包括程序代码，当程序产品在计算机设备上运行时，程序代码用于使计算机设备执行本说明书上述描述的根据本申请各种示例性实施方式的多模态变形轮的控制方法中的步骤，例如，计算机设备可以执行如图3中所示的步骤。

程序产品可以采用一个或多个可读介质的任意组合。可读介质可以是可读信号介质或者可读存储介质。可读存储介质例如可以是但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的***、装置或器件，或者任意以上的组合。可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。

本申请的实施方式的程序产品可以采用便携式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)并包括程序代码，并可以在计算装置上运行。然而，本申请的程序产品不限于此，在本文件中，可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被命令执行***、装置或者器件使用或者与其结合使用。

可读信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了可读程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。可读信号介质还可以是可读存储介质以外的任何可读介质，该可读介质可以发送、传播或者传输用于由命令执行***、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。

可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于无线、有线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令关联的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：移动存储设备、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

或者，本申请实施例上述集成的单元如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本申请实施例各个实施例方法的全部或部分。而前述的存储介质包括：移动存储设备、ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种多模态变形轮，其特征在于，所述变形轮包括：

所述第二电机驱动所述控制部相对于所述轮体以第一转动方向转动时，带动每组可伸缩腿部部件的两条腿杆转动，以使每组可伸缩腿部部件的连接端向所述轮体边沿运动并伸出所述轮体边沿，所述第二电机驱动所述控制部相对于所述轮体以第二转动方向转动时，每组可伸缩腿部部件的连接端以及两条腿杆从所述轮体边沿外收回至所述轮体边沿以内，所述第一转动方向和所述第二转动方向相反，其中，在每组可伸缩腿部部件中，两条腿杆与所述轮体之间连接有扭簧，两条腿杆所连接的扭簧的弹性系数不同；各条腿杆所连接的扭簧，用于向对应连接的腿杆施加向所述轮体边沿外的作用力。

2.如权利要求1所述的变形轮，其特征在于，每组可伸缩腿部部件中的两条腿杆都为弧形，且每组可伸缩腿部部件中的两条腿杆的弧线的开口朝向相同。

3.如权利要求1-2任一项所述的变形轮，其特征在于，所述轮体和所述控制部的转动轴心重合，每组可伸缩腿部部件的连接端均匀分布在以所述转动轴心为圆心的圆形上。

4.如权利要求3所述的变形轮，其特征在于，可伸缩腿部部件包括两组，所述控制部为控制杆，所述控制杆的两端分别转动连接一组可伸缩腿部部件中第一腿杆的第二端。

5.一种机器人，包括至少一个腿部，其特征在于，每个腿部装配有权利要求1～4任一所述的变形轮。

6.一种多模态变形轮的控制方法，其特征在于，应用于权利要求1～4中任一项所述的变形轮，该方法包括：

根据第一控制参数控制所述第一电机的转动，以控制所述轮体的运动，以及根据第二控制参数控制所述第二电机的转动，以控制所述可伸缩腿部部件的伸缩，实现所述变形轮运动模态的切换控制，其中，在每组可伸缩腿部部件中，两条腿杆与所述轮体之间连接有扭簧，两条腿杆所连接的扭簧的弹性系数不同；各条腿杆所连接的扭簧，用于向对应连接的腿杆施加向所述轮体边沿外的作用力。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述目标运动模态为轮式模态时，所述根据第一控制参数控制所述第一电机的转动，以控制所述轮体的运动，以及根据第二控制参数控制所述第二电机的转动，以控制所述可伸缩腿部部件的伸缩，具体包括：

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述目标运动模态为越障模态时，所述根据第一控制参数控制所述第一电机的转动，以控制所述轮体的运动，以及根据第二控制参数控制所述第二电机的转动，以控制所述可伸缩腿部部件的伸缩，具体包括：

当所述变形轮与障碍物的距离在一定范围内时，根据所述第一控制参数控制所述第一电机转动，根据所述第二控制参数控制所述第二电机以相对于所述第一电机的第一转动方向转动，以使每组可伸缩腿部部件的连接端向所述轮体边沿运动并伸出所述轮体边沿，且至少一组可伸缩腿部部件的连接端搭接在所述障碍物的上表面，至少一组可伸缩腿部部件的连接端抵接地面，以支撑所述变形轮站立；以及

9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述目标运动模态为跳跃模态时，所述根据第一控制参数控制所述第一电机的转动，以控制所述轮体的运动，以及根据第二控制参数控制所述第二电机的转动，以控制所述可伸缩腿部部件的伸缩，具体包括：

10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在每组可伸缩腿部部件中，两条腿杆与所述轮体之间连接有扭簧，两条腿杆所连接的扭簧的弹性系数不同；所述目标运动模态为连续小跳模态时，所述根据第一控制参数控制所述第一电机的转动，以控制所述轮体的运动，以及根据第二控制参数控制所述第二电机的转动，以控制所述可伸缩腿部部件的伸缩，具体包括：

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

12.一种多模态变形轮的控制装置，其特征在于，包括：

获取单元，用于获取用于指示所述变形轮运动模态切换的控制指令，以及第一电机和第二电机当前的状态参数；

控制单元，用于根据第一控制参数控制所述第一电机的转动，以控制轮体的运动，以及根据第二控制参数控制所述第二电机的转动，以控制可伸缩腿部部件的伸缩，实现所述变形轮运动模态的切换控制，其中，在每组可伸缩腿部部件中，两条腿杆与所述轮体之间连接有扭簧，两条腿杆所连接的扭簧的弹性系数不同；各条腿杆所连接的扭簧，用于向对应连接的腿杆施加向所述轮体边沿外的作用力。

13.一种电子设备，其特征在于，其包括处理器和存储器，其中，所述存储器存储有程序代码，当所述程序代码被所述处理器执行时，使得所述处理器执行权利要求6～11中任一所述方法的步骤。

14.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其包括程序代码，当所述程序代码在电子设备上运行时，所述程序代码用于使所述电子设备执行权利要求6～11中任一所述方法的步骤。