CN112859593B - 一种轮腿式机器人机身姿态及足端受力协同控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轮腿式机器人机身姿态及足端受力协同控制方法，属于机器人运动驱动与控制技术领域。本发明，通过设计姿态调整模型、重心高度调整模型，将姿态控制器和重心高度控制器置于控制外环，力控制器置于内环，使得足端力控制、姿态控制和高度控制统一为力跟踪控制，实现机器人通过复杂路面时机身保持水平、足端接触力维持在一定范围内、重心高度随地形变化自适应调整的控制目标。本方法极大地降低了三种控制器的耦合影响，有效地抑制了外界地形扰动，最终达到了机器人机身运动平稳性的效果，为机器人搭载设备实际应用于无人特种作战、抗灾救援、野外勘探、星表探测等领域提供了可能。

Description

一种轮腿式机器人机身姿态及足端受力协同控制方法

技术领域

本发明涉及一种轮腿式机器人机身姿态及足端受力协同控制方法，属于机器人运动驱动与控制技术领域。

背景技术

轮腿式机器人，兼具轮式机器人和腿式机器人的运动优势，具有运动形式多样、移动速度快、运动效率高、越障性能好等特点，可用于无人特种作战、抗灾救援、野外勘探、星表探测等领域。

在机器人轮式运动时，经常遇到崎岖不平的路况，机器人行走在这些不平的路面时，机身随着地形的起伏产生倾斜，引发一系列问题。首先，机器人随地面起伏而晃动剧烈，极大地影响了运动稳定性。其次，机器人重心偏移，可能引起机体侧翻。此外，机器人部分悬空轮无法提供驱动力，削弱了机器人的爬坡能力。

机器人的姿态、足端接触力、重心高，都将影响其行进的稳定性。对姿态、足端接触力控制，是保障轮腿机器人稳定行进的前提，可以避免机体不确定的振动，足端悬空、滑移及驱动力不足等问题。因此，轮腿式机器人机身姿态及足端受力协同控制，是实现轮腿机器人在不规则地形稳定行进的必要前提。

现有技术中，轮腿机器人机身平稳的控制策略主要是改变每条腿的长度，使机器人运动在崎岖路面时保持机身水平。在调整各个腿伸长量的过程中，通过设计足端力控制器、重心高度控制器、机身姿态补偿控制器，来计算每条腿的长度修正量。但是，这三种控制器的控制量简单相加，并不是所需的最优控制结果，因为这几种输出的控制量相互耦合甚至矛盾，容易使轮腿机器人陷入失稳、剧烈振荡、失控等状态。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，为了解决轮腿式机器人机身平稳控制过程中面临的足端力控制器、重心高度控制器、机身姿态补偿控制器三种控制器控制过程中存在的耦合问题，提出一种轮腿式机器人机身姿态及足端受力协同控制方法。

本发明的创新点在于：将姿态控制器和重心高度控制器置于控制外环，力控制器置于内环，使得足端力控制、姿态控制和高度控制统一为力跟踪控制，实现机器人通过复杂路面时机身保持水平、足端接触力维持在一定范围内、重心高度随地形变化自适应调整的控制目标。

一种轮腿式机器人机身姿态及足端受力协同控制方法，包括以下步骤：

步骤1：设计机身姿态控制器。

姿态调整模型根据姿态传感器的测量值计算出每条腿的长度调整量Δl_i，其计算方法如下：

其中，φ、θ、

表示姿态传感器采集的机身姿态角度，(x_Bi,y_Bi,0)是单腿基座在机身坐标系中的坐标，i表示机器人腿的编号。

步骤2：设计重心高度控制器。

重心高度调整模型根据每条腿的实际伸出长度，规划出各腿的伸缩量ΔL_i，使所有腿均具有足够的工作空间。

以各腿的伸出长度作为重心高度调整模型输入，设最短腿长为Len，P_L与P_H分别表示机器人工作状态下腿伸长量的最低和最高阈值。当Len<P_L时，说明某腿的工作空间不足，将各腿的位置调整量为：

ΔL_i＝P_L-Len (2)

相反，当Len＞P_H时，说明机器人所有腿的工作空间均能适应当前地形，需降低重心高度，ΔL_i为：

ΔL_i＝P_H-Len (3)

步骤3：计算力跟踪偏差。

将姿态控制器和重心高度控制器置于控制外环，足端力控制器置于内环，使得足端力控制、姿态控制和高度控，制统一为力跟踪控制。

将足端期望受力F_i ^r与足端沿竖直方向的实际受力F_i ^Z相减，得到初始力跟踪偏差F_i ^e。将步骤1计算出的Δl_i乘以系数K₁转换成驱动力ΔF_i ^P，将步骤2计算出的ΔL_i乘以系数K₂转换为驱动力ΔF_i ^H。然后，将初始力跟踪偏差F_i ^e与ΔF_i ^P、ΔF_i ^H相加，得到足端真正的力偏差F_i ^E。

其中，K₁的物理意义为：设各腿在Δt₁时间内沿竖直方向做初始速度为零的匀加速运动，加速度为a₁，位移量为-Δl_i，机体分担到单腿上的质量为m，则该过程所需的驱动力ΔF_i ^P为：

即

K₂的物理意义为：设各腿在Δt₂时间内沿竖直方向做初始速度为零的匀加速运动，加速度为a₂，位移量为ΔL_i，机体分担到单腿上的质量为m，则该过程所需的驱动力为：

即

步骤4：将步骤3计算出的F_i ^E作为足端力控制器的输入，足端力控制器的输出为腿的长度调整量，将此长度调整量输入给各腿的执行机构。由此通过调整各腿的长度达到调整机器人姿态、重心高度及足端受力的效果。

此处，足端力控制器可以任意设计为满足需求的控制器。

有益效果

本发明方法，对比现有技术，具有以下优点：

本发明利用串级控制的思想，将机器人的姿态控制和重心高度控制转化为足端力跟踪控制，极大地降低了三种控制器的耦合影响，有效地抑制了外界地形扰动，最终达到了机器人机身运动平稳性的效果，为机器人搭载设备实际应用于无人特种作战、抗灾救援、野外勘探、星表探测等领域提供了可能。

此外，本文所设计的方法在实际工程上简单易行，不仅提高了轮腿式机器人对复杂环境的适应性，也可用于具有主动悬架的车辆的平稳性控制。

附图说明

图1为机身姿态及足端受力协同控制框架；

图2为轮腿机器人简化运动学模型；

图3为机器人单腿阻抗模型及环境接触模型；

图4为足端力跟踪控制框图；

图5为重心高度调整模型。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明方法做进一步详细说明。

实施例

以6轮腿机器人为例，建立如图1所示的控制框架，i＝1,2,…,6表示腿的编号。

建立如图2所示的坐标系，按逆时针方向依次为机器人6条腿编号，机器人的连坐标系为Σ，其基坐标系为Σ′。初始时，机器人机身保持水平，连体坐标系与基坐标系重合，其坐标原点位于机身中心，x轴与线段O_B1O_B2垂直，y轴与线段O_B3O_B6平行，z轴垂直于机身平面向上。点O_Bi(i＝1,...,6)表示6条腿在机身的铰接中心，同时也是各腿的基坐标系原点。

单腿只有沿竖直方向一个自由度。机器人受障碍物影响时，设O_Bi(i＝1,...,6)分别绕基坐标系x、y、z轴旋转的角度为φ、θ、

旋转正方向为右手螺旋方向。设O_Bi在连体坐标系中的坐标矢量为O_Bi，在基坐标系中的坐标矢量为O′_Bi，则：

其中，T(φ)、T(θ)、

分别为：

设O_Bi在连体坐标系中的坐标表示为(x_Bi,y_Bi,0)，它由机器人的结构参数决定。设O′_Bi在基坐标系中沿竖直方向的坐标值为Δl_i，其值为：

若机器人的6条腿沿竖直方向伸缩的位移量为-Δl_i，即可将机身姿态调至水平。这种方式只需要控制腿的一个自由度，在实际应用中较为方便。

设第i(1,...,6)号腿在Δt₁时间内沿竖直方向做初始速度为零的匀加速运动，加速度为a₁，位移量为-Δl_i，机体分担到单腿上的质量为m，则该过程所需的驱动力为：

在实际控制过程中，如图1所示，驱动力ΔF_i ^P与初始力跟踪偏差F_i ^e相加，使得姿态控制器的控制量转换为足端力跟踪偏差。

本实施例，采用导纳控制算法实现六轮腿机器人的足端力跟踪控制。如图3所示，将足端与环境的接触力模型简化为弹簧阻尼模型，B^e与K^e分别表示环境阻尼和环境刚度。将机器人单腿简化为质量-阻尼-刚度二阶阻抗模型，为使接触力保持在一定范围内，以力偏差F_e作为二阶阻抗模型的输入，即：

其中，M、B、K分别为质量系数，阻尼系数，及刚度系数；X、

分别表示机器人足端的位置，速度，加速度；X_r、

分别代表足端期望位置、期望速度以及期望加速度；

设ΔX＝X-X_r，对上式进行拉氏变换得：

机器人单腿的力跟踪控制框如图4所示，F_c表示足端实际受力，F_r表示期望力。力偏差F_e＝F_r-F_c，F_e经阻抗模型后转化为位置修正量ΔX，X_r与ΔX相加得到腿的实际期望位置X_d，从而驱动单腿运动实现力跟踪控制。

重心高度调整模型如图4所示。模型的输入为各腿的伸出长度，设最短腿长为Len，P_L与P_H分别表示机器人工作状态下腿伸长量的最低和最高阈值。当Len<P_L时，说明某条腿的工作空间不足，单腿的位置调整量为：

ΔL_i＝P_L-Len (8)

因ΔL_i>0，机器人所有腿同时伸出，从而在不干扰机身姿态的前提下提升腿的工作空间。相反，当Len＞P_H时，说明机器人所有腿的工作空间均能适应当前地形，适当降低重心高度，ΔL_i为：

ΔL_i＝P_H-Len (9)

因ΔL_i<0，各腿同时缩回，使机身重心保持在较低的高度，提高机器人的稳定性。重心高度控制器不仅能保证力控制器和姿态控制器正常运行，还能使机器人适应更复杂的地形。

设第i(1,...,6)号腿在Δt₂时间内沿竖直方向做初始速度为零的匀加速运动，加速度为a₂，位移量为ΔL_i，机体分担到单腿上的质量为m，则该过程所需的驱动力为：

其中，

在实际控制过程中，如图1所示，驱动力ΔF_i ^H与初始力跟踪偏差F_i ^e相加，使得重心高度控制器的控制量转换为足端力跟踪偏差。

图1中，足端期望受力F_i ^r与足端沿竖直方向的实际受力F_i ^Z相减，得到初始力跟踪偏差F_i ^e。初始力跟踪偏差F_i ^e与ΔF_i ^P、ΔF_i ^H相加，得到足端真正的力偏差F_i ^E，F_i ^E作为力控制器的输入，控制器的输出为腿的长度调整量，将此长度调整量输入给各腿的执行机构。由此通过调整各腿的长度达到调整机器人姿态、重心高度及足端受力的效果。

综上所述，以上仅为本发明的一个实施例，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种轮腿式机器人机身姿态及足端受力协同控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：设计机身姿态控制器；

姿态调整模型根据姿态传感器的测量值，计算出每条腿的长度调整量Δl_i，其计算方法如下：

其中，φ、θ、

表示姿态传感器采集的机身姿态角度，(x_Bi,y_Bi,0)是单腿基座在机身坐标系中的坐标，i表示机器人腿的编号；

步骤2：设计重心高度控制器；

重心高度调整模型根据每条腿的实际伸出长度，规划出各腿的伸缩量ΔL_i，使所有腿均具有足够的工作空间；

以各腿的伸出长度作为重心高度调整模型输入，设最短腿长为Len，P_L与P_H分别表示机器人工作状态下腿伸长量的最低和最高阈值；当Len<P_L时，说明某腿的工作空间不足，将各腿的位置调整量为：

ΔL_i＝P_L-Len (2)

相反，当Len＞P_H时，说明机器人所有腿的工作空间均能适应当前地形，需降低重心高度，ΔL_i为：

ΔL_i＝P_H-Len (3)

步骤3：计算力跟踪偏差；

将姿态控制器和重心高度控制器置于控制外环，足端力控制器置于内环，使得足端力控制、姿态控制和高度控制，统一为力跟踪控制；

将足端期望受力F_i ^r与足端沿竖直方向的实际受力F_i ^Z相减，得到初始力跟踪偏差F_i ^e；将步骤1计算出的Δl_i乘以系数K₁转换成驱动力ΔF_i ^P，将步骤2计算出的ΔL_i乘以系数K₂转换为驱动力ΔF_i ^H；然后，将初始力跟踪偏差F_i ^e与ΔF_i ^P、ΔF_i ^H相加，得到足端真正的力偏差F_i ^E；

其中，K₁的物理意义为：设各腿在Δt₁时间内沿竖直方向做初始速度为零的匀加速运动，加速度为a₁，位移量为-Δl_i，机体分担到单腿上的质量为m，则该过程所需的驱动力ΔF_i ^P为：

K₂的物理意义为：设各腿在Δt₂时间内沿竖直方向做初始速度为零的匀加速运动，加速度为a₂，位移量为ΔL_i，机体分担到单腿上的质量为m，则该过程所需的驱动力为：

步骤4：将步骤3计算出的F_i ^E作为足端力控制器的输入，足端力控制器的输出为腿的长度调整量，将此长度调整量输入给各腿的执行机构；由此通过调整各腿的长度达到调整机器人姿态、重心高度及足端受力的效果；

此处，足端力控制器能够任意设计为满足需求的控制器。

2.如权利要求1所述的一种轮腿式机器人机身姿态及足端受力协同控制方法，其特征在于，计算出每条腿的长度调整量时，建立坐标系，其中，机器人的连坐标系为Σ，其基坐标系为Σ′；

初始时，机器人机身保持水平，连体坐标系与基坐标系重合，其坐标原点位于机身中心，x轴与线段O_B1O_B2垂直，y轴与线段O_B3O_B6平行，z轴垂直于机身平面向上；点O_Bi(i＝1,...,6)表示各腿在机身的铰接中心，同时也是各腿的基坐标系原点；i＝1,2,…,6表示腿的编号；

单腿只有沿竖直方向一个自由度，机器人受障碍物影响时，设O_Bi(i＝1,...,6)分别绕基坐标系x、y、z轴旋转的角度为φ、θ、

旋转正方向为右手螺旋方向；设O_Bi在连体坐标系中的坐标矢量为O_Bi，在基坐标系中的坐标矢量为O′_Bi，则：

其中，T(φ)、T(θ)、

分别为：

设O_Bi在连体坐标系中的坐标表示为(x_Bi,y_Bi,0)，由机器人的结构参数决定；

设O′_Bi在基坐标系中沿竖直方向的坐标值为Δl_i，代表每条腿的长度调整量。

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