一种轮足式机器人的柔顺控制方法技术

本发明专利技术公开了一种轮足式机器人的柔顺控制方法，包括：外环控制，为机器人本体位姿控制，控制目标是使机器人本体的位姿准确跟踪期望的位姿轨迹；中环控制，为足端接触力控制，控制目标是使机器人本体的位姿准确跟踪期望的位姿轨迹；内环控制，为主动关节驱动力矩控制，控制目标是实现支撑腿足端接触力跟踪外环计算得到的期望力；通过上述三个控制，在准确控制机器人本体位姿的同时，对支撑腿足端接触力进行控制。本发明专利技术具有原理简单、控制精度高、能够提高机器人适应能力等优点。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了，包括：外环控制，为机器人本体位姿控制，控制目标是使机器人本体的位姿准确跟踪期望的位姿轨迹；中环控制，为足端接触力控制，控制目标是使机器人本体的位姿准确跟踪期望的位姿轨迹；内环控制，为主动关节驱动力矩控制，控制目标是实现支撑腿足端接触力跟踪外环计算得到的期望力；通过上述三个控制，在准确控制机器人本体位姿的同时，对支撑腿足端接触力进行控制。本专利技术具有原理简单、控制精度高、能够提高机器人适应能力等优点。【专利说明】
本专利技术主要涉及到机器人的控制
，特指一种适用于轮足式机器人的柔顺 控制方法。
技术介绍
轮式机器人是以轮式机构为支撑和驱动的移动机器人，其主要优点是速度快、能 耗低，缺点是越障能力、非结构化地形适应能力差、转弯半径大。足式机器人以步行、奔跑和 跳跃为移动方式，其主要优点是重量轻、转弯半径小和地形适应性强，缺点是相对于轮式机 器人速度较慢，结构复杂。轮足式机器人综合了轮式机器人和足式机器人的构型优点，既继 承了足式机器人对非结构化地形的适应能力又避免了其结构复杂的缺点。 轮足式机器人一般分为三种：1、轮式机构和足式机构在安装方式上相互独立，轮 式机构带有驱动装置，即轮子为主动轮；2、轮式机构和足式机构在安装方式上相互独立，轮 式机构不带有驱动装置，即轮子为从动轮，机器人依靠腿部的主动关节运动；3、轮式机构安 装在腿部或者足端。 现有对于轮足式机器人的行走控制，基本的方法是通过计算腿部各个主动关节的 驱动力矩来实现对机器人本体位置和姿态的控制。轮足式机器人在非结构化地形中的稳定 行走，要求腿部对环境有柔顺适应性。目前，机器人控制中普遍采用以下方法： 1、被动柔顺；即借助柔性机构或者柔性关节（例如弹簧）使机器人对环境作用力 产生自然顺从，但是被动柔顺方法能够提供的机器人对非结构化环境的适应能力有限，而 且容易使机器人足端在行走过程中产生滑动。 2、腿部关节期望运动轨迹的在线修正；利用接触开关检测信息判断足端与地面的 接触状态，根据接触状态对支撑腿部关节的期望位置轨迹进行在线修正。这种方法能够为 机器人提供一定的柔顺性，但是由于落足瞬间地面与足端为刚性接触，所以会产生较大的 冲击力，容易影响机器人本体的稳定性。 3、足端接触力控制；通过力传感器反馈足端在摆动期和支撑期转换阶段与地面的 接触力信息，设计足端接触力控制算法，实现机器人足端接触地面的柔顺性。足端接触力控 制策略可以实现机器人足端与地面的柔顺接触，但是会导致控制目标向量维数扩大，影响 机器人本体位姿的可控性。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本专利技术提供一 种原理简单、控制精度高、能够提高机器人适应能力的轮足式机器人的柔顺控制方法。 为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案： ，包括： 外环控制，为机器人本体位姿控制，控制目标是使机器人本体的位姿准确跟踪期 望的位姿轨迹； 中环控制，为足端接触力控制，控制目标是使机器人本体的位姿准确跟踪期望的 位姿轨迹； 内环控制，为主动关节驱动力矩控制，控制目标是实现支撑腿足端接触力跟踪外 环计算得到的期望力； 通过上述三个控制，在准确控制机器人本体位姿的同时，对支撑腿足端接触力进 行控制。 作为本专利技术的进一步改进：所述外环控制中，首先建立基于牛顿-欧拉方程的包 含非完整约束条件的机器人本体动力学模型，将通过惯性传感器得到的机器人本体位姿数 据作为反馈量，与期望位姿轨迹比较；然后，基于动力学模型设计PID控制器，计算控制量， 即支撑腿足端期望接触力；最后，对接触面切向力进行限幅，使之满足摩擦锥约束。 作为本专利技术的进一步改进：所述基于牛顿-欧拉方程的机器人本体动力学模型方 程如下： Μχ β Fey ⑴ y = R+L〇sin β (2) y = 0 (3) xsina + zcosa = 0 (4) 其中，Mi为惯性矩阵，A为力臂矩阵，x，y，z为机器人本体位置，x轴方向为机器人 本体前进方向，y轴方向与重力方向相反，z轴方向由右手法则确定；F ex，Fey，Fez为支撑腿足 端接触力，R为后轮半径，U为机器人本体质心与轮轴之间的距离，α，β，γ分别为机器人 本体的方位角、俯仰角和滚动角；公式（1)表示机器人本体的动力学方程，公式（2)和公式 (3)表示完整约束条件，公式（4)表示非完整约束条件。 作为本专利技术的进一步改进：所述外环控制采用PID控制器作为外环控制器，具体 形式如下： 「1 Kpx (?-x) + Kdx (xd-x) + kix^(xJ-x)dr Feyd = A lMl Κρβ {β?~β) + Κ?β {^β? -β) + kip^{β?-β)?τ L Κρα (atl -a) + Kda (?, -?) + Μα ￡ (a, -a)dT 其中，F' exd，F' eyd，F' ezd为期望的足端接触力，xd为期望的χ方向位置，β d为期望 的俯仰角，a d为期望的方位角；加入摩擦锥约束条件：F' exd〈 μ F' eyd、F' ezd〈 μ F' eyd，μ为摩 擦系数，控制器变为： Feyd = F' eyd π \ F\,d F - -順，-順- exd _ I p' f > p' p' -〇 SjuF L exd_max exd - exd_max exd_max * eyd 「?r-, _ I ^ ezd F e=d < F m-輝，!7e:d max=Q^pF ey(i ezd ~\Ρ' F > F F = 〇 %uF L ezd_maK ezd - ezd msy.9 ezd υω?χ 通过调节参数Kpx、Kdx、kix、Kp e、Kde、kie、Κρα、Kda、ki a，保证在控制本体位姿的 同时，避免机器人在行走和转弯的过程中出现支撑腿足端滑动的现象。 作为本专利技术的进一步改进：所述中环控制中，首先基于支撑腿和摆动腿解耦控制 的思想建立支撑腿的运动学模型和基于拉格朗日方程的动力学模型，通过足端力传感器反 馈足端接触力信息，计算支撑腿的各个主动关节的输出力矩；中环控制采用基于ro算法的 力/位混合控制器。 作为本专利技术的进一步改进：所述支撑腿的运动学模型如下： 在支撑腿髋部建立坐标系，各坐标轴方向与机器人本体坐标系方向相同，在髋部 坐标系下，足端点的坐标为： xe = LjCOS ( θ θ 2~*~ ^ 3_ ) +L3C0S ( θ 3_ ) -L2C0S ( θ 2_ ? 3~*~ ) ye = -cos θ 4 (Ljsin ( θ θ 2+θ 3-β )+L3sin ( θ 3-β )+L2sin ( θ 2-θ 3+β )) (5) ze = -sin θ 4 (I^sin ( θ 厂 θ 2+ θ 3- β ) +L3sin ( θ 3- β ) +L2sin ( θ 2- θ 3+ β )) 其中，（xe，ye，ze)为足端点坐标，Lp L2, L3分别为脚掌、小腿、大腿的长度， θ2, θ3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种轮足式机器人的柔顺控制方法，其特征在于，包括：外环控制，为机器人本体位姿控制，控制目标是使机器人本体的位姿准确跟踪期望的位姿轨迹；中环控制，为足端接触力控制，控制目标是使机器人本体的位姿准确跟踪期望的位姿轨迹；内环控制，为主动关节驱动力矩控制，控制目标是实现支撑腿足端接触力跟踪外环计算得到的期望力；通过上述三个控制，在准确控制机器人本体位姿的同时，对支撑腿足端接触力进行控制。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王剑，马宏绪，郎琳，韦庆，王建文，陈阳祯，安宏雷，侯文琦，朱开盈，饶锦辉，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43