一种可协同调控多足机器人的单腿操作和机体平移的遥操作系统及控制方法技术方案

一种可协同调控多足机器人的单腿操作和机体平移的遥操作系统及控制方法，涉及多足机器人在面对障碍环境时，一种可维持机体稳定裕度且最大限度提升机器人环境交互能力的遥操作方式。本发明专利技术所述多足机器人的遥操作系统提出了可协同控制单腿操作和机体平移的遥操作方案，建立耦合作用下的整机运动学模型及可操作腿的动力学模型，设计机体层和单腿层的遥操作子系统，采用多自由度耦合的绝对稳定性准则对机体层控制律参数进行求解，基于非线性力观测器以及自适应鲁棒控制器对单腿层控制架构进行改进。所提出控制方法能够保证多足机器人在障碍环境下产生稳定的遥操作系统，满足跟踪精度的同时兼具良好的力透明度。本发明专利技术适用于多足机器人的遥操作领域。

【技术实现步骤摘要】
一种可协同调控多足机器人的单腿操作和机体平移的遥操作系统及控制方法
本专利技术属于足式机器人遥操作
，具体涉及一种针对障碍环境下提升多足机器人遥操作系统可控性及适应性的新方法。
技术介绍
多足机器人因其自身多自由度冗余的构型特点，在应用于非结构环境中时，依靠摆动腿与支撑腿相继切换的行走方式以及多足支撑下的高稳定裕度，使其较其他类型机器人具有更强的环境适应性以及任务可操作性。然而，在复杂多变的工作场景下，由于多足机器人在行走过程中可能遇到局部地形突变、失稳动作恢复以及目标物体交互等实际情况，此时需要制定具有针对性的遥操作策略，以此来保证多足机器人遥操作系统可具备良好的可控性以及环境适应性。由此，可将障碍环境的工况条件作为背景，设计多足机器人多目标多维度的遥操作系统。针对上述问题，以保证机体稳定裕度的前提下最大化提升多足机器人的可操作能力为目标，设计可协同调控多足机器人的单腿操作和机体平移的遥操作方案。其中主要解决了机体平移过程中多自由度耦合作用对于系统稳定跟踪的影响以及单腿操作时未知的模型参数、多变的接触状态和不可测量的操作力对系统跟踪精度及力透明度的影响。所设计多足机器人遥操作系统采用多主单从的遥操作模式，并将整个遥操作系统分解成两个子系统：机体层和单腿层，分别提出了两套控制架构及算法：机体层采取基于位置跟踪的控制架构，单腿层则采用了融合非线性力估计算法以及自适应鲁棒控制策略的4通道控制架构。另外，基于多自由度耦合系统的绝对稳定性准则对机体层遥操作子系统的控制律参数进行合理化设计，并运用李雅普诺夫函数确定单腿层控制器参数的自适应律。
技术实现思路
本专利技术是为了解决当多足机器人处于障碍环境（局部环境存在塌陷、障碍以及目标物体）时，常规多足机器人遥操作系统所存在的可控性及环境适应性不足的问题，为充分发挥多足机器人的运动潜力，克服复杂多变的环境约束对于多足机器人工作能力的影响，现提出一种可协同调控多足机器人的单腿操作和机体平移的遥操作系统及控制方法。针对可协同调控多足机器人的单腿操作和机体平移的遥操作系统及控制方法，主要分为四部分：障碍环境下多足机器人遥操作方案的制定；障碍环境下多足机器人遥操作系统的建立；多足机器人机体层遥操作子系统建模，控制架构以及控制算法的设计；多足机器人单腿层遥操作子系统建模，控制架构以及控制算法的设计。所述的一种可协同调控多足机器人的单腿操作和机体平移的遥操作系统及控制方法，具体包括以下步骤：步骤1：根据多足机器人自身多自由度冗余的结构特点以及障碍环境下非结构接触条件的制约，为提升多足机器人遥操作系统的可控性以及适应性，设计基于机体平移与单腿操作协同调控的遥操作方案；步骤2：根据步骤1所制定的遥操作方案，将多足机器人与环境交互过程中的从端系统看作是一个具有移动基座的可操作机械臂，以此构建障碍环境下多足机器遥操作系统的组成部分，具体包括：机体层遥操作子系统和单腿层遥操作子系统；步骤3：根据步骤2所构建的遥操作系统，确定机体层遥操作子系统的控制架构，建立机体层遥操作子系统主从端的模型，在此基础上设计机体层遥操作子系统的控制算法，并通过多自由度耦合系统的绝对稳定性准则对控制律参数进行求解；步骤4：根据步骤2所构建的遥操作系统，确定单腿层遥操作子系统的控制架构，建立单腿层遥操作子系统主从端的模型，在此基础上设计单腿层遥操作子系统的控制算法，并利用李雅普诺夫函数对控制律进行设计。本专利技术有以下有益效果：所述的一种可协同调控多足机器人的单腿操作和机体平移的遥操作系统及控制方法，一方面，通过设计单腿操作与机体平移协同调控的遥操作方案，将从端机器人的机体平移量与机体层主端机器人的位置指令进行跟踪匹配，同时将从端机器人可操作腿末端的位移量与单腿层主端机器人的位置指令进行跟踪映射，实现了在维持机体稳定裕度的同时最大程度的提升多足机器人的工作空间以及工作能力；另一方面基于位置跟踪模式设计多足机器人机体层遥操作子系统的双边控制架构，保证了存在多自由度耦合效应的机体稳定跟踪，同时基于力-位混合控制模式设计多足机器人单腿层遥操作子系统的双边控制模式，保证了系统具有较高的位置跟踪精度，且兼具较好的力透明度。附图说明图1为多足机器人遥操作系统组成示意图；图2为多足机器人遥操作控制流程示意图；图3为机体层主端机器人的结构示意图；图4为从端机器人的本体结构示意图；图5为单腿层主端机器人的结构示意图；图6为从端机器人的单腿操作示意图；图7为机体层遥操作子系统的控制架构示意图；图8为单腿层遥操作子系统的控制架构示意图。图9为协同调控多足机器人单腿操作和机体平移的遥操作架构示意图。具体实施方式具体实施方式1：本实施方式所述的一种可协同调控多足机器人的单腿操作和机体平移的遥操作系统，首先需要确定系统的遥操作方案，障碍环境下多足机器人的遥操作方案包括：设计遥操作系统的整体控制流程、映射方式以及力反馈模式，所述的遥操作系统的整体控制流程基于不同的工作场景和任务需求进行设计；所述系统的遥操作模式采用多主单从的控制方式，其中一个主端机器人负责控制从端机器人的机体平移量，另一个主端机器人负责控制从端机器人可操作腿末端的位移量，在此模式下遥操作系统可实现多足机器人的单腿操作和机体平移的协同调控。具体实施方式2：本实施方式所述的一种可协同调控多足机器人的单腿操作和机体平移的遥操作系统，将多足机器人的遥操作系统分成两部分：机体层遥操作子系统和单腿层遥操作子系统；参照附图1所示多足机器人遥操作系统的组成，具体包括操作端1和环境端2，机体层主端机器人3，机体层主端控制器4，机体层从端控制器5，从端机器人的机体6，单腿层主端机器人7，单腿层主端控制器8，单腿层从端控制器9，从端机器人的可操作腿10和通信端口11。具体实施方式3：本实施方式是针对具体实施方式1所述的一种可协同调控多足机器人的单腿操作和机体平移的遥操作系统的整体控制流程作进一步说明，本实施方案中，参照附图2所示多足机器人遥操作系统的整体控制流程，可按三种工作场景对所提出的控制流程进行描述：场景14：当从端机器人12的工作空间内出现局部可逾越障碍时，此时操作者可通过单腿层主端机器人对从端机器人的可操作腿进行人工干预，控制其按照操作者的意图与目标障碍13进行交互；场景15：当从端机器人的可操作腿在目标障碍13的表面踏实后，由于该腿已经远离了自主规划的目标落足点，此时从端机器人12需要在原定的运动方向上维持机体的稳定裕度，因此操作者可通过控制机体层主端机器人对从端机器人的机体平移量进行调控。场景16：此时从端机器人的机体以及可操作腿都已满足对目标障碍13的跨越条件，操作者可以再次调控单腿层主端机器人，从而完成单腿跨越局部障碍物，并寻找新的落足位置。具体实施方式4：本实施方式是针对具体实施方式1所述的一种可协同调控多足机器人的单腿操作和机体平移的遥操作系统映射方式作进一步说明，本实施方案中，参照附图3所示机体层主端机器人的结构，其中机体层主端机器人的手柄17在其工作空间内具有3个自由度，分别为在手柄的工作空间内沿X轴方向的位置指令18，在手柄工作空间内沿Y轴方向的位置指令19，在手柄的工作空间内沿Z轴方向的位置指令20；参照附图4所示从端机器人本体结构模型，其中从端机器人为电驱动六本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可协同调控多足机器人的单腿操作和机体平移的遥操作系统，其特征在于：所述的多足机器人的遥操作系统包括：机体层遥操作子系统、单腿层遥操作子系统、底层控制器和通信端口；所述的机体层遥操作子系统包括：机体层主端系统和机体层从端系统；所述的机体层主端系统包括：机体层主端机器人和机体层主端控制器；所述的机体层从端系统包括：从端机器人的机体和机体层从端控制器；所述的单腿层遥操作子系统包括：单腿层主端系统和单腿层从端系统；所述的单腿层主端系统包括：单腿层主端机器人和单腿层主端控制器；所述的单腿层从端系统包括：从端机器人的可操作腿和单腿层从端控制器。

【技术特征摘要】
1.一种可协同调控多足机器人的单腿操作和机体平移的遥操作系统，其特征在于：所述的多足机器人的遥操作系统包括：机体层遥操作子系统、单腿层遥操作子系统、底层控制器和通信端口；所述的机体层遥操作子系统包括：机体层主端系统和机体层从端系统；所述的机体层主端系统包括：机体层主端机器人和机体层主端控制器；所述的机体层从端系统包括：从端机器人的机体和机体层从端控制器；所述的单腿层遥操作子系统包括：单腿层主端系统和单腿层从端系统；所述的单腿层主端系统包括：单腿层主端机器人和单腿层主端控制器；所述的单腿层从端系统包括：从端机器人的可操作腿和单腿层从端控制器。2.根据权利要求1所述的一种可协同调控多足机器人的单腿操作和机体平移的遥操作系统，其特征在于：所述的单腿层主端机器人为一个3自由度关节型触觉力反馈设备，用于量化操作者对于从端机器人可操作腿位置的操作意图，输出相应的触觉引导力并反馈给操作者，以此辅助操作者完成对从端机器人可操作腿位置的操作任务；所述的单腿层主端控制器一方面用于将单腿层主端机器人末端在工作空间内三个方向的位置指令转化为从端机器人可操作腿末端在工作空间内三个方向的位置指令，并将此作为控制信号经通信端口发送至单腿层从端控制器，另一方面负责将从端机器人可操作腿与单腿层主端机器人之间的位置跟踪信息和力跟踪信息进行融合并转换成触觉力信息，控制单腿层主端机器人内置的力反馈电机输出相应的触觉引导力；所述的从端机器人为电驱动六足机器人，每条腿构型相同且均具有三个转动关节，并呈中心对称的方式分布在机体四周，每个关节均由电机驱动；所述的从端机器人的可操作腿，表示从端机器人在单腿层遥操作子系统中的被控对象为任意一条可操作腿的足端在工作空间内三个方向的位移量，其中分别为沿足端坐标系X轴方向的纵向位移量，沿足端坐标系Y轴方向的横向位移量以及沿足端坐标系Z轴方向的垂向位移量；所述的单腿层从端控制器，用于将所接收到的可操作腿的位置指令通过控制器内嵌的可操作腿动力学模型以及单腿层控制算法，转换成从端机器人可操作腿的控制输入量，并将该控制输入量发送至从端机器人的底层控制器，另一方面负责将从端机器人可操作腿的实际位置以及可操作腿末端与接触环境之间的实际作用力通过通信端口发送至单腿层主端控制器；所述的机体层主端机器人为一个3自由度并联型触觉力反馈设备，用于量化操作者对于从端机器人机体平移量的操作意图，输出相应的触觉引导力并反馈给操作者，以此辅助操作者完成对从端机器人机体平移的操作任务；所述的机体层主端控制器一方面用于将机体层主端机器人手柄三个方向的位置指令转化为从端机器人机体的平移指令，并将此作为控制信号经通信端口发送至机体层从端控制器，另一方面负责将造成从端机器人机体平移过程中出现位置跟踪误差的外部力转换成触觉力信息，控制机体层主端机器人内置的力反馈电机输出相应的触觉引导力；所述的从端机器人的机体，表示从端机器人在机体层遥操作子系统中的被控对象为机体在三个方向上的平移量，其中分别为沿机体坐标系X轴方向的纵向平移量，沿机体坐标系Y轴方向的横向平移量以及沿机体坐标系Z轴方向的垂向平移量；所述的机体层从端控制器，一方面用于将接收到的机体平移指令通过控制器内嵌的从端机器人机体运动学模型以及机体层控制算法，转换成从端机器人机体的控制输入量，并将该控制输入量发送至从端机器人的底层控制器，另一方面负责将从端机器人机体平移过程中的位置跟踪信息通过通信端口发送至机体层主端控制器；所述的从端机器人的底层控制器，用于接收机体层遥操作子系统和单腿层遥操作子系统所求解出的其余5条腿和可操作腿在内全部关节所需输出的目标转角，再通过关节层控制器驱动各腿部各关节内置的电机完成指定的转动要求。3.一种可协同调控多足机器人单腿操作和机体平移的遥操作控制方法，其特征在于：所述可协同调控多足机器人单腿操作和机体平移的遥操作控制方法具体可分为以下步骤：步骤1：提出可协同调控多足机器人的单腿操作与机体平移的遥操作模式，设计底层控制器内的关节层控制算法；步骤2；针对机体层遥操作子系统内的机体层主端机器人和从端机器人的机体进行建模，设计机体层遥操作子系统的控制架构及控制算法，在此基础上设计机体层遥操作子系统的力反馈模式；步骤3：针对单腿层遥操作子系统内的单腿层主端机器人和从端机器人的可操作腿进行建模，设计单腿层遥操作子系统的控制架构及控制算法，在此基础上设计单腿层遥操作子系统的力反馈模式。4.根据权利要求3所述的一种可协同调控多足机器人单腿操作和机体平移的遥操作控制方法，其特征在于，步骤1中所述的可协同调控多足机器人的单腿操作与机体平移的遥操作模式，表现为当多足机器人其余腿均处于支撑状态，其中一条腿处于自由运...

【专利技术属性】
技术研发人员：尤波，李佳钰，许家忠，杜重阳，李鲲鹏，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23