多模式运动的力伺服足式运动控制方法技术

本发明专利技术公开了一种多模式运动的力伺服足式运动控制方法，通过平台机体与地面接触的作用关系，建立力/力矩等效关系，并通过柔顺控制实现平台机体虚拟伺服力的分配；采用弹簧负载倒立摆的模型构建来实现机器人的共融应激行为；针对松软土壤地面，利用基于滑转率闭环的驱动控制实现平台机体对地形的适应；针对刚性起伏地面，利用虚拟伺服力控制实现平台机体对地形的适应。本发明专利技术具有适应性强、使用方便的优点。优点。优点。

【技术实现步骤摘要】
多模式运动的力伺服足式运动控制方法


[0001]本专利技术涉及机器人领域，具体而言，涉及了一种多模式运动的力伺服足式运动控制方法。

技术介绍

[0002]四足机器人是仿生机器人的典型代表，较传统轮履式移动平台在复杂地形适应能力上具有显著的优势，可广泛应用于安防陪护、巡检侦查、快递物流等多个领域。目前，美国波士顿动力公司研制的Bigdog、LS3、Spot、Spotmini等系列四足机器人已经实现了多模式行走、搭载机械臂等能力，国内中国北方车辆研究所、山东大学、浙江大学、宇树科技等研制的四足机器人在运动能力及作业能力方面存在较大的技术差距。
[0003]机器人一般设置有多种不同的运动模式，以适应不同环境或满足不同需要。传统方法针对每一种运动单独进行运动学建模，再独立分析其动力学特性，通过在线优化等手段保障动作的实现与运动能行。但是，四足机器人的高机动运动具有形态多样、动作复杂的特点，每种运动模式的建模方法和在线运动调节方法各具特点，给控制系统的设计带来了复杂性，同时不同模式的动作切换缺乏统一的设计方法，导致在复杂环境中的运动连续性难以保障。

技术实现思路

[0004]为了解决
技术介绍
中所存在的问题，本专利技术提出了一种多模式运动的力伺服足式运动控制方法。
[0005]一种多模式运动的力伺服足式运动控制方法，通过平台机体与地面接触的作用关系，建立力/力矩等效关系，并通过柔顺控制实现平台机体虚拟伺服力的分配；采用弹簧负载倒立摆的模型构建来实现机器人的共融应激行为；针对松软土壤地面，利用基于滑转率闭环的驱动控制实现平台机体对地形的适应；针对刚性起伏地面，利用虚拟伺服力控制实现平台机体对地形的适应。
[0006]基于上述，构建虚拟伺服模型，将被控对象简化为具有弹簧和阻尼的虚拟元件，其次，将被控对象的受力与执行机构建立驱动关系，使被控对象的运动符合预期的虚拟元件特性。
[0007]基于上述，对机体的三维方向力进行虚拟模型建模，用于支撑机体以及全方向提供牵引力的同时，保持三个平动自由度方向具有较优的柔顺性能和稳定性能；基于足与软土路面之间的作用关系，采用力反馈的柔顺与稳定控制技术，在平台机体与作用点之间建立接触力柔顺控制模型。
[0008]基于上述，将多足平台简化为单足平台，平台机体简化为质量点，摆杆承载着机体的重量，摆杆和平台机体组成的系统简化为倒立摆系统。
[0009]基于上述，采用等速趋近率和指数趋近率两种控制策略推导平台机体滑转率的滑模变结构控制器的控制算法。
[0010]基于上述，通过将平台机体简化为虚拟元件，基于机体惯性测量单元测量的机体位姿信息，建立虚拟伺服控制器，将虚拟伺服控制器产生的虚拟力通过二次规划的方法分配到各个平台和地面的作用支撑点，并通过作用点笛卡尔空间向执行器空间坐标系之间的映射关系，将作用点上的期望力分配至执行器实现平台位姿的地形适应。
[0011]本专利技术相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体的说，本专利技术采用将运动模式的参数化统一表征方法，实现运动参数与运动性能的直观映射，以简化多模式运动的在线生成、最优运动模式选择与平滑切换等过程，为机器人高机动运动控制提供了新方法。
附图说明
[0012]图1是本专利技术平台的虚拟力分配示意图。
[0013]图2是本专利技术具有机体姿态惯性力的模型示意图。
[0014]图3是本专利技术地形起伏适应的平台位姿控制器实现框图。
具体实施方式
[0015]下面将结合具体实施方案对本专利技术的技术方案进行清楚、完整的描述，但是本领域技术人员应当理解，下文所述的实施方案仅用于说明本专利技术，而不应视为限制本专利技术的范围。基于本专利技术中的实施方案，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方案，都属于本专利技术保护的范围。
[0016]需要理解的是以下实施例的给出仅是为了起到说明的目的，并不是用来限制本专利技术的保护范围。本领域的技术人员在不背离本专利技术的宗旨和精神的情况下，可以对本专利技术进行各种修改和替换，所有这些修改和替换都落入了本专利技术权利要求书请求保护的范围内。
[0017]下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可通过商业途径获得。
[0018]通过平台机体与地面接触的作用关系，建立力/力矩等效关系，并通过柔顺控制器，实现平台机体虚拟伺服力的分配，如图1所示。
[0019]平台机体虚拟伺服力的分配，实现了接触点的位置调整和平台的姿态调整，平台机体的期望侧倾方向与水平地面平行，以及平台机体的期望俯仰方向与接触点组成的坡面保持平行，提高了平台机体应对地形突变、障碍的姿态稳定适应能力。
[0020]虚拟伺服模型首先是将被控对象简化为具有弹簧和阻尼的虚拟元件，其次，将被控对象的受力与执行机构建立驱动关系，使被控对象的运动符合预期的虚拟元件特性。
[0021]针对地形起伏的变化，平台的位姿需适应地形的变化，根据平台的六维状态信息，包括平台的三个平动位置、速度、加速度，以及平台的三个姿态角位置、角速度、角加速度，以及虚拟元件的特性，平台的六维状态信息，通过本体传感信息测量，虚拟元件的特性取决于平台与地面接触的动力学以及控制的响应速度，基于此建立模型的刚度、阻尼系数，通过刚度、阻尼系数，以及期望的机身位姿输入，建立平台的虚拟伺服模型。
[0022]根据虚拟元件的特性，对平台的机体建立具有弹簧和阻尼的虚拟模型，首先对机体的三维方向力进行虚拟模型建模，用于支撑机体以及全方向提供牵引力的同时，保持三
个平动自由度方向具有较优的柔顺性能和稳定性能，基于机器人姿态虚拟模型方法，可得到：
[0023][0024]上式中，M
m
、F
m
为机体虚拟合力矩矢量、虚拟合力矢量；k
p
为正定增益矩阵；q为机身实际的位姿矢量；q
d
为机身期望的位姿矢量；k
v
为正定微分系数矩阵；为机身实际的位姿速度矢量。
[0025]进一步的，基于足与软土路面之间的作用关系，采用力反馈的柔顺与稳定控制，在平台机体与作用点之间建立接触力柔顺控制模型，根据足壤间的软土力学性能，获取移动平台与地面的接触力信息，建立接触力主动柔顺控制模型，实现移动平台在软土路面的柔顺与稳定控制。
[0026]在力伺服反馈的基础上，采用弹簧负载倒立摆来实现机器人的共融应激行为。其控制原理为将多足平台简化为单足平台，平台机体简化为质量点，摆杆承载着机体的重量，摆杆和平台机体组成的系统可简化为倒立摆系统。当考虑平台姿态变化时，为保证平台姿态的控制，需在机体与杆件的铰接点处施加外部作用力矩，或在接触点处施加外部作用力，具有姿态惯性力的模型如图2所示。
[0027]上述模型中，存在以下动力学关系：
[0028][0029][0030][0031]F＝K(l0‑
l)
[0032]式中:φ为机体与水平面本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多模式运动的力伺服足式运动控制方法，其特征在于：通过平台机体与地面接触的作用关系，建立力/力矩等效关系，并通过柔顺控制实现平台机体虚拟伺服力的分配；采用弹簧负载倒立摆的模型构建来实现机器人的共融应激行为；针对松软土壤地面，利用基于滑转率闭环的驱动控制实现平台机体对地形的适应；针对刚性起伏地面，利用虚拟伺服力控制实现平台机体对地形的适应。2.根据权利要求1所述的多模式运动的力伺服足式运动控制方法，其特征在于：构建虚拟伺服模型，将被控对象简化为具有弹簧和阻尼的虚拟元件，其次，将被控对象的受力与执行机构建立驱动关系，使被控对象的运动符合预期的虚拟元件特性。3.根据权利要求2所述的多模式运动的力伺服足式运动控制方法，其特征在于：对机体的三维方向力进行虚拟模型建模，用于支撑机体以及全方向提供牵引力的同时，保持三个平动自由度方向具有较优的柔顺性能和稳定性能；基于足与软土路面之间的作用...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨海峰，刘振宇，高连国，孙俊达，高峰，李鹏飞，
申请(专利权)人：北京炎凌半步机器人科技有限公司，
类型：发明
国别省市：