一种智能仿生足式机器人控制系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种智能仿生足式机器人控制系统及方法以解决现有技术中足式机器人复杂地形动态稳定行走能力差的技术问题。本发明专利技术建模求解应对地形突变和障碍时需分配至执行器的力、应对接触力突变时需分配至执行器的力、应对外界扰动时需分配至执行器的力，再对上述求解得到的需分配至执行器的力加权并进行矢量归一化后得到最终需分配至执行器的力，根据确定的最终需分配至执行器的力生成相应的控制指令驱动所述执行器产生设定动作。所以本发明专利技术不仅可提高平台与刚性起伏路面的适应性、提高平台在不同材质地面的移动能力，还可使平台在受到复杂大扰动的情况下仍能快速调整重心，实现动态平衡与稳定行走，提高足式机器人复杂地形动态稳定行走能力。地形动态稳定行走能力。地形动态稳定行走能力。

【技术实现步骤摘要】
一种智能仿生足式机器人控制系统及方法


[0001]本专利技术涉及一种智能仿生足式机器人控制系统及方法。

技术介绍

[0002]机器人被誉为“制造业皇冠顶端的明珠”，发展机器人产业对提高创新能力、增强国家综合实力、带动整体经济发展都具有十分重要的意义，在我国，机器人技术创新和产业发展都是重要内容。
[0003]作为未来智能移动服务机器人的最为主要的发展，灵巧机动和自主作业的四足机器人正在成为下一代智能移动机器人的标志性研究热点，世界各国都在不遗余力的发展。2009年，我国开启高性能四足机器人项目论证。2011年“高性能四足机器人”、陆军“伴随保障四足机器人”等陆续开展项目支持。我国更是在陆军某特种机器人计划、科技部国家重点研发计划、自然基金委共融机器人重大研究计划等项目中，设置专门基金支持，意在大力发展，赶超世界水平。
[0004]目前国内外在四足机器人方面普遍存在承载能力较低、复杂地形动态稳定行走能力较差、续航能力不足等问题，难以满足四足机器人面向民生应用的能力需求，高承载灵巧作业的仿生四足机器人正成为国内外研究的趋势。在这些问题中，复杂地形动态稳定行走能力差主要通过对控制系统进行改良实现，因此亟需研发一种能够解决上述问题的机器人控制系统及方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种智能仿生足式机器人控制系统以解决现有技术中足式机器人复杂地形动态稳定行走能力差的技术问题；本专利技术的目的还在于提供上述智能仿生足式机器人控制系统中使用的智能仿生足式机器人控制方法。/>[0006]为实现上述目的，本专利技术的一种智能仿生足式机器人控制系统采用以下技术方案：
[0007]一种智能仿生足式机器人控制系统，包括底层伺服控制系统和运动步态规划系统，所述底层伺服系统包括执行器，所述运动步态规划系统包括环境感知单元、惯性测量单元和控制器，所述环境感知单元和所述惯性测量单元连接在所述控制器的输入端口，所述执行器连接在所述控制器的输出端口；控制器根据环境感知单元和惯性测量单元检测量分别求解应对地形突变和障碍时需分配至执行器的力、应对接触力突变时需分配至执行器的力、应对外界扰动时需分配至执行器的力，再对上述求解得到的需分配至执行器的力加权并进行矢量归一化后得到最终需分配至执行器的力，各项力加权时的权重系数根据环境感知单元采集的地形信息、六维状态信息和惯性测量单元采集的位姿信息进行调节，控制器再根据确定的最终需分配至执行器的力生成相应的控制指令驱动所述执行器产生设定动作。
[0008]求解应对地形突变和障碍时需分配至执行器的力时，需要建立虚拟伺服模型，记
录惯性测量单元测量的机体位姿信息、生成期望位姿信息并以此作为输入信号，对机体的三维方向力进行虚拟模型建模求取机体虚拟合力矩矢量和虚拟合力矢量，通过二次规划将所述虚拟合力矢量分配到各个平台和地面的作用支撑点，通过坐标变换将作用点上的期望力分配至所述执行器。
[0009]求解应对外界扰动时分配至执行器的力时，需要建立虚拟伺服模型，在建立虚拟伺服模型时需要在机体与杆体的铰接点处施加外部作用力矩或是在接触点处施加外部作用力，记录惯性测量单元测量的机体位姿信息、生成期望位姿信息并以此作为输入信号，对机体的三维方向力进行虚拟模型建模求取机体虚拟合力矩矢量和虚拟合力矢量，通过二次规划将所述虚拟合力矢量分配到各个平台和地面的作用支撑点，通过坐标变换将作用点上的期望力分配至执行器；其中接触点的位置需要根据平台的速度及加速度信息进行调整。
[0010]求解应对接触力突变时分配至执行器的力时，需要建立虚拟伺服模型，记录惯性测量单元测量的机体位姿信息、生成期望位姿信息并以此作为输入信号，对机体的三维方向力进行虚拟模型建模求取机体虚拟合力矩矢量和虚拟合力矢量，通过二次规划将校正后的虚拟合力矢量分配到各个平台和地面的作用支撑点，并通过实时计算的土壤滑转率对分配的力矩矢量和力矢量进行校正调节以使得调节后根据数据计算的相应平台的纵向滑转率为0.25
‑
0.35，通过坐标变换将作用点上的期望力分配至执行器。
[0011]计算所述纵向滑转率时，分别采用等速趋近率和指数趋近率两种控制策略推导移动平台的纵向滑转率，再针对推导结果求均值。
[0012]本专利技术的一种智能仿生足式机器人控制方法采用以下技术方案：
[0013]智能仿生足式机器人控制系统的控制方法，包括以下步骤，第一步，控制器实时接收环境感知单元检测的地形信息、平台六维状态信息和惯性测量单元检测的平台位姿信息；第二步，分别求解应对地形突变和障碍时需分配至执行器的力、应对接触力突变时需分配至执行器的力、应对外界扰动时需分配至执行器的力；第三步，对第二步中求解得到的需分配至执行器的力加权并进行矢量归一化后得到最终需分配至执行器的力，各项力加权时的权重系数根据环境感知单元采集的地形信息、六维状态信息和惯性测量单元采集的位姿信息进行调节；第四步，根据确定的最终需分配至执行器的力生成相应的控制指令驱动所述执行器产生设定动作。
[0014]在所述第二步中，求解应对地形突变和障碍时需分配至执行器的力时步骤如下：首先，建立虚拟伺服模型；其次，记录惯性测量单元测量的机体位姿信息、生成期望位姿信息并以此作为输入信号，对机体的三维方向力进行虚拟模型建模求取机体虚拟合力矩矢量和虚拟合力矢量；再次，通过二次规划将所述虚拟合力矢量分配到各个平台和地面的作用支撑点；最后，通过坐标变换将作用点上的期望力分配至相应执行器。
[0015]在所述第二步中，求解应对外界扰动时分配至执行器的力时步骤如下：首先，建立虚拟伺服模型，在建立虚拟伺服模型时需要在机体与杆体的铰接点处施加外部作用力矩或是在接触点处施加外部作用力，其中接触点的位置需要根据平台的速度及加速度信息进行调整；其次，记录惯性测量单元测量的机体位姿信息、生成期望位姿信息并以此作为输入信号，对机体的三维方向力进行虚拟模型建模求取机体虚拟合力矩矢量和虚拟合力矢量；再次，通过二次规划将所述虚拟合力矢量分配到各个平台和地面的作用支撑点；最后，通过坐标变换将作用点上的期望力分配至执行器。
[0016]在所述第二步中，求解应对接触力突变时分配至执行器的力时步骤如下：首先，建立虚拟伺服模型；其次，记录惯性测量单元测量的机体位姿信息、生成期望位姿信息并以此作为输入信号，对机体的三维方向力进行虚拟模型建模求取机体虚拟合力矩矢量和虚拟合力矢量；再次，通过二次规划将虚拟合力矢量分配到各个平台和地面的作用支撑点；再次，通过实时计算的土壤滑转率对分配的力矩矢量和力矢量进行校正调节以使得调节后根据数据计算的相应平台的纵向滑转率为0.25
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0.35；最后，通过坐标变换将作用点上的期望力分配至执行器。
[0017]计算所述纵向滑转率时，分别采用等速趋近率和指数趋近率两种控制策略推导移动平台的纵向滑转率，再针对推导结果求均值。
[0018]本专利技术的有益效果如下：本专利技术分别建模求解应对地形突变和障碍时需分配至执行器的力、应对接触力突变时需分本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种智能仿生足式机器人控制系统，其特征在于：包括底层伺服控制系统和运动步态规划系统，所述底层伺服系统包括执行器，所述运动步态规划系统包括环境感知单元、惯性测量单元和控制器，所述环境感知单元和所述惯性测量单元连接在所述控制器的输入端口，所述执行器连接在所述控制器的输出端口；控制器根据环境感知单元和惯性测量单元检测量分别求解应对地形突变和障碍时需分配至执行器的力、应对接触力突变时需分配至执行器的力、应对外界扰动时需分配至执行器的力，再对上述求解得到的需分配至执行器的力加权并进行矢量归一化后得到最终需分配至执行器的力，各项力加权时的权重系数根据环境感知单元采集的地形信息、六维状态信息和惯性测量单元采集的位姿信息进行调节，控制器再根据确定的最终需分配至执行器的力生成相应的控制指令驱动所述执行器产生设定动作。2.根据权利要求1所述的智能仿生足式机器人控制系统，其特征在于：求解应对地形突变和障碍时需分配至执行器的力时，需要建立虚拟伺服模型，记录惯性测量单元测量的机体位姿信息、生成期望位姿信息并以此作为输入信号，对机体的三维方向力进行虚拟模型建模求取机体虚拟合力矩矢量和虚拟合力矢量，通过二次规划将所述虚拟合力矢量分配到各个平台和地面的作用支撑点，通过坐标变换将作用点上的期望力分配至所述执行器。3.根据权利要求1所述的智能仿生足式机器人控制系统，其特征在于：求解应对外界扰动时分配至执行器的力时，需要建立虚拟伺服模型，在建立虚拟伺服模型时需要在机体与杆体的铰接点处施加外部作用力矩或是在接触点处施加外部作用力，记录惯性测量单元测量的机体位姿信息、生成期望位姿信息并以此作为输入信号，对机体的三维方向力进行虚拟模型建模求取机体虚拟合力矩矢量和虚拟合力矢量，通过二次规划将所述虚拟合力矢量分配到各个平台和地面的作用支撑点，通过坐标变换将作用点上的期望力分配至执行器；其中接触点的位置需要根据平台的速度及加速度信息进行调整。4.根据权利要求1所述的智能防生足式机器人控制系统，其特征在于：求解应对接触力突变时分配至执行器的力时，需要建立虚拟伺服模型，记录惯性测量单元测量的机体位姿信息、生成期望位姿信息并以此作为输入信号，对机体的三维方向力进行虚拟模型建模求取机体虚拟合力矩矢量和虚拟合力矢量，通过二次规划将校正后的虚拟合力矢量分配到各个平台和地面的作用支撑点，并通过实时计算的土壤滑转率对分配的力矩矢量和力矢量进行校正调节以使得调节后根据数据计算的相应平台的纵向滑转率为0.25
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0.35，通过坐标变换将作用点上的期望力分配至执行器。5.根据权利要求4所述的智能防生足式机器人控制系统，其特征在于：计算所述纵向滑转率时，分别采用等速趋近率和指数趋近率两种控制策略推导移动平台的纵向滑转率，再针对推导结果求均值。6.权利要求1
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5中任一项所述的...

【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：