一种双轮足机器人单边越障控制方法技术

本发明专利技术提供一种双轮足机器人单边越障控制方法，用于解决由于复杂建模方式所导致的双轮足机器人单边越障控制方式复杂的问题。首先，建立含有机器人虚拟腿姿态角度、虚拟腿姿态角速度、机体偏航姿态角度、机体偏航姿态角速度、机体前向位移，以及机体前向线速度六个状态量的双轮足简化动力学模型，并进行线性化、离散化处理；其次针对离散的虚拟腿长度进行状态反馈矩阵元素的多项式插值，采用卡尔曼滤波器实现各状态观测，利用线性二次型调节器进行全状态反馈，实现状态反馈平衡控制，最后，对支撑腿进行侧倾角姿态补偿，通过支撑腿运动学逆解产生髋部关节角度和膝关节角度，实现单边越障的姿态控制，该方法简单易实现，且控制效果较好。效果较好。效果较好。

【技术实现步骤摘要】
一种双轮足机器人单边越障控制方法


[0001]本专利技术涉及机器人运动控制领域，尤其是一种双轮足机器人单边越障控制方法。

技术介绍

[0002]双轮足机器人为足式、轮式复合行走的一种机器人，区别于现有的双轮平衡小车，双轮足机器人兼具轮式高效移动和足式复杂环境行走的优势，国内外研究机构已开展相应的研究，比较典型的包括，美国波士顿动力的Handle轮足机器人可实现单边越障、跳跃、下楼梯、下坡等复杂动作，具体涉及的技术尚未公开，瑞士苏黎世理工大学研制的Ascento双轮足机器人能够实现跳跃、单边越障、连续上楼梯等灵活动作，单边越障控制主要采用全身动力学的方法实现。
[0003]双轮足机器人包括机体、两条支撑腿、两个驱动轮，每条支撑腿配有一个驱动轮，每条支撑腿包含大腿和小腿，大腿和机体的连接部分成为髋部关节，大腿和小腿的连接部分称为膝关节，现有的双轮足机器人单边越障控制技术大部分采用全身动力学的方法，该方法需要对每一个刚体和关节进行复杂动力学建模，同时借助优化的控制方式进行实现，因此，针对每一个刚体，要求具有更高的建模精度，同时对整个系统算力也具有较大的挑战。

技术实现思路

[0004]为了解决由于复杂建模方式所导致的双轮足机器人单边越障控制方式复杂的问题，本专利技术提供一种双轮足机器人单边越障控制方法，在线性化、离散化的双轮足简化动力学模型的基础上，引入虚拟腿的概念，将两条腿化简为一条虚拟腿，简化后的模型中，两个轮之间相互独立，虚拟腿与两个轮连接，本专利技术通过控制驱动轮的驱动力距实现被控对象的平衡控制，即控制被控对象不发生前后倾斜；通过分别控制两个支撑腿的关节角度实现姿态控制，确保被控对象不发生侧倾。本专利技术融合虚拟腿建立状态反馈控制模型，最后对支撑腿进行单边越障姿态补偿实现稳定控制。
[0005]本专利技术首先建立含有机器人虚拟腿姿态角度、虚拟腿姿态角速度、机体偏航姿态角度、机体偏航姿态角速度、机体前向位移，以及机体前向线速度六个状态量的双轮足简化动力学模型，并进行线性化、离散化处理，其次引入虚拟腿概念，针对离散的虚拟腿长度进行状态反馈矩阵元素的多项式插值，采用卡尔曼滤波器实现各状态观测，利用线性二次型调节器进行全状态反馈，产生两个驱动轮的驱动力矩，实现状态反馈平衡控制，最后，在状态反馈平衡控制的基础上，对支撑腿进行侧倾角姿态补偿，通过支撑腿运动学逆解产生髋部关节角度和膝关节角度，实现单边越障的姿态控制，该方法简单易实现，且控制效果较好。
[0006]具体技术方案如下：
[0007]步骤(1)、建立含有机器人虚拟腿姿态角度、虚拟腿姿态角速度、机体偏航姿态角度、机体偏航姿态角速度、机体前向位移，以及机体前向线速度六个状态量的双轮足简化动
力学模型，作为控制的模型基础，并进行线性化、离散化处理；
[0008]步骤(2)可变虚拟腿长度下的双轮足机器人平衡控制，为单边越障的虚拟腿变化做支撑；
[0009]步骤(3)单边越障下的姿态稳定适应，完成单边越障稳定控制。
[0010]进一步的，步骤(2)包括以下步骤，
[0011]步骤21：求解当前时刻的状态反馈矩阵：
[0012]通过状态反馈矩阵离线计算，获取离散虚拟腿长度下的状态反馈矩阵K
d
，进而利用离散的虚拟腿长度和对应的K
d
，通过5次多项式插值，拟合状态反馈矩阵K，最终根据当前时刻可变虚拟腿长度得到当前时刻的状态反馈矩阵，所述的拟合得到的状态反馈矩阵K用于适应可变虚拟腿各种长度下的状态反馈控制；
[0013]步骤22：根据双轮足机器人的离散模型，采用卡尔曼滤波器估计当前时刻的系统状态
[0014]步骤23：融合步骤21的状态反馈矩阵K和步骤22的系统状态建立期望状态X
d
与估计的当前时刻系统状态之间的状态误差反馈控制模型，得到当前时刻轮子的驱动力矩U
k
，实现可变虚拟腿长度下的平衡控制。
[0015]进一步的，步骤(3)包括以下步骤，
[0016]步骤31：实时测量机体侧倾姿态角度φ；
[0017]步骤32：建立机体侧倾角比例控制项和积分控制项；
[0018]步骤33：利用步骤32建立的比例控制项与积分控制项分别对左右支撑腿当前时刻的高度进行姿态补偿，将补偿后的两条支撑腿的高度位置通过逆运动学转换为每条支撑腿的关节角度，通过驱动关节实现姿态的稳定适应，和步骤23的状态误差反馈模型，共同作用实现单边越障稳定控制。
[0019]有益效果：
[0020]现有的双轮足机器人控制方法，在机器人前行、转向等平衡控制上进行了较多的研究，针对机体的位置变化状态反馈控制精度不足，且在单边越障工况下大部分采用全身动力学的控制方法解决姿态控制的问题，控制过程复杂，。相比于现有技术，本专利技术具有以下优势：
[0021](1)建立全状态的动力学方程，可以有效控制机器人的位姿；(2)采用虚拟腿思想，并将虚拟腿长度作为状态反馈矩阵元素插值的输入，可有效实现不同虚拟腿长度下的稳定性；(3)状态矩阵元素进行五次多项式插值，可提高状态反馈控制的精度；(4)针对支撑腿高度进行侧倾角度姿态补偿，可有效控制机器人单边越障，控制方法简单有效；(5)本专利技术模型简单，控制方法简单有效。
附图说明
[0022]图1是双轮足机器人模型。
[0023]图2是双轮足机器人单边越障模型。
[0024]图3是虚拟腿在竖直方向的角度示意图。
具体实施方式
[0025]下面结合附图和具体实施例对一种双轮足机器人单边越障控制方法进行详细描述。
[0026]同时，在这里做以说明的是，为了使实施例更加详尽，下面的实施例为最佳、优选实施例，对于一些公知技术，本领域技术人员也可采用其他替代方式而进行实施；而且附图部分仅是为了更具体的描述实施例，并不旨在对本专利技术进行具体的限定。
[0027]本专利技术涵盖任何在本专利技术的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本专利技术有彻底的了解，在以下本专利技术优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本专利技术。
[0028]如图1所示，步骤1，双轮足动力学建模，作为控制的模型基础。具体包括：
[0029]步骤11：采用拉格朗日方程建立含有机器人虚拟腿姿态角度/姿态角速度、偏航姿态/姿态角速度、前向位移/线速度六个状态量的双轮足动力学模型。
[0030][0031]式中，L为拉格朗日函数，q为广义坐标，Q为广义力。
[0032]系统的动能：
[0033][0034]式中，T为系统动能，θ为虚拟腿在竖直方向的角度，γ为机体的偏航角度，x为机器人的前向位移，I
xx
为机体沿x轴的转动惯量，I
yy
为机体沿y轴的转动惯量，I
zz
机体沿z轴的转动惯量，m轮子质量，M机体质量，l虚拟腿长度，d轮子之间宽度，r轮子半径，
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双轮足机器人单边越障控制方法，用于控制双轮足机器人单边越障，所述的双轮足机器人包括机体、两条支撑腿、两个驱动轮，每条支撑腿连接一个驱动轮，每条支撑腿包含大腿和小腿，大腿和机体的连接部分成为髋部关节，大腿和小腿的连接部分称为膝关节，其特征在于：引入虚拟腿的概念，将两条腿化简为一条虚拟腿，简化后的模型中，两个驱动轮之间相互独立，虚拟腿与两个驱动轮连接，其中，虚拟腿长度等于每条支撑腿从髋部关节处到对应驱动轮中心的距离之和的一半，虚拟腿长度与两条支撑腿的髋部关节角度以及膝关节角度存在腿部运动学计算关系，两条支撑腿的髋部关节角度和膝关节角度通过实时测量得到，本方法通过控制轮子的驱动力矩，实现可变虚拟腿长度下的平衡控制，通过控制每条支撑腿的关节角度实现姿态适应，最终实现双轮足机器人单边越障稳定控制；具体控制过程包括如下步骤，步骤(1)、建立含有机器人虚拟腿姿态角度、虚拟腿姿态角速度、机体偏航姿态角度、机体偏航姿态角速度、机体前向位移，以及机体前向线速度六个状态量的双轮足简化动力学模型，作为控制的模型基础，并进行线性化、离散化处理；步骤(2)可变虚拟腿长度下的双轮足机器人平衡控制，为单边越障的虚拟腿变化做支撑；步骤(3)单边越障下的姿态稳定适应，完成单边越障稳定控制。2.根据权利要求1所述的一种双轮足机器人单边越障控制方法，其特征在于：步骤(1)中所述的双轮足简化动力学线性化模型如下：中所述的双轮足简化动力学线性化模型如下：其中：p1＝[(2m+M)I
yy
r2+2I
yy
I
w
]+2Mml2r2+2Ml2I
w
p2＝(Ml2+I
yy
)(Mr2+2mr2+2I
w
)
‑
M2l2r2p3＝2d2r(m+I
w
/r2)+rI
zz
式中，x为机器人的前向位移，γ为机体的偏航角度，θ为虚拟腿在竖直方向的角度，M机体质量，l虚拟腿长度，g为重力加速度，r轮子半径，m轮子质量，I
w
轮子沿转轴的转动惯量，I
xx
为机体沿x轴的转动惯量，I
yy
为机体沿y轴的转动惯量，I
zz
机体沿z轴的转动惯量，d轮子
之间宽度，τ
l
、τ
r
分别为左右轮的主动驱动力矩，A、B、C、X、y、U分别对应所在公式中对应的矩阵。3.根据权利要求2所述的一种双轮足机器人单边越障控制方法，其特征在于：步骤(1)中所述的双轮足简化动力学离散化模型如下：式中，Δt为离散时间，A
d
、B
d
、X
k
、U
k
分别公式中对应的矩阵。4.根据权利要求3所述的一种双轮足机器人单边越障控制方法，其特征在于：进一步的，步骤(2)包括以下步骤，步骤21：求解当前时刻的状态反馈矩阵：通过状态反馈矩阵离线计算，获取离散虚拟腿长度下的状态反馈矩阵K
d
，进而利用离散的虚拟腿长度和对应的K
d
，通过5次多项式插值，拟合状...

【专利技术属性】
技术研发人员：许鹏，苏波，江磊，蒋云峰，党睿娜，姚其昌，许威，王志瑞，慕林栋，梁振杰，汪建兵，邢伯阳，刘宇飞，郭亮，邱天奇，赵建新，邓秦丹，闫瞳，侯茂新，杨超宁，
申请(专利权)人：中国北方车辆研究所，
类型：发明
国别省市：