双轮腿-臂机器人全身运动规划与控制方法技术

本发明专利技术公开了一种双轮腿

Whole body motion planning and control method of two wheeled leg arm robot

【技术实现步骤摘要】
双轮腿
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臂机器人全身运动规划与控制方法


[0001]本专利技术涉及一种用于双轮腿
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臂机器人全身运动规划与动态平衡运动的控制器设计，属于机器人控制领域。

技术介绍

[0002]双轮腿
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臂机器人是兼具手臂作业能力、不平坦地形适应能力、轮式灵活移动能力等优势的超仿生机器人。且能够适应人类工作环境，具备与人类自然交互的潜能，具有广阔的应用前景。它的运动优越性表现在：第一，腿式结构可主动隔振，即躯干运动轨迹与足端轨迹解耦，在起伏路面仍可保持躯干平稳；第二，腿式结构赋予其跨越障碍的能力，提高了对崎岖地面的适应性；第三，双轮移动形式可实现零半径转弯，提高了移动平台的灵活性；第四，轮式结构可在平坦地面上低功耗的快速移动，也可适应崎岖度较小的地形；第五，手臂可以搭载作业工具，配合人类实现协同作业任务。
[0003]双轮腿
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臂机器人无法保持静态平衡，需要借助控制算法实现作业时的动态稳定，因此动态性能的好坏严重依赖于控制器设计的优劣。而双轮腿
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臂机器人各结构间存在强耦合，腿臂作业任务直接影响动态平衡的保持。现存控制方法本质上多为模块化方法，忽略了各模块间的耦合特性，制约了动态稳定裕度。
[0004]如2020年发表于IEEE Robotics and Automation Letters的文章《LQR
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Assisted Whole
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Body Control of a Wheeled Bipedal Robot with Kinematic Loops》(基于运动学闭链的双腿轮机器人辅助LQR全身控制)该控制方法的核心为多任务规划部分，站高、横滚、航向任务以及LQR任务(平衡任务)均在运动学层面进行规划，生成一组关节期望加速度。且在构造LQR任务时，将Ascento简化为两轮倒立摆模型，规划出期望的虚拟摆杆俯仰角，作为任务空间。这一简化忽略了腿部动态运动对动态平衡的影响，制约了机器人的动态性能。
[0005]2021年发表于IEEE International Conference on Robotics and Automation(ICRA)的《Balance Control of a Novel Wheel
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legged Robot:Design and Experiments》(一类新型腿轮机器人的平衡控制：设计与实验)将机器人简化为两轮倒立摆，在采用传统控制率LQR的基础上，设计了基于IDA
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PBC(Interconnection and Damping Assignment
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Passivity
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based Control)的非线性控制器，以获得更大的动态稳定裕度。
[0006]可见，现有的双轮腿机器人大多不具备手臂作业的能力，而就双轮腿机器人的运动控制而言，还处在解耦控制的阶段，通过将除轮以外的其他杆件简化为一个虚拟质心点来构造双轮倒立摆，控制轮关节电机的运动实现平台的平衡；其他关节用以配合轮的平衡或实现躯干与腿部姿态调整。这类控制方法所获取的动态稳定范围较小，当腿部动态运动产生的惯性力较大时，会影响平衡环节甚至导致平衡状态的发散。因此，如何实现双轮腿
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臂机器人全身平衡与运动的统一规划与控制，是突破双轮腿
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臂机器人运动性能的关键所在。因此构建一个可以将轮腿运动、手臂操作等功能集于一体的轮腿臂复合机器人控制框架，实现多目标运动任务与实时全身动态平衡是一个亟待解决的问题。
[0007]中国专利申请CN 113021299 A公开了一种双腿轮复合机器人全方位运动控制方法，在任务空间中构造虚拟广义力，根据结构分工将虚拟广义力进行多点力分配，基于所提出的耦合腿轮动力学模型构造腿轮力矩解算器，得到能够实现腿轮末端分配力的关节力矩，基于轮地接触力雅可比，将维持航向的轮地接触补偿力映射为关节力矩，构造了基于内部传感器信息的坡面估计器，针对不同坡面进行轮与躯干水平相对位置的力矩补偿，将各层控制器解算所得关节力矩进行融合，施加于关节执行器。该方法通过合理控制双腿轮的运动，使得躯干位姿不受地面坡度变化的影响，能够保持稳定的全方位运动，增强了机器人的地形适应性，提高了非结构化地形行走的稳定性。但是仅可进行快速稳定的移动并不是动基座机器人研制的最终目的。因此，基于前期工作，在双腿轮机器人的躯干上侧布置一条三自由度机械臂，形成双轮腿
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臂机器人，从而赋予机器人作业的潜能。随之而来的，现有的控制器无法实现双轮腿
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臂机器人的全身运动与作业控制。
[0008]与双腿轮机器人相比，双轮腿
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臂机器人的控制难点有三：
[0009]其一：不同于各种静态稳定腿足机器人底盘或轮式底盘，双轮腿底盘只能保持动态平衡，因此，不存在稳定的手臂工作空间，需要实时进行双轮腿运动调整使得机器人系统整体处于动态平衡点；
[0010]其二：以手臂末端为任务空间时，双轮腿
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臂机器人系统为冗余系统，对于同一任务存在多种运动序列；
[0011]其三：手臂作业时，需要同时控制手臂末端位置与力的输出，且末端力输出直接影响机器人的平衡状态。
[0012]为解决以上控制难点，实现动态平衡下的手臂作业，特提出一种双轮腿
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臂机器人全身运动规划与控制方法。

技术实现思路

[0013]本专利技术的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种双轮腿
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臂机器人全身运动规划与控制方法，该控制方法以机器人躯干位姿、手臂位置为任务空间，双轮腿基座根据多重任务实时规划关节力矩，从而实现动态平衡下的躯干运动与手臂作业。
[0014]为实现上述目的，本专利技术采用下述技术方案：
[0015]双轮腿
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臂机器人全身运动规划与控制方法，包括基于分布式模型的双轮腿
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臂机器人力传递分析、基于分层优化的广义关节空间运动规划方法、基于手臂
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躯干交互力前馈补偿的关节力矩控制三个主要部分，具体如下：
[0016](1)在双轮腿系统力分析的基础上进行了双轮腿
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臂机器人动力学分析，将手臂的运动与作业对机器人产生的稳定性影响映射为躯干广义力的一部分，进行统一规划与处理；
[0017](2)根据实际需求所确定的手臂末端、躯干位姿任务空间，提出多任务空间(躯干位姿任务、手臂末端位置任务)分层优化方法，同时实现多个具有不同优先级任务空间的参考轨迹规划；
[0018](3)手臂与环境的交互力(操作物的质量以及运动状态)对双轮腿
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臂机器人的动态稳定产生实时影响，以此交互力为控制目标，构造前馈补偿项加入到全身力矩控制器中，补偿手臂末端广义力对全身关节力矩所产生的影响。
[0019]本专利技术的有益效果是：本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双轮腿
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臂机器人全身运动规划与控制方法，包括：(1)在双轮腿系统力分析的基础上进行了双轮腿
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臂机器人动力学分析，将手臂的运动与作业对机器人产生的稳定性影响映射为躯干广义力的一部分，进行统一规划与处理；(2)根据实际需求所确定的手臂末端、躯干位姿任务空间，提出多任务空间分层优化方法，解决双轮腿
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臂机器人全身运动规划的冗余，同时实现多个具有不同优先级任务空间的参考轨迹规划，操纵目标物的同时驱动自身运动；(3)手臂与环境的交互力对双轮腿
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臂机器人的动态稳定产生实时影响，以此交互力为控制目标，构造前馈项补偿项加入到全身力矩控制器中，补偿手臂末端广义力对全身关节力矩所产生的影响，从而实现对操作物动态力的前馈广义力补偿，增加了全身稳定鲁棒性。2.如权利要求1所述的双轮腿
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臂机器人全身运动规划与控制方法，其特征是，所述双轮腿
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臂机器人动力学分析，在双轮腿系统力分析的基础上，将手臂杆件与末端所受外力集中于一点，形成以躯干为基座的第二级桌子
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小车模型，将躯干作为轮腿
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手臂广义力传递的桥梁，将第二级小车模型所需广义力映射到第一级小车模型即躯干上去，作为外力进行前馈补偿，然后，进行轮腿力矩解算，实现手臂运动与作业时的双轮腿
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臂机器人动态稳定运动。3.如权利要求1所述的双轮腿
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臂机器人全身运动规划与控制方法，其特征是，所述多任务空间分层优化方法，双轮腿
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臂机器人的控制目标为单一任务空间的运动或者同时提出两个任务空间的期望轨迹；两个任务空间并不是完全解耦的，存在相互制约的关系，因此，并不能满足任意期望轨迹的执行；为了保证控制器所接收执行信号的有效性，构造上层规划器，根据不同工况的实际情况进行任务空间优先级分层，采用优化方法规划出各任务空间的可行参考轨迹；根据分层优化算法，将最底层任务空间的优化输出作为广义关节加速度对速度与位置进行更新，得到参考轨迹。4.如权利要求1所述的双轮腿
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臂机器人全身运动规划与控制方法，其特征是，所述全身力矩控制器，将左右轮腿的力与力矩解算问题转化为二次规划解算问题(Quadratic Programming，QP)，定义该QP解算的变量为：x＝[F
rx F
rz N
ry F
lx F
lz N
ly f
rα f
lα τ
r0 τ
r1 τ
r2 τ
l0 τ
l1 τ
l2
]
T
其中，F
ix
、F
iz
、N
iy
分别为轮腿i与躯干铰接点处的水平力、竖直力以及俯仰力矩，f
iα
为轮腿i的轮地接...

【专利技术属性】
技术研发人员：辛亚先，荣学文，李贻斌，阮久宏，范永，
申请(专利权)人：山东交通学院，
类型：发明
国别省市：