【技术实现步骤摘要】
多自由度轮式倒立摆类型机器人的二维稳定移动控制方法
[0001]本专利技术属于机器人
,具体涉及一种多自由度轮式倒立摆类型机器人的二维稳定移动控制方法。
技术介绍
[0002]多自由轮式倒立摆是以传统的轮式倒立摆为基座，增加多个自由度或驱动关节来实现更多样化的功能，常见的多自由轮式倒立摆类型有，在轮式倒立摆基座上增加单机械臂(如图图2a所示)或仿人的躯干和双臂(如图2b所示)，另一种以波士顿动力公司的Handle机器人为代表(如图2c所示)，整体结构与传统仿人双足机器人相似，每条腿部的末端由驱动轮代替传统的脚板结构，由于具有分开且独立的腿部结构，具有在不平路面上的移动和通过能力。对比双足机器人，多自由轮式倒立摆系统具有移动速度快，能量效率高的优点。此外，多个自由度使它比传统的轮式倒立摆具备更多样化的功能，如动态操作，载人载物，高动态运动以及复杂地形的移动和通过能力等。但增加的多个自由度使系统动力学更加复杂，呈现很强的非线性，此外系统还继承了轮式倒立摆的欠驱动特性，控制该类型的机器人系统实现稳定移动将是一个巨大的挑战。<...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种多自由度轮式倒立摆类型机器人的二维稳定移动控制方法，包括驱动轮转矩控制器设计和质心运动控制器设计两部分，其特征在于包括如下步骤：建立多自由度轮式倒立摆的动力学方程，有以下形式其中，为对称正定的惯性矩阵，为科里奥利力和离心力项，为重力项；为控制输入选择矩阵；提取所述动力学方程的前两行；采用部分反馈线性化方法处理动力学方程的前两行，得到等效的以驱动轮角加速度为控制输入的新系统和以驱动轮期望控制力矩为最终输出的前馈方程；对该新系统采用线性化或非线性方法设计控制器得到以驱动轮角加速度为输入的控制律；将代入前馈方程得到驱动轮的期望控制力矩τ
w,d
；对多刚体连杆部分设计质心运动控制器，分别沿水平方向X和竖直方向Z，建立多连杆部分的质心运动正运动学及速度雅克比矩阵；对多刚体连杆部分质心沿水平方向X设计控制律，包含两个前馈补偿项和两个反馈控制项；前馈补偿项包括对不平路面上的质心位移补偿和对质心加速度补偿两部分；反馈控制项包括对系统移动速度和第一连杆姿态的反馈控制两部分；Z方向用来控制质心的高度，将期望质心位置或速度通过求解逆运动学来计算关节角度或角速度。2.根据权利要求1所述多自由度轮式倒立摆类型机器人的二维稳定移动控制方法，其特征在于：所述动力学方程展开后具有以下形式：其中，M
ij
代表矩阵M(q)的第i行和第j列元素；C
i
,G
i
分别代表向量和G(q)的第i行元素；动力学方程的前两行为关于驱动轮和第一连杆的方程式；基于该动力学方程的前两行对驱动轮设计控制器求取期望输入力矩。3.根据权利要求2所述多自由度轮式倒立摆类型机器人的二维稳定移动控制方法，其特征在于：所述采用部分反馈线性化方法处理前两行具体如下：通过将前两行动力学方程相加消去τ
v
得到如下的等效系统式中，为控制输入，相关变量或向量定义为为控制输入，相关变量或向量定义为
该新系统可以写成以下标准形式式中的控制输入为四个状态变量为θ
w
,θ1,4.根据权利要求3所述多自由度轮式倒立摆类型机器人的二维稳定移动控制方法，其特征在于：所述线性控制器包括LQR、极点配置或鲁棒控制；所述非线性控制器包括滑模变结构或反步法；所述控制器设计的形式如下：式中，为状态变量θ
i
前的关于q,的非线性函数；Δu1为与机器人系统移动速度控制相关的驱动轮角加速度项；Δu2为与多刚体连杆部分运动产生的惯性力相关联的驱动轮角加速度项，是的函数；Δu3为与多刚体连杆部分运动产生的科氏力，离心力及重力相关的驱动轮角加速度项，是的函数；Δu4为机器人系统移动位置控制相关的驱动轮角加速度项；对于线性控制器项为常数，且Δu3项为零...
【专利技术属性】
技术研发人员：付宜利，顾建军，周海涛，朱世强，
申请(专利权)人：之江实验室，
类型：发明
国别省市：
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