双四足机器人拼接组合体的分布式控制方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了双四足机器人拼接组合体的分布式控制方法及装置，根据前后两个四足机器人的运动状态信息和上位机的控制指令，构建前后两个四足机器人的控制器的约束条件和损失函数；根据约束条件和损失函数，确定前后两个四足机器人的最优足底力；根据前后四足机器人各自的控制任务，确定前后四足机器人的期望驱动关节角度

【技术实现步骤摘要】
双四足机器人拼接组合体的分布式控制方法及装置


[0001]本专利技术涉及双四足机器人控制
，特别是涉及双四足机器人拼接组合体的分布式控制方法及装置
。

技术介绍

[0002]本部分的陈述仅仅是提到了与本专利技术相关的
技术介绍
，并不必然构成现有技术
。
[0003]四足机器人通过多年发展已在多个领域得到了广泛应用，但目前单四足机器人受限于自身机构及设计特性，在环境交互中存在诸多的问题
。
双四足机器人拼接组合体在实现四足机器人协同控制共同完成任务的同时，通过较少的机器人个数来降低机器人整体的设计成本和控制难度
。
传统的组合体采用一根刚性连杆将两个四足机器人拼接，其机构构型
、
运动参数等仍受到刚性连杆长度和全身自由度的限制，而具有非刚性拼接机构的双四足机器人拼接组合体通过增加全身自由度个数提高机器人稳定性
、
地形适应性
、
移动效率
、
承载能力和灵活作业能力，极大扩展了组合体的控制方法
。
具有非刚性拼接机构的组合体可以充分结合多四足机器人结构特点
、
单四足机器人个体的运动特点，通过设计组合体运动控制方法，有效克服多机器人动作混乱和矛盾的情况，充分管理和协调好组合体中的每个机器人个体，在充分发挥单体优势方面具有良好的前景
。
[0004]目前的双四足机器人拼接组合体研究还存在着以下核心问题：双四足机器人拼接组合体动态稳定性差
、r/>环境交互能力差
、
约束优化能力差
。

技术实现思路

[0005]为了解决现有技术的不足，本专利技术提供了双四足机器人拼接组合体的分布式控制方法及装置，具有兼顾动态稳定及协调控制的优点
。
[0006]根据本申请实施例的一个方面，提供了双四足机器人拼接组合体的分布式控制方法，包括：
[0007]分别获取前后四足机器人的运动状态信息；
[0008]根据前后四足机器人的运动状态信息和上位机对前后四足机器人不同的控制指令，分别构建前后四足机器人的控制器的约束条件和损失函数；
[0009]根据前后四足机器人的控制器的约束条件和损失函数，确定前后四足机器人的最优足底力；
[0010]根据前后四足机器人各自的控制任务，确定前后四足机器人的期望驱动关节角度
、
角速度和角加速度；
[0011]根据前后四足机器人的期望驱动关节角度
、
角速度和角加速度以及最优足底力，确定前后四足机器人的驱动关节扭矩，将驱动关节扭矩输入到关节驱动控制器中，前后四足机器人开始运动；
[0012]判断前后两个四足机器人的观测状态是否满足硬约束限制，如果满足就继续进行运动过程，如果不满足就停止运动
。
[0013]根据本申请实施例的一个方面，提供了双四足机器人拼接组合体的分布式控制装置；
[0014]双四足机器人拼接组合体的分布式控制装置，包括：
[0015]获取模块，其被配置为：分别获取前后四足机器人的运动状态信息；
[0016]构建模块，其被配置为：根据前后四足机器人的运动状态信息和上位机对前后四足机器人不同的控制指令，分别构建前后四足机器人的控制器的约束条件和损失函数；
[0017]第一确定模块，其被配置为：根据前后四足机器人的控制器的约束条件和损失函数，确定前后四足机器人的最优足底力；
[0018]第二确定模块，其被配置为：根据前后四足机器人各自的控制任务，确定前后四足机器人的期望驱动关节角度
、
角速度和角加速度；
[0019]第三确定模块，其被配置为：根据前后四足机器人的期望驱动关节角度
、
角速度和角加速度以及最优足底力，确定前后四足机器人的驱动关节扭矩，将驱动关节扭矩输入到关节驱动控制器中，前后四足机器人开始运动；
[0020]判断模块，其被配置为：判断前后两个四足机器人的观测状态是否满足硬约束限制，如果满足就继续进行运动过程，如果不满足就停止运动
。
[0021]根据本申请实施例的一个方面，提供了一种双四足机器人拼接组合体，所述双四足机器人拼接组合体，包括处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一条指令
、
至少一段程序
、
代码集或指令集，所述至少一条指令
、
所述至少一段程序
、
所述代码集或指令集由所述处理器加载并执行以实现上述机器人的控制方法
。
[0022]根据本申请实施例的一个方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有至少一条指令
、
至少一段程序
、
代码集或指令集，所述至少一条指令
、
所述至少一段程序
、
所述代码集或指令集由处理器加载并执行以实现上述机器人的控制方法
。
[0023]根据本申请实施例的一个方面，提供了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存储介质中，机器人的处理器从计算机可读存储介质读取计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该机器人执行上述机器人的控制方法
。
[0024]上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：
[0025]1、
建立双四足机器人拼接组合体构型，采用直角连杆形成拼接关节连接前后两个四足机器人
。
[0026]2、
建立适用于双四足机器人拼接组合体的分布式控制系统及方法，对分布式控制子系统划分多个单元，不同单元对应完成不同的控制任务，同时采用总线嵌套的双层信息通信系统架构，实现通过上位机对前后两个四足机器人分布式控制子系统进行控制
。
[0027]3、
采用非线性模型预测控制
(Nonlinear Model Predictive Control
，
NMPC)
策略和分布式的全身控制
(Whole Body Control
，
WBC)
策略，实现对前后两个四足机器人控制器不同控制任务分别划分子任务并分别设定优先级，求解最优足底力和驱动关节扭矩
。
[0028]4、
本专利技术建立多约束与多损失的系统优化方法，针对组合体一个四足机器人受到的来自于另一个四足机器人作用于直角连杆末端的力，建立静步态下动态稳定性不等式约束和归一化动态能量稳定裕度
(Normalized Dynamic Energy Stability Margin,NDESM)
，并将
NDESM
设计为归一化动态能量损失，实现外力作用下四足机器人的动态稳定
。
附图说明
[0029]构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
双四足机器人拼接组合体的控制方法，其特征是，包括：分别获取前后四足机器人的运动状态信息；根据前后四足机器人的运动状态信息和上位机的控制指令，分别构建前后四足机器人的控制器的约束条件和损失函数；根据前后四足机器人的控制器的约束条件和损失函数，确定前后四足机器人的最优足底力；根据前后四足机器人各自的控制任务，确定前后四足机器人的期望驱动关节角度
、
角速度和角加速度；根据前后四足机器人的期望驱动关节角度
、
角速度和角加速度以及最优足底力，确定前后四足机器人的驱动关节扭矩，将驱动关节扭矩输入到关节驱动控制器中，前后四足机器人开始运动；判断前后两个四足机器人的观测状态是否满足硬约束限制，如果满足就继续进行运动过程，如果不满足就停止运动
。2.
如权利要求1所述的双四足机器人的控制方法，其特征是，约束条件，包括：碰撞摩擦锥非线性不等式约束
、
碰撞距离正交等式约束
、
碰撞速度正交等式约束
、
静步态下动态稳定性不等式约束
。3.
如权利要求2所述的双四足机器人的控制方法，其特征是，四足机器人绕支撑多边形各边旋转产生的旋转力矩如下：
M
j
＝
(F
s
×
s
j
+M
s
)
·
r
j
静步态下动态稳定性不等式约束如下：
M
j
>0
其中，
j
＝
1,
…
,n
c
‑1，
n
c
表示当前状态下支撑足端个数，
F
s
和
M
s
分别表示四足机器人所受合力和合力矩，
r
j
表示支撑多边形第
j
条边的单位向量，
s
j
表示支撑多边形第
j
条边的正交向量，起点位于支撑多边形第
j
条边上，指向四足机器人重心；碰撞摩擦锥非线性不等式约束，包括：其中，
i
＝
1,
…
,n
c
，
F
czi
表示第
i
条腿足底力的法向分力，
F
czi,max
表示单腿最大法向足底力，
μ
表示滑动摩擦系数，
F
cxi
表示第
i
条腿足底力沿
x
方向的切向分力；碰撞距离正交等式约束和碰撞速度正交等式约束：其中，
k
表示当前处于第
k
时刻，
F
czi
[k]
表示第
k
时刻，第
i
条腿足底力的法向分力，
p
cxi
[k]
表示第
k
时刻触地足端在
x
方向的位置，
p
cxi
[k
‑
1]
表示第
k
‑1时刻触地足端在
x
方向的位置，
d
zi
[k]
表示第
k
时刻触地足端在
z
方向上到接触面的竖直距离；将碰撞速度正交约束中的切向速度离散化表示为第
k
时刻的位置偏差
。4.
如权利要求1所述的双四足机器人的控制方法，其特征是，损失函数，包括：归一化动态能量损失
、
关节
‑
机身安全距离损失和状态跟踪误差损失
。
5.
如权利要求4所述的双四足机器人的控制方法，其特征是，支撑多边形第
j
条边的归一化动态能量稳定裕度指标
S
NDESMj
如下：如下：其中，
U
j
表示四足机器人在支撑多边形第
j
条边的稳定性度量，
α
表示垂直面和旋转面夹角，
β
表示初始面与垂直面的夹角，
δ
表示支撑多边形第
j
条边与水平地面的夹角，
F
sng
表示四足机器人所受合力的非重力分量，
I
j
和
ω
j
分别表示绕支撑多边形第
j
条边旋转的转动惯量和角速度；定义归一化动态能量损失
H
NDESM
如下：求解关节
‑
机身距离的过程如下：
h1＝
l2sin
γ2h2＝
l2cos
γ2tan(
π
‑
γ
)h3＝
(d
‑
r0)[1+cos(
π
‑
γ
)])]a2＝
cos(
π
‑
γ
)[h3‑
h1‑
h2‑
h6tan(
π
‑
γ
)]
其中，
γ
表示拼接关节角度，
γ2为前四足机器人的左后腿的髋关节角度，
d
表示直角连杆的水平杆长度，
l2表示大腿连杆长度...

【专利技术属性】
技术研发人员：周乐来，张翼，李贻斌，孙靖宇，耿兵厚，荣学文，宋锐，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：