一种轮腿运动紧耦合的四足轮腿控制方法及系统技术方案

技术编号：40086899 阅读：7 留言：0更新日期：2024-01-23 15:36

本发明专利技术公开了一种轮腿运动紧耦合的四足轮腿控制方法及系统，包括：获取机器人躯干与腿部的当前状态；将目标状态与当前状态结合，构建轮腿紧耦合多刚体动力学非线性状态方程；基于目标状态优先级、机器人腿关节与轮毂电机扭矩对每个单独关节进行角度和转速求解，获取目标控制量，利用阻抗控制器，结合求解获取的目标控制量作为前馈，进行机器人腿关节与轮毂电机的运动控制；基于目标控制量和反馈状态，结合机器人腿部触地时电流的突变，判断机器人足端是否触地，获取足端触地状态，实现机器人状态的完整估计，用于下一个控制周期；本发明专利技术能够实现四足轮腿机器人的轮腿复合运动，提升了控制模型的精度与完整性、运动控制的鲁棒性。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种机器人控制系统，具体涉及一种轮腿运动紧耦合的四足轮腿控制方法及系统。

技术介绍

1、四足轮腿机器人是一种具有四条支撑足，且具备轮腿结构，通过轮腿复合运动队机器人主体进行运动控制的机器人系统。机器人最常用的运动步态为轮腿复合trot步态运动，在该运动过程中，机器人始终只有两条足端着地，是不稳定的欠驱动系统，需要控制算法保证其平衡，在相关控制系统中，主要采用基于单刚体动力学的mpc控制器进行运动控制。

2、现有四足足态运动控制器中，普遍采用基于单刚体动力学的线性mpc控制器进行运动控制，但实际轮腿机器人具有躯干与腿部组合刚体，仅考虑躯干的单刚体动力学模型虽然简化了模型，在运行效率上有所提升，但模型不准确会使得四组轮腿机器人的运动控制鲁棒性更差，无法实现更加复杂且灵活的运动。而考虑完整动力学模型的mpc控制器会使得最终求解优化函数非线性，导致求解缓慢，控制器运行效率低下，需要结合一种高速底层控制器，将非线性mpc控制器求解的结果作为前馈，针对每个腿部关节进行高速反馈控制。

3、在现有的四足轮腿运动控制器中，普遍采用轮子与腿部控制松耦合的情况，这样更有利于计算，简化模型。但在机器人轮腿复合的运动中，轮态的加减速带来的惯性影响使得四足轮腿机器人无法以高带宽，灵活的反应相应各种复杂运动指令。如何将轮子运动与腿部运动控制模型统一化，控制紧耦合，将轮态运动带来的动力学影响，考虑在控制模型中，是提升四足轮腿运动控制器稳定性与灵活性的关键点和难点。

技术实现思路

<p>1、本专利技术的目的在于提供一种轮腿运动紧耦合的四足轮腿控制方法及系统，该系统能够实现四足轮腿机器人的轮腿复合运动，针对现存四足轮腿控制系统的问题，提升控制模型的精度与完整性以提升运动控制的鲁棒性。

2、实现本专利技术目的的技术解决方案为：

3、一种轮腿运动紧耦合的四足轮腿控制方法，包括步骤：

4、获取机器人腿关节电机与轮毂电机的角度和角速度，以及机器人躯干的角度、角速度以及加速度，根据四轮足机器人正逆运动学以及卡尔曼滤波，获取机器人躯干与腿部的当前状态；

5、获取四足轮腿机器人的运动目标步态以及躯干与足端的目标状态，将机器人目标状态与当前状态结合，构建轮腿紧耦合多刚体动力学非线性状态方程；

6、采用非线性mpc算法，将状态方程拓展为未来一段时间内的方程，并将控制目标转化为一个非线性损失函数，并依据四轮足机器人运动时的运动约束限定优化条件，通过最优化方法优化该损失函数，获取最终的足端控制力，基于足端控制力，通过雅可比矩阵，求解机器人腿关节与轮毂电机扭矩；

7、基于整机动力学模型和机器人目标状态，制定目标状态优先级，基于优先级、机器人腿关节与轮毂电机扭矩对每个单独关节进行角度和转速求解，获取每个关节和轮毂的目标控制量；

8、利用阻抗控制器，结合求解获取的目标控制量作为前馈，进行机器人腿关节与轮毂电机的运动控制；

9、基于机器人目标控制量和反馈状态，结合机器人腿部触地时电流的突变，判断机器人足端是否触地，获取足端触地状态，实现机器人状态的完整估计，用于下一个控制周期。

10、进一步地，构建轮腿紧耦合多刚体动力学非线性状态方程时，将轮子简化为垂直于地面的连杆模型，将四轮足机器人转化为腿部具有四个关节的足式机器人模型。

11、进一步地，构建轮腿紧耦合多刚体动力学非线性状态方程包括：

12、建立机器人的全身动力学方程为：

13、

14、式中，nc＝4,表示四足，为四足机器人质心动量hcom的导数，为足端接触力，m为整机质量，g为重力加速度，rcom,ci为足端到质心位置的反对称矩阵，为足端接触力带来的扭矩影响；所述四足机器人质心动量hcom根据质心动量矩阵确定，hcom为：

15、

16、式中：ab(q)为质心相关质量矩阵，aj(q)为腿部相关质量矩阵，为质心六轴位姿qb的导数，为腿部关节转速；

17、令状态量x＝[hcom,qb,qj]t，输入量构建多刚体动力学非线性状态方程a、b为系数矩阵。

18、进一步地，所述非线性损失函数为：

19、l(x,u,t)＝α1·||x-xdes||2+α2·||u||2

20、式中，α1、α2为权重系数；x-xdes为的状态轨迹x与目标轨迹xdes的偏差；u为输入量；

21、该损失函数的约束条件为：

22、足端触地腿对于机身前进方向具备速度，在其他方向速度为零；

23、足端水平方向接触力小于最大静摩擦力；

24、关节空间角度要小于机械限位角度；

25、关节空间转速要小于电机最大转速。

26、进一步地，采用sqp算法优化所述非线性损失函数为：

27、minf(x)

28、s.t.ce(x)＝0

29、cl(x)≤0

30、其中ce为等式约束，cl为等式约束，f(x)为非线性损失函数，其对应的kkt条件为：

31、

32、ce(x)＝0

33、cl(x)≤0

34、λ2cl(x)＝0

35、λ2≥0

36、式中，l(x,λ)为对应的拉格朗日函数，λ1、λ2为对应的拉格朗日算子。

37、进一步地，采用不断迭代逼近最优解，对每个关节和轮毂的目标控制量进行求解，在每次迭代中，对kkt条件进行局部线性化，求解出线性化后的函数最优解，然后再这个最优解处继续线性化求解，直到得到最优解，获取x值。

38、进一步地，采用零空间方法将目标状态分为按优先级排列的子目标，所述子目标状态优先级为：

39、状态优先级支撑腿触地力与足端轮速度 0 躯干姿态 1 躯干位置 2 摆动腿位置 3

40、进一步地，基于优先级、机器人腿关节与轮毂电机扭矩对每个单独关节进行角度和转速求解时，引入松弛变量，得求解目标函数为：

41、

42、

43、

44、

45、其中，qcmd为控制量目标值，δf为松弛变量，q为权重系数；为动力学方程约本文档来自技高网...

【技术保护点】

1.一种轮腿运动紧耦合的四足轮腿控制方法，其特征在于，包括步骤：

2.根据权利要求1所述的一种轮腿运动紧耦合的四足轮腿控制方法，其特征在于，构建轮腿紧耦合多刚体动力学非线性状态方程时，将轮子简化为垂直于地面的连杆模型，将四轮足机器人转化为腿部具有四个关节的足式机器人模型。

3.根据权利要求2所述的一种轮腿运动紧耦合的四足轮腿控制方法，其特征在于，构建轮腿紧耦合多刚体动力学非线性状态方程包括：

4.根据权利要求3所述的一种轮腿运动紧耦合的四足轮腿控制方法，其特征在于，所述非线性损失函数为：

5.根据权利要求4所述的一种轮腿运动紧耦合的四足轮腿控制方法，其特征在于，采用SQP算法优化所述非线性损失函数为：

6.根据权利要求5所述的一种轮腿运动紧耦合的四足轮腿控制方法，其特征在于，采用不断迭代逼近最优解，对每个关节和轮毂的目标控制量进行求解，在每次迭代中，对KKT条件进行局部线性化，求解出线性化后的函数最优解，然后再这个最优解处继续线性化求解，直到得到最优解，获取x值。

7.根据权利要求5所述的一种轮腿运动紧耦合的

8.根据权利要求7所述的一种轮腿运动紧耦合的四足轮腿控制方法，其特征在于，基于优先级、机器人腿关节与轮毂电机扭矩对每个单独关节进行角度和转速求解时，引入松弛变量，得求解目标函数为：

9.根据权利要求5所述的一种轮腿运动紧耦合的四足轮腿控制方法，其特征在于，通过IMU与驱动器获取机器人关节与轮毂电机角度和角速度，以及机器人躯干的角度，角速度以及加速度，根据组网电台的遥控目标指令，获取四足轮腿机器人的运动目标步态以及躯干与足端的目标状态。

10.一种实现权利要求1～9任一所述轮腿运动紧耦合的四足轮腿控制方法的系统，其特征在于，包括上位机、IMU、组网电台和4个嵌入式板，所述上位机为控制终端，作为运动控制算法的部署运算平台，上位机连接IMU进行机器人躯干姿态状态结算，通过网口与组网电台连接获取目标状态指令，上位机通过USB连接4个嵌入式板，每个嵌入式板对应连接每条腿上的三个关节电机与一个足端轮毂电机，每个电机的驱动器将电机的当前角度、转速通过CAN通讯发送给嵌入式板进行整合，再通过USB发送给上位机，结合IMU的姿态信息与组网的目标指令，计算四足轮腿机器人的运动控制输出，并经过嵌入式板转发给每个驱动器，实现对应电机控制。

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【技术特征摘要】

1.一种轮腿运动紧耦合的四足轮腿控制方法，其特征在于，包括步骤：

3.根据权利要求2所述的一种轮腿运动紧耦合的四足轮腿控制方法，其特征在于，构建轮腿紧耦合多刚体动力学非线性状态方程包括：

4.根据权利要求3所述的一种轮腿运动紧耦合的四足轮腿控制方法，其特征在于，所述非线性损失函数为：

5.根据权利要求4所述的一种轮腿运动紧耦合的四足轮腿控制方法，其特征在于，采用sqp算法优化所述非线性损失函数为：

6.根据权利要求5所述的一种轮腿运动紧耦合的四足轮腿控制方法，其特征在于，采用不断迭代逼近最优解，对每个关节和轮毂的目标控制量进行求解，在每次迭代中，对kkt条件进行局部线性化，求解出线性化后的函数最优解，然后再这个最优解处继续线性化求解，直到得到最优解，获取x值。

7.根据权利要求5所述的一种轮腿运动紧耦合的四足轮腿控制方法，其特征在于，采用零空间方法将目标状态分为按优先级排列的子目标，所述目标状态优先级为：支撑腿触地力与足端轮速度优先级为0，...

【专利技术属性】
技术研发人员：何龙，吴其军，管晨禹，任敬伟，侯君山，庞景壮，杨奔，
申请(专利权)人：杭州智元研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：

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