本发明专利技术公开了一种轮腿式机器人的耦合优化控制方法，属于自动化领域。定义轮腿式机器人的稳定性函数定义为：θｉ为倾覆轴的稳定角度，当时机器人发生倾倒；轮腿式机器人的牵引力函数以滑行率Ｓｉ表示为：为提高牵引力就是要使所有Ｓｉ中的最大值取得极小。本发明专利技术综合了稳定性和牵引力，取二者的加权均方根之和作为耦合优化标准函数。控制该优化标准函数使其达到最小，从而保证θｉ的最大化和Ｓｉ的最小化，也就是最大化机器人的稳定性，最小化整个机器人的运动滑行。本发明专利技术不仅考虑了机器人的稳定性，同时也考虑了机器人运动中的驱动牵引特性，有效的改善了轮腿式机器人的运动特性。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及自动化领域，特别涉及。
技术介绍
轮腿式机器人具有较高机动性、一定的越障能力和环境适应能力，更由于其姿态 可控性可以满足稳定的视觉系统、操作臂准确作业等的作业需求，使其得到广泛的应用，特 别是面临着复杂、未知、多变的非结构环境，具有良好的机动性、环境适应性和运动灵活性。 所以被广泛应用于军事侦察、探测、攻击作业以及星球表面探索、救灾、消防等方面，已成为 机器人中的一种重要类型。对机器人来说，其运动能力是最基本、最重要的首要前提。以机器人能够具有较高 的运动能力和机动性并确保整个系统运动中的安全性为目标，通过对轮腿式机器人基本运 动控制问题中的稳定性、驱动牵引特性进行研究，实现其耦合优化控制，使得自主机器人的 总体性能可以通过最大程度的提高机构的运动特性能力来实现，并在一定程度上可以弥补 系统智能方面的不足。但是目前还没有一种耦合优化控制方法，能够使机器人在运动过程 中尽量保持机器人车体始终处于水平稳定的姿态，而且使机器人在运动过程中尽量减小滑 行，提高运动能力，以便有效完成作业任务。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了，能够尽量保持 机器人车体始终处于水平稳定的姿态，而且使机器人在运动过程中尽量减小滑行，提高运 动能力。该轮腿式机器人的耦合优化控制方法，包括首先定义轮腿式机器人坐标系R = (G，X，Y，Z)和轮地接触点的局部坐标系Ri = (Pi, Ui, Vi, Wi) ；G为机器人重心，X、Y轴的方向分别与机器人车体的长度和宽度方向一致，Z 轴垂直向上A是轮腿i的车轮与地面的接触点，i取1到η之间的整数，η为轮腿式机器 人的轮腿数量A是垂直与接触平面切线方向的法向方向杣是第i个轮腿的车轮的切线 方向A = WiXUi, Wi, Ui和Vi满足右手法则；接触点Pi的接触力向量为fi;沿局部坐标系 Ri的三个坐标轴方向对接触力向量A进行分解得到fi = (fui，fvi，fwi) ； α i为第i个轮腿 摆臂的关节角变量，定义为从摆臂旋转中心沿摆臂长度方向与X轴正向的夹角，并且逆时 针方向为正；顺次连接连每两个相邻接触点构成各条倾覆轴线，连接重心G到各倾覆轴线中点 构成各单位向量Ii ;fr代表轮腿式机器人上的合外力，单位向量Ii与合外力f；形成夹角 θ i，作为各个倾覆轴的稳定角度；θ i越大轮腿式机器人越稳定；定义稳定性函数代=min说,/ = 1,2,···, }，当代<0时机器人发生倾倒；滑行率公式兄二 ^fm +人’；耦合优化函数权利要求，其特征在于，该方法包括首先定义轮腿式机器人坐标系R＝(G，X，Y，Z)和轮地接触点的局部坐标系Ri＝(Pi，Ui，Vi，Wi)；G为机器人重心，X、Y轴的方向分别与轮腿式机器人的车体长度和宽度方向一致，Z轴垂直向上；Pi是轮腿i的车轮与地面的接触点，i取1到n之间的整数，n为轮腿式机器人的轮腿数量；Wi是垂直与接触平面切线方向的法向方向；Ui是第i个轮腿的车轮的切线方向；Vi＝Wi×Ui，Wi、Ui和Vi满足右手法则；接触点Pi的接触力向量为fi，沿局部坐标系Ri的三个坐标轴方向对接触力向量fi进行分解得到fi＝(fui，fvi，fwi)；αi为第i个轮腿摆臂的关节角变量，定义为从摆臂旋转中心沿摆臂长度方向与X轴正向的夹角，并且逆时针方向为正；顺次连接每两个相邻接触点构成各条倾覆轴线，连接重心G到各倾覆轴线中点构成各单位向量Ii；fr代表轮腿式机器人上的合外力，单位向量Ii与合外力fr形成夹角θi，作为各个倾覆轴的稳定角度；θi越大轮腿式机器人越稳定；定义稳定性函数当时机器人发生倾倒；滑行率公式耦合优化函数其中，Ks为稳定性加权系数，Kf为牵引特性加权系数；Ks+Kf＝1；在进行耦合优化控制时，先获取轮腿式机器人上各个倾覆轴的稳定角度θi，将各θi代入所述稳定性函数进行稳定性判断，当时，进行稳定性控制，当时，进行驱动牵引特性控制；所述稳定性控制包括根据轮腿式机器人的姿态信息进行逆运动学求解得到各轮腿的当前关节角，并与预设的稳定状态下各轮腿的关节角进行比较，根据差值对各轮腿的关节角进行控制，使各轮腿的关节角向稳定状态变化，直到φs≥0；所述轮腿的关节角为从该轮腿的摆臂旋转中心沿摆臂长度方向与X轴正向的夹角，并且逆时针方向为正；所述驱动牵引特性控制包括根据所述滑行率公式计算各接触点Pi的滑行率Si，并从中找出滑行率最大值Simax对应的接触点Pimax，将Pimax处的轮腿关节作为被控轮腿，通过调节被控轮腿的关节角使得Pimax处的耦合优化函数值Φ最小。FSA00000298475600011.tif,FSA00000298475600012.tif,FSA00000298475600013.tif,FSA00000298475600014.tif,FSA00000298475600015.tif,FSA00000298475600016.tif2.如权利要求1所述的轮腿式机器人的耦合优化控制，其特征在于，该方法进一步包 括预先设置对应关系表，用于存储轮腿式机器人的不同车体姿态信息对应的KdPKf ；在耦 合优化控制过程中，轮腿式机器人定期利用感知系统获取车体姿态信息，根据获取的车体 姿态信息查找对应关系表，得到Ks和Kf，作为当前使用的加权系数代入所述耦合优化函数。3.如权利要求1所述的轮腿式机器人的耦合优化控制，其特征在于，所述对应关系表 的设置规则包括当车体姿态中的横滚角和俯仰角均小于预设角度下限时，令Ks小于一预 设小值但不能为0，当横滚角和俯仰角之一大于预设角度上限时，令Kf = 0。4.如权利要求3所述的轮腿式机器人的耦合优化控制，其特征在于，当Kf= 0时，在进 行耦合优化控制时，只进行稳定性控制。全文摘要本专利技术公开了，属于自动化领域。定义轮腿式机器人的稳定性函数定义为θi为倾覆轴的稳定角度，当时机器人发生倾倒；轮腿式机器人的牵引力函数以滑行率Si表示为为提高牵引力就是要使所有Si中的最大值取得极小。本专利技术综合了稳定性和牵引力，取二者的加权均方根之和作为耦合优化标准函数。控制该优化标准函数使其达到最小，从而保证θi的最大化和Si的最小化，也就是最大化机器人的稳定性，最小化整个机器人的运动滑行。本专利技术不仅考虑了机器人的稳定性，同时也考虑了机器人运动中的驱动牵引特性，有效的改善了轮腿式机器人的运动特性。文档编号B25J5/00GK101982809SQ20101050335公开日2011年3月2日 申请日期2010年9月30日 优先权日2010年9月30日专利技术者于华涛, 段星光, 王兴涛, 赵洪华, 黄强 申请人:北京理工大学本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种轮腿式机器人的耦合优化控制方法，其特征在于，该方法包括：首先定义轮腿式机器人坐标系Ｒ＝（Ｇ，Ｘ，Ｙ，Ｚ）和轮地接触点的局部坐标系Ｒ↓［ｉ］＝（Ｐ↓［ｉ］，Ｕ↓［ｉ］，Ｖ↓［ｉ］，Ｗ↓［ｉ］）；Ｇ为机器人重心，Ｘ、Ｙ轴的方向分别与轮腿式机器人的车体长度和宽度方向一致，Ｚ轴垂直向上；Ｐ↓［ｉ］是轮腿ｉ的车轮与地面的接触点，ｉ取１到ｎ之间的整数，ｎ为轮腿式机器人的轮腿数量；Ｗ↓［ｉ］是垂直与接触平面切线方向的法向方向；Ｕ↓［ｉ］是第ｉ个轮腿的车轮的切线方向；Ｖ↓［ｉ］＝Ｗ↓［ｉ］×Ｕ↓［ｉ］，Ｗ↓［ｉ］、Ｕ↓［ｉ］和Ｖ↓［ｉ］满足右手法则；接触点Ｐ↓［ｉ］的接触力向量为ｆ↓［ｉ］，沿局部坐标系Ｒ↓［ｉ］的三个坐标轴方向对接触力向量ｆ↓［ｉ］进行分解得到ｆ↓［ｉ］＝（ｆ↓［ｕｉ］，ｆ↓［ｖｉ］，ｆ↓［ｗｉ］）；α↓［ｉ］为第ｉ个轮腿摆臂的关节角变量，定义为从摆臂旋转中心沿摆臂长度方向与Ｘ轴正向的夹角，并且逆时针方向为正；顺次连接每两个相邻接触点构成各条倾覆轴线，连接重心Ｇ到各倾覆轴线中点构成各单位向量Ｉ↓［ｉ］；ｆ↓［ｒ］代表轮腿式机器人上的合外力，单位向量Ｉ↓［ｉ］与合外力ｆ↓［ｒ］形成夹角θ↓［ｉ］，作为各个倾覆轴的稳定角度；θ↓［ｉ］越大轮腿式机器人越稳定；定义：稳定性函数φ↓［ｓ］＝ｍｉｎ｛θ↓［ｉ］，ｉ＝１，２，…，ｎ｝，当φ↓［ｓ］≤０时机器人发生倾倒；滑行率公式Ｓ↓［ｉ］＝＊＊＊／ｆ↓［ｗｉ］；耦合优化函数＊＊＊；其中，Ｋ↓［ｓ］为稳定性加权系数，Ｋ↓［ｆ］为牵引特性加权系数；Ｋ↓［ｓ］＋Ｋ↓［ｆ］＝１；在进行耦合优化控制时，先获取轮腿式机器人上各个倾覆轴的稳定角度θ↓［ｉ］，将各θ↓［ｉ］代入所述稳定性函数进行稳定性判断，当φ↓［ｓ］≤０时，进行稳定性控制，当φ↓［ｓ］＞０时，进行驱动牵引特性控制；所述稳定性控制包括：根据轮腿式机器人的姿态信息进行逆运动学求解得到各轮腿的当前关节角，并与预设的稳定状态下各轮腿的关节角进行比较，根据差值对各轮腿的关节角进行控制，使各轮腿的关节角向稳定状态变化，直到φ↓［ｓ］≥０；所述轮腿的关节角为：从该轮腿的摆臂旋转中心沿摆臂长度方向与Ｘ轴正向的夹角，并且逆时针方向为正；所述驱动牵引特性控制包括：根据所述滑行率公式计算各接触点Ｐ↓［ｉ］的滑行率Ｓ↓［ｉ］，并从中找出滑行率最大值Ｓ↓［ｉｍａｘ］对应的接触点Ｐ↓［ｉｍａｘ］，将Ｐ↓［ｉｍａｘ］处的轮腿关节作为被控轮腿，通...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：段星光，赵洪华，黄强，王兴涛，于华涛，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：11[]
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