多信息反馈的电动并联轮足机器人行走控制方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了一种多信息反馈的电动并联轮足机器人足式稳定行走控制方法和系统，该系统包括：上层控制系统、中层控制系统和底层控制系统；所述上层控制系统包括决策模块；所述中层控制系统包括姿态调整控制器、触地检测器、足力分配控制器、重心高度控制器、足端轨迹规划器、减法器和加法器；所述底层控制系统包括足端力和位置解算模块、各轮腿的轮腿控制器、各轮腿的电动缸控制器、安装在轮腿机器人上的机身姿态传感器和安装在轮腿电动缸末端的力和位置传感器。使用本发明专利技术能够提升机器人在崎岖地形下足式行走的稳定性，解决并联结构机器人腿的活动空间较小问题，避免腿的伸长量出现越走越短或者越走越长的现象。

【技术实现步骤摘要】
多信息反馈的电动并联轮足机器人行走控制方法和系统
本专利技术属于机器人运动驱动与控制
，具体涉及一种基于多信息反馈的电动并联轮足机器人足式稳定行走控制方法和系统。
技术介绍
移动机器人具有运动速度快、效率高，能够广泛运用在物资运输、抢险救援等领域，但是在崎岖地形下对机器人适应能力提高了要求，容易出现重心失稳、姿态倾斜、以及腿部执行电动缸活动空间不足等现象。当机器人行走在崎岖地形时，机身随着地形的起伏产生姿态倾斜，且机身重心偏离支撑多边形，容易造成机器人失稳使得平台上的物资掉落。此外，崎岖地形下，最大化并联结构机器人腿部的执行电动缸活动空间是决定机器人能否更好地适应复杂地形的关键因素。目前，移动机器人在崎岖地形下足式稳定行走主要是集中在柔顺控制和姿态控制。柔顺控制主要是通过安装在足端多维力传感器采集力信号，并与期望的足端力进行做差，将力的偏差输入阻抗控制器得到足端位置的变化量，从而实现柔顺触地的效果。然而，安装在足端多维力传感器容易受到较大的冲击力，力信息采集数据不稳定且系统的可靠性较差。姿态控制方面，很多学者将期望姿态角视为机身水平状态，即期望姿态角保持在零度，这样的好处在于机器人行走复杂地形下机身始终保持水平状态；然而，并没有考虑在一定斜坡地形行走下，如果机身继续保持水平状态，此时机器人腿的运动空间将会受限，尤其是对于并联式结构的机器人该问题更是凸显。因此，对于并联式结构腿的机器人，在姿态控制方面，既要保证机身平稳运动，又要提高腿的活动空间。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种多信息反馈的电动并联轮足机器人足式稳定行走控制方法和系统，能够提升机器人在崎岖地形下足式行走的稳定性。为了解决上述技术问题，本专利技术是这样实现的。一种多信息反馈的电动并联轮足机器人足式稳定行走控制方法，包括：根据外界地形信息确定轮足机器人的机身期望姿态角(αd,βd)、各轮腿的期望重心高度以及步态参数；根据期望姿态角(αd,βd)和机身实际姿态角(α,β)进行姿态调整解耦控制，以跟随机身期望姿态为目标，产生各支撑相腿i在轮腿坐标系Z方向的伸缩量△piz；利用轮腿的电动缸末端安装的力和位置传感器获得检测值，通过轮足机器人运动学和动力学逆解计算，求解出各轮腿实际的足端接触力Fiz和足端Z方向位置piz；摆动相腿触地转换为支撑相腿i后，以轮足机器人重心处于支撑多边形内为目标，根据支撑相腿的足端接触力Fiz进行足力分配，产生可以消除足端外力及外力矩的重心水平位置调整量(△pix,△piy)；根据期望重心高度与实际的足端Z方向位置piz之差，以支撑相腿维持期望重心高度为目标，产生重心高度调整量根据所述步态参数进行足端轨迹规划，产生各轮腿的足端位姿输入支撑相腿和摆动相腿的轮腿控制器；将支撑相腿i的伸缩量△piz与重心高度调整量之和作为重心高度位置调整量，连同所述重心水平位置调整量(△pix,△piy)一起输入支撑相腿i的轮腿控制器，用于对足端位姿进行调整，进而进行运动学逆解至电动缸，使得支撑相腿维持在期望重心高度运动；摆动相腿的轮腿控制器根据所述足端位姿解算出电动缸控制量，实现摆动相腿的控制。优选地，对于采用Steward平台实现的电动并联式六轮足机器人来说，所述△piz的获取方式为：△pβ＝l·sin(|β-βd|)/2如果第1、3、5号轮腿处于支撑相时：当α>αd且β>βd，△p1z＝-△pα/2-△pβ/2,△p3z＝△pβ/2,△p5z＝△pα/2-△pβ/2当α>αd且β<βd，△p1z＝-△pα/2-△pβ/2,△p3z＝Δpβ/2,△p5z＝△pα/2+△pβ/2当α<αd且β>βd，△p1z＝△pα/2-△pβ/2,△p3z＝Δpβ/2,△p5z＝△pβ/2-△pα/2当α<αd且β<βd，△p1z＝△pα/2+△pβ/2,△p3z＝-△pβ/2,△p5z＝△pβ/2-△pα/2如果第2、4、6号轮腿处于支撑相时：当α>αd且β>βd，△p2z＝-△pα/2+△pβ/2,△p4z＝△pα/2+△pβ/2,△p6z＝-△pβ/2当α>αd且β<βd，△p2z＝-△pα/2-△pβ/2,△p4z＝△pα/2-△pβ/2,△p6z＝Δpβ/2当α<αd且β>βd，Δp2z＝Δpα/2+Δpβ/2,Δp4z＝Δpβ/2-Δpα/2,Δp6z＝-Δpβ/2当α<αd且β<βd，Δp2z＝Δpα/2-Δpβ/2,Δp4z＝-Δpα/2-Δpβ/2,Δp6z＝Δpβ/2其中，l为轮腿机器人右前腿和右后腿距离。优选地，所述重心高度调整量的获取方式为：将各个支撑相腿的期望重心高度与实际的足端Z方向位置piz之差求平均即为所述重心高度调整量优选地，各轮腿的期望重心高度相同。本专利技术提供了一种多信息反馈的电动并联轮足机器人足式稳定行走控制系统，该系统包括：上层控制系统、中层控制系统和底层控制系统；所述上层控制系统包括决策模块；所述中层控制系统包括姿态调整控制器、触地检测器、足力分配控制器、重心高度控制器、足端轨迹规划器、减法器和加法器；所述底层控制系统包括足端力和位置解算模块、各轮腿的轮腿控制器、各轮腿的电动缸控制器、安装在轮腿机器人上的机身姿态传感器和安装在轮腿电动缸末端的力和位置传感器；所述决策模块，用于根据外界地形确定轮足机器人的机身期望姿态角(αd,βd)、各轮腿的期望重心高度以及步态参数；将机身期望姿态角(αd,βd)发送给所述姿态调整控制器，将期望重心高度发送给减法器，将步态参数发送给足端轨迹规划器；所述姿态调整控制器，用于根据所述机身期望姿态角(αd,βd)和所述机身姿态传感器获取的机身实际姿态角(α,β)进行姿态调整解耦，以跟随机身期望姿态为目标，产生每个支撑相腿i在轮腿坐标系Z方向的伸缩量Δpiz，发送给加法器；所述足端力和位置解算模块，用于利用所述力和位置传感器的检测值，通过轮足机器人运动学和动力学逆解计算，对各轮腿的实际的足端接触力Fiz和足端Z方向位置piz进行解算；所述触地检测器，用于在判定摆动相腿触地转换为支撑相腿i后，将支撑相腿i实际的足端接触力Fiz足端接触力Fiz发送给足力分配控制器，将支撑相腿i的足端Z方向位置piz发送给减法器；所述足力分配控制器，用于以轮足机器人重心处于支撑多边形内为目标，根据支撑相腿的足端接触力Fiz进行足力分配，产生可以消除足端外力及外力矩的重心水平位置调整量(Δpix,Δpiy)，发送给相应支撑相的轮腿控制器；所述减法器求取的结果，发送给重心高度控制器；所述重心高度控制器，用于以支撑相腿维持期望重心高度为目标，根据产生重心高度调整量发送给所述加法器；所述加法器将发送给相应支撑相的轮腿控制器，作为重心高度位置调整量；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多信息反馈的电动并联轮足机器人足式稳定行走控制方法，其特征在于，包括：/n根据外界地形信息确定轮足机器人的机身期望姿态角(α

【技术特征摘要】
1.一种多信息反馈的电动并联轮足机器人足式稳定行走控制方法，其特征在于，包括：
根据外界地形信息确定轮足机器人的机身期望姿态角(αd,βd)、各轮腿的期望重心高度以及步态参数；
根据期望姿态角(αd,βd)和机身实际姿态角(α,β)进行姿态调整解耦控制，以跟随机身期望姿态为目标，产生各支撑相腿i在轮腿坐标系Z方向的伸缩量Δpiz；
利用轮腿的电动缸末端安装的力和位置传感器获得检测值，通过轮足机器人运动学和动力学逆解计算，求解出各轮腿实际的足端接触力Fiz和足端Z方向位置piz；
摆动相腿触地转换为支撑相腿i后，以轮足机器人重心处于支撑多边形内为目标，根据支撑相腿的足端接触力Fiz进行足力分配，产生可以消除足端外力及外力矩的重心水平位置调整量(△pix,△piy)；
根据期望重心高度与实际的足端Z方向位置piz之差，以支撑相腿维持期望重心高度为目标，产生重心高度调整量
根据所述步态参数进行足端轨迹规划，产生各轮腿的足端位姿输入支撑相腿和摆动相腿的轮腿控制器；
将支撑相腿i的伸缩量△piz与重心高度调整量之和作为重心高度位置调整量，连同所述重心水平位置调整量(△pix,△piy)一起输入支撑相腿i的轮腿控制器，用于对足端位姿进行调整，进而进行运动学逆解至电动缸，使得支撑相腿维持在期望重心高度运动；摆动相腿的轮腿控制器根据所述足端位姿解算出电动缸控制量，实现摆动相腿的控制。


2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对于采用Steward平台实现的电动并联式六轮足机器人来说，所述△piz的获取方式为：



△pβ＝l·sin(|β-βd|)/2
如果第1、3、5号轮腿处于支撑相时：
当α>αd且β>βd，△p1z＝-△pα/2-△pβ/2,△p3z＝△pβ/2,△p5z＝△pα/2-△pβ/2
当α>αd且β<βd，△p1z＝-△pα/2-△pβ/2,△p3z＝△pβ/2,△p5z＝△pα/2+△pβ/2
当α<αd且β>βd，△p1z＝△pα/2-△pβ/2,△p3z＝△pβ/2,△p5z＝△pβ/2-△pα/2
当α<αd且β<βd，△p1z＝△pα/2+△pβ/2,△p3z＝-△pβ/2,△p5z＝△pβ/2-△pα/2
如果第2、4、6号轮腿处于支撑相时：
当α>αd且β>βd，△p2z＝-△pα/2+△pβ/2,△p4z＝△pα/2+△pβ/2,△p6z＝-△pβ/2
当α>αd且β<βd，△p2z＝-△pα/2-△pβ/2,△p4z＝△pα/2-△pβ/2,△p6z＝△pβ/2
当α<αd且β>βd，△p2z＝△pα/2+△pβ/2,△p4z＝△pβ/2-△pα/2,△p6z＝-△pβ/2
当α<αd且β<βd，△p2z＝△pα/2-△pβ/2,△p4z＝-Δpα/2-Δpβ/2,Δp6z＝Δpβ/2
其中，l为轮腿机器人右前腿和右后腿距离。


3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述重心高度调整量的获取方式为：将各个支撑相腿的期望重心高度与实际的足端Z方向位置piz之差求平均即为所述重心高度调整量


4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，各轮腿的期望重心高度相同。


5.一种多信息反馈的电动并联轮足机器人足式稳定行走控制系统，其特征在于，该系统包括：上层控制系统、中层控制系统和底层控制系统；所述上层控制系统包括决策模块；所述中层控制系统包括姿态调整控制器、触地检测器、足力分配控制器、重心高度控制器、足端轨迹规划器、减法器和加法器；所述底层控制系统包括足端力和位置解算模块、各轮腿的轮腿控制器、各轮腿的电动缸控制器、安装在轮腿机器人上的机身姿态传感器和安装在轮腿电动缸末端的力和位置传感器；
所述决策模块，用于根据外界地形确定轮足机器人的机身期望姿态角(αd,βd...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪首坤，陈志华，王军政，李杰浩，王若星，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11