一种四轮足机器人、四轮足机器人运动控制方法及系统技术方案

本发明专利技术提出一种四轮足机器人、四轮足机器人运动控制方法及系统，涉及机器人控制技术领域。其中运动控制方法包括轮式运动控制方法，包括轮式运动控制方法：对四轮足机器人进行正运动学建模、逆运动学解算，得到四轮足机器人的期望轮腿/身体的位置信息；对四轮足机器人的质心高度控制；获取期望速度，基于期望速度控制四轮足机器人的轮毂电机，由轮毂电机驱动四轮足机器人的轮毂进行旋转，实现对四轮足机器人的运动控制；四轮足机器人为在四足式机器人腿部末端各加一个驱动轮构成。本发明专利技术能够更好的解决运动速度缓慢的问题,具有较高的运动速度；面对复杂多变的场景能够更好的适应崎岖、泥泞等非结构化环境，兼具地形适应性和快速性。速性。速性。

【技术实现步骤摘要】
一种四轮足机器人、四轮足机器人运动控制方法及系统


[0001]本专利技术属于机器人自动控制
，尤其涉及一种四轮足机器人、四轮足机器人运动控制方法及系统。

技术介绍

[0002]本部分的陈述仅仅是提供了与本专利技术相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。
[0003]近年来,随着机器人应用技术的不断发展,各种形式的机器人应运而生,并逐渐融入到人类社会中,扮演着重要的角色。四足机器人作为一个重要的研究课题,近年来受到各界学者关注。四足机器人按结构可分为足式、轮式，足式机器人对环境要求不高,能够适应复杂地形,但是运动速度缓慢,轮式机器人可具有较高的运动速度,但是在环境适应性方面不足。
[0004]而轮足混合式机器人摒弃上述两者缺点,综合各自优点,成为机器人研究领域的热点方向。然而，专利技术人发现，现有技术中的轮足混合式机器人的轮子往往设置为可以折叠悬挂，在需要使用时，将轮子放下与地面接触，在不需要使用时，则将轮子收起，导致整体结构和控制方式复杂、繁琐。
[0005]例如，申请号为202110394384X、名称为：一种双腿轮复合机器人全方位运动控制方法的中国专利技术专利中，具体公开了一种双腿轮复合机器人，其“以机器人躯干的位姿为任务空间，将两腿轮作为主动悬挂，隔离了地面不平坦对躯干位姿的影响，从而实现躯干多维位姿的主动控制”。

技术实现思路

[0006]为克服上述现有技术的不足，本专利技术提供了一种四轮足机器人、四轮足机器人运动控制方法及系统，与现有的足式机器人相比，能够更好的解决运动速度缓慢的问题,具有较高的运动速度；面对复杂多变的场景时,能够更好的适应崎岖、泥泞等非结构化环境，兼具地形适应性和快速性。
[0007]为实现上述目的，本专利技术的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
[0008]本专利技术第一方面提供了一种四轮足机器人。
[0009]一种四轮足机器人，包括控制器和四足式机器人，所述四足式机器人包括四足式机器人本体以及设置于四足式机器人本体上的四个机器人腿部，每一所述机器人腿部末端均设置有一驱动轮，所述驱动轮由电机驱动，所述电机设置于机器人腿部；
[0010]所述控制器用于对机器人腿部进行位置控制和力控制，和/或通过电机对驱动轮进行驱动控制。
[0011]本专利技术第二方面提供了一种四轮足机器人运动控制方法。
[0012]一种四轮足机器人运动控制方法，包括轮式运动控制方法，所述轮式运动控制方法包括：
[0013]对四轮足机器人进行正运动学建模、并进行逆运动学解算，得到四轮足机器人的期望轮腿/身体的位置信息；
[0014]基于期望轮腿/身体的位置信息，实现腿部期望运动，进而实现对四轮足机器人的质心高度控制；
[0015]获取期望速度，基于期望速度控制四轮足机器人的轮毂电机，由轮毂电机驱动四轮足机器人的轮毂进行旋转，实现对四轮足机器人的运动控制；
[0016]其中，四轮足机器人为在四足式机器人腿部末端各加一个驱动轮构成。
[0017]优选的，对四轮足机器人进行正运动学建模，具体包括：
[0018]定义四轮足机器人躯干相对于大地坐标系的旋转矩阵、躯干相对于大地坐标系的旋转变换矩阵及其逆矩阵；
[0019]以四轮足机器人的其中一条腿为运动腿、其余三条为支撑腿，选取三条支撑腿中一条的末端为基点，相对于大地坐标系和躯干坐标系分别建立平面坐标系；
[0020]求解相对于大地坐标系的平面坐标系和相对于躯干坐标系的平面坐标系；
[0021]基于求解出的相对于大地坐标系的平面坐标系与相对于躯干坐标系的平面坐标系的逆的乘积，得到躯干相对于大地坐标系的旋转变换矩阵，进而得到躯干在大地坐标系中的位置和姿态。
[0022]优选的，对四轮足机器人进行逆运动学解算，具体为：
[0023]求取躯干相对于大地坐标系的旋转变换矩阵的逆，基于求解出的相对于大地坐标系的平面坐标系，得到腿末端在躯干坐标系中的位置，进而得到支撑关节角度。
[0024]优选的，还包括足式运动控制方法，所述足式运动控制方法包括：
[0025]建立四轮足机器人DH坐标系、DH参数，使用雅克比矩阵表达足端末端和关节角之间的速度关系，得到单腿雅克比矩阵，基于单腿雅可比矩阵得到期望足端接触力；
[0026]同时对四轮足机器人进行正运动学建模、并进行逆运动学解算，得到轮腿/身体的位置信息；
[0027]基于期望足端接触力和轮腿/身体的位置信息，实现对四轮足机器人的运动控制。
[0028]优选的，建立四轮足机器人DH坐标系，将连杆参数a
i
‑1、α
i
‑1、d
i
、θ
i
作为DH参数，其中，a
i
‑1表示关节轴i
‑
1和关节轴i之间的连杆长度，α
i
‑1表示关节轴i
‑
1和关节轴i之间的扭转角，d
i
表示关节轴i的连杆偏距，θ
i
表示关节轴i的关节角。
[0029]优选的，根据四轮足机器人的连杆参数和坐标系i
‑
1到坐标系i的旋转变换矩阵通式，得到各连杆间的旋转变换矩阵；
[0030]基于各连杆间的旋转变换矩阵，得到机器人单腿末端相对0坐标系的旋转变换矩阵；
[0031]推导单腿0坐标系相对于躯干坐标系的旋转变换矩阵，并基于机器人单腿末端相对0坐标系的旋转变换矩阵，得到单腿末端相对于躯干坐标系的旋转变换矩阵；
[0032]基于单腿末端相对于躯干坐标系的旋转变换矩阵，得到在躯干坐标系下单腿的末端坐标；
[0033]使用雅克比矩阵表达足端末端和关节角之间的速度关系，对躯干坐标系下单腿的末端坐标求导，得到单腿雅克比矩阵。
[0034]优选的，还包括轮足复合运动控制方法，所述轮足复合运动控制方法是在足式运
动控制方法的基础之上，获取期望速度，基于期望速度控制四轮足机器人的轮毂电机，由轮毂电机驱动四轮足机器人的轮毂进行旋转。
[0035]本专利技术第三方面提供了一种四轮足机器人运动控制系统。
[0036]一种四轮足机器人运动控制系统，包括：
[0037]位置信息获取模块，被配置为：对四轮足机器人进行正运动学建模、并进行逆运动学解算，得到四轮足机器人的期望轮腿/身体的位置信息；
[0038]质心高度控制模块，被配置为：基于期望轮腿/身体的位置信息，实现对四轮足机器人的质心高度控制；
[0039]运动控制模块，被配置为：获取期望速度，基于期望速度控制四轮足机器人的轮毂电机，由轮毂电机驱动四轮足机器人的轮毂进行旋转，实现对四轮足机器人的运动控制；
[0040]其中，四轮足机器人为在四足式机器人腿部末端各加一个驱动轮构成。
[0041]本专利技术第四方面提供了计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本专利技术第一方面所述的四轮足机器人本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种四轮足机器人，其特征在于，包括控制器和四足式机器人，所述四足式机器人包括四足式机器人本体以及设置于四足式机器人本体上的四个机器人腿部，每一所述机器人腿部末端均设置有一驱动轮，所述驱动轮由电机驱动，所述电机设置于机器人腿部；所述控制器用于对机器人腿部进行位置控制和力控制，和/或通过电机对驱动轮进行驱动控制。2.一种应用于权利要求1所述四轮足机器人的运动控制方法，其特征在于，包括轮式运动控制方法，所述轮式运动控制方法包括：对四轮足机器人进行正运动学建模、并进行逆运动学解算，得到四轮足机器人的期望轮腿/身体的位置信息；基于期望轮腿/身体的位置信息，实现对四轮足机器人的质心高度控制；获取期望速度，基于期望速度控制四轮足机器人的轮毂电机，由轮毂电机驱动四轮足机器人的轮毂进行旋转，实现对四轮足机器人的运动控制；其中，四轮足机器人为在四足式机器人腿部末端各加一个驱动轮构成。3.如权利要求2所述的四轮足机器人运动控制方法，其特征在于，对四轮足机器人进行正运动学建模，具体包括：定义四轮足机器人躯干相对于大地坐标系的旋转矩阵、躯干相对于大地坐标系的旋转变换矩阵及其逆矩阵；以四轮足机器人的其中一条腿为运动腿、其余三条为支撑腿，选取三条支撑腿中一条的末端为基点，相对于大地坐标系和躯干坐标系分别建立平面坐标系；求解相对于大地坐标系的平面坐标系和相对于躯干坐标系的平面坐标系；基于求解出的相对于大地坐标系的平面坐标系与相对于躯干坐标系的平面坐标系的逆的乘积，得到躯干相对于大地坐标系的旋转变换矩阵，进而得到躯干在大地坐标系中的位置和姿态。4.如权利要求3所述的四轮足机器人运动控制方法，其特征在于，对四轮足机器人进行逆运动学解算，具体为：求取躯干相对于大地坐标系的旋转变换矩阵的逆，基于求解出的相对于大地坐标系的平面坐标系，得到腿末端在躯干坐标系中的位置，进而得到支撑关节角度。5.如权利要求4所述的四轮足机器人运动控制方法，其特征在于，还包括足式运动控制方法，所述足式运动控制方法包括：建立四轮足机器人DH坐标系、DH参数，使用雅克比矩阵表达足端末端和关节角之间的速度关系，得到单腿雅克比矩阵，基于单腿雅可比矩阵得到期望足端接触力；同时对四轮足机器人进行正运动学建模、并进行逆运动学解算，得到轮腿/身体的位置信息；基于期望足端接触力和轮腿/身体的位置信息，实现对四轮足机器人的运动控制。6.如权利要求5所述的四轮足机器人运动控制方法，其特征在于，建立四轮足机器人DH坐标系，将连杆参数a
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【专利技术属性】
技术研发人员：柴汇，张国璇，侯晋冕，付鹏，文建昌，王明辉，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：