申请/专利权人：中国北方车辆研究所

申请日：2022-02-11

公开（公告）日：2024-06-25

公开（公告）号：CN114578836B

主分类号：G05D1/49

分类号：G05D1/49;G05D109/12

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.25#授权;2022.06.21#实质审查的生效;2022.06.03#公开

摘要：本发明提出一种双轮足机器人跳跃控制方法，用于解决由于复杂建模方式所导致的双轮足机器人跳跃控制方式复杂的问题。本发明以虚拟腿为研究对象建立双轮足简化动力学模型，将其作为控制的模型基础，通过控制轮子的驱动力矩，实现机器人可变虚拟腿长度下的平衡控制；设计虚拟腿足的z方向运动轨迹，通过腿部逆运动学计算关系，由计算得到的虚拟腿足运动轨迹得到每个支撑腿的足运动轨迹，再计算每个关节的角度，进而通过控制关节角度实现弹跳控制；计算沿驱动轮前进方向的水平弹跳作用力补偿，用于平衡弹跳时由于驱动轮与地面的冲击产生的x方向的扰动，与平衡控制共同作用，实现双轮足机器人跳跃稳定控制，该方法简单易实现，且控制效果好。

主权项：1.一种双轮足机器人跳跃控制方法，用于控制双轮足机器人跳跃运动，所述的双轮足机器人包括机体、两条支撑腿、两个驱动轮，每条支撑腿连接一个驱动轮，每条支撑腿包含大腿和小腿，大腿和机体的连接部分成为髋部关节，大腿和小腿的连接部分称为膝关节，其特征在于：引入虚拟腿的概念，将两条腿化简为一条虚拟腿，简化后的模型中，两个驱动轮之间相互独立，虚拟腿与两个驱动轮连接，其中，虚拟腿长度等于每条支撑腿从髋部关节处到对应驱动轮中心的距离之和的一半，虚拟腿长度与两条支撑腿的髋部关节角度以及膝关节角度存在腿部运动学计算关系，两条支撑腿的髋部关节角度和膝关节角度通过实时测量得到；建立以虚拟腿为研究对象的双轮足简化动力学模型，作为控制的模型基础，并进行线性化、离散化处理；所述的控制包括三部分，平衡控制、跳跃控制，以及跳跃稳定控制，其中，通过控制轮子的驱动力矩，实现机器人可变虚拟腿长度下的平衡控制；设计虚拟腿足的z方向运动轨迹，通过腿部逆运动学计算关系，由计算得到的虚拟腿足运动轨迹得到每个支撑腿的足运动轨迹，再计算每个关节的角度，进而通过控制关节角度实现弹跳控制；计算沿驱动轮前进方向的水平弹跳作用力补偿，用于平衡弹跳时由于驱动轮与地面的冲击产生的x方向的扰动，与平衡控制共同作用，实现双轮足机器人跳跃稳定控制，其中，所述的z方向运动轨迹分为地面阶段和空中阶段，其中，地面阶段分为下压缓冲阶段和起跳缓冲阶段，空中阶段用于在弹跳过程中有效跨越障碍物，分为空中抬腿阶段和空中落腿阶段；双轮足简化动力学模型含有机器人虚拟腿姿态角度、虚拟腿姿态角速度、机体偏航姿态角度、机体偏航姿态角速度、机体前向位移，以及机体前向线速度六个状态量，具体如下： 其中：p1＝[2m+MIyyr2+2IyyIw]+2Mml2r2+2Ml2Iwp2＝Ml2+IyyMr2+2mr2+2Iw-M2l2r2p3＝2d2rm+Iwr2+rIzz式中，x为机器人的前向位移，γ为机体的偏航角度，θ为虚拟腿在竖直方向的角度，M机体质量，l虚拟腿长度，g为重力加速度，r轮子半径，m轮子质量，Iw轮子沿转轴的转动惯量，Ixx为机体沿x轴的转动惯量，Iyy为机体沿y轴的转动惯量，Izz机体沿z轴的转动惯量，d轮子之间宽度，τl、τr分别为左右轮的主动驱动力矩，A、B、C、X、y、U分别对应所在公式中对应的矩阵；双轮足简化动力学离散化模型如下： 式中，Δt为离散时间，Ad、Bd、Xk、Uk分别公式中对应的矩阵；所述的平衡控制包括以下步骤，步骤1：求解当前时刻的状态反馈矩阵：通过状态反馈矩阵离线计算，获取离散虚拟腿长度下的状态反馈矩阵Kd，进而利用离散的虚拟腿长度和对应的Kd，通过5次多项式插值，拟合状态反馈矩阵K，最终根据当前时刻可变虚拟腿长度得到当前时刻的状态反馈矩阵，所述的拟合得到的状态反馈矩阵K用于适应可变虚拟腿各种长度下的状态反馈控制；所述的状态反馈矩阵离线计算，采用黎卡夫Riccati方程求解，具体方程如下： 式中，正定矩阵P由以下方程得到， 式中，Q为半正定实对称矩阵，R为正定实对称矩阵，Ad和Bd矩阵的元素包含虚拟腿长度；步骤2：根据双轮足机器人的离散模型，采用卡尔曼滤波器估计当前时刻的系统状态所述的系统状态观测模型如下： 其中， 式中，为上一个离散时间的系统状态，为新的系统状态，为当前时间估计的系统状态，Pk-1为上一个离散时间的协方差矩阵，为新的协方差矩阵，Pk为当前的协方差矩阵，y为系统输出，Uk-1为上一个离散时间的控制输入，Ad、Bd从双轮足简化动力学离散化模型中获取，C矩阵从系统输出方程中获取；步骤3：融合步骤1的状态反馈矩阵K和步骤2的系统状态建立期望状态Xd与估计的当前时刻系统状态之间的状态误差反馈控制模型，得到当前时刻轮子的驱动力矩Uk，实现可变虚拟腿长度下的平衡控制；其中，所述的状态误差反馈控制模型如下： 式中，Xd为期望状态，为设定值。

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权利要求：

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