[发明专利]一种轮腿式机器人的耦合优化控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及自动化领域，特别涉及一种轮腿式机器人的耦合优化控制方法。

背景技术

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。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种轮腿式机器人的耦合优化控制方法，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轴的方向分别与机器人车体的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：稳定性函数当时机器人发生倾倒；

滑行率公式

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，通过调节被控轮腿的关节角使得P_imax处的耦合优化函数值最小。