[发明专利]一种可协同调控多足机器人的单腿操作和机体平移的遥操作系统及控制方法

说明书

一种可协同调控多足机器人的单腿操作和机体平移的遥操作系统及控制方法，涉及多足机器人在面对障碍环境时，一种可维持机体稳定裕度且最大限度提升机器人环境交互能力的遥操作方式。本发明所述多足机器人的遥操作系统提出了可协同控制单腿操作和机体平移的遥操作方案，建立耦合作用下的整机运动学模型及可操作腿的动力学模型，设计机体层和单腿层的遥操作子系统，采用多自由度耦合的绝对稳定性准则对机体层控制律参数进行求解，基于非线性力观测器以及自适应鲁棒控制器对单腿层控制架构进行改进。所提出控制方法能够保证多足机器人在障碍环境下产生稳定的遥操作系统，满足跟踪精度的同时兼具良好的力透明度。本发明适用于多足机器人的遥操作领域。

技术领域

本发明属于足式机器人遥操作技术领域，具体涉及一种针对障碍环境下提升多足机器人遥操作系统可控性及适应性的新方法。

背景技术

多足机器人因其自身多自由度冗余的构型特点，在应用于非结构环境中时，依靠摆动腿与支撑腿相继切换的行走方式以及多足支撑下的高稳定裕度，使其较其他类型机器人具有更强的环境适应性以及任务可操作性。然而，在复杂多变的工作场景下，由于多足机器人在行走过程中可能遇到局部地形突变、失稳动作恢复以及目标物体交互等实际情况，此时需要制定具有针对性的遥操作策略，以此来保证多足机器人遥操作系统可具备良好的可控性以及环境适应性。由此，可将障碍环境的工况条件作为背景，设计多足机器人多目标多维度的遥操作系统。

针对上述问题，以保证机体稳定裕度的前提下最大化提升多足机器人的可操作能力为目标，设计可协同调控多足机器人的单腿操作和机体平移的遥操作方案。其中主要解决了机体平移过程中多自由度耦合作用对于系统稳定跟踪的影响以及单腿操作时未知的模型参数、多变的接触状态和不可测量的操作力对系统跟踪精度及力透明度的影响。所设计多足机器人遥操作系统采用多主单从的遥操作模式，并将整个遥操作系统分解成两个子系统：机体层和单腿层，分别提出了两套控制架构及算法：机体层采取基于位置跟踪的控制架构，单腿层则采用了融合非线性力估计算法以及自适应鲁棒控制策略的4通道控制架构。另外，基于多自由度耦合系统的绝对稳定性准则对机体层遥操作子系统的控制律参数进行合理化设计，并运用李雅普诺夫函数确定单腿层控制器参数的自适应律。

发明内容

本发明是为了解决当多足机器人处于障碍环境(局部环境存在塌陷、障碍以及目标物体)时，常规多足机器人遥操作系统所存在的可控性及环境适应性不足的问题，为充分发挥多足机器人的运动潜力，克服复杂多变的环境约束对于多足机器人工作能力的影响，现提出一种可协同调控多足机器人的单腿操作和机体平移的遥操作系统及控制方法。

针对可协同调控多足机器人的单腿操作和机体平移的遥操作系统及控制方法，主要分为四部分：障碍环境下多足机器人遥操作方案的制定；障碍环境下多足机器人遥操作系统的建立；多足机器人机体层遥操作子系统建模，控制架构以及控制算法的设计；多足机器人单腿层遥操作子系统建模，控制架构以及控制算法的设计。

所述的一种可协同调控多足机器人的单腿操作和机体平移的遥操作系统及控制方法，具体包括以下步骤：

步骤1：根据多足机器人自身多自由度冗余的结构特点以及障碍环境下非结构接触条件的制约，为提升多足机器人遥操作系统的可控性以及适应性，设计基于机体平移与单腿操作协同调控的遥操作方案；

步骤2：根据步骤1所制定的遥操作方案，将多足机器人与环境交互过程中的从端系统看作是一个具有移动基座的可操作机械臂，以此构建障碍环境下多足机器遥操作系统的组成部分，具体包括：机体层遥操作子系统和单腿层遥操作子系统；

步骤3：根据步骤2所构建的遥操作系统，确定机体层遥操作子系统的控制架构，建立机体层遥操作子系统主从端的模型，在此基础上设计机体层遥操作子系统的控制算法，并通过多自由度耦合系统的绝对稳定性准则对控制律参数进行求解；