[发明专利]一种轮式双足机器人姿态控制方法

权利要求书

1.一种轮式双足机器人姿态控制方法，其特征在于，分别构造姿态控制器和平衡控制器；所述姿态控制器包括姿态解算和全身动力学补偿控制，姿态解算接收给定上身躯干的参考姿态矩阵R_ref、躯干相对轮轴的参考位置p_ref以及状态估计得到的机器人状态；姿态解算进行姿态解算后经全身动力学补偿控制单元得到姿态控制量τ_leg，即机器人腿部各关节驱动力矩，从而控制身体姿态；

所述平衡控制器接收给定轮式双足机器人移动的参考速度v_ref、状态估计得到的机器人质心相对轮轴的位置d_com以及质心相对世界坐标系的实际速度v_com，形成反馈控制率得到平衡调节控制量τ_wheel，即轮子的驱动力矩，从而调整机器人的运动平衡。

2.根据权利要求1所述的一种轮式双足机器人姿态控制方法，其特征在于，平衡控制器的构造方法为：

S1、将当前机器人状态下上身简化为质心刚体，底部为轮子刚体，两个刚体之间通过无质量的结构连接形成轮-倒立质心摆模型；

S2、设平衡控制器的优化变量ε，建立控制目标函数及优化的约束条件；

S3、在每个控制周期内，根据机器人状态得到轮-倒立质心摆状态，经过优化计算最终优化量ε中的力矩值，即平衡控制器的调节量τ_wheel。

3.根据权利要求2所述的一种轮式双足机器人姿态控制方法，其特征在于，轮-倒立质心摆模型的动力学方程表示为：

其中，ξ_WIP是轮-倒立质心摆模型的状态变量，分别是状态变量一阶微分和二阶微分，M(ξ_WIP)是由状态变量决定的系统惯量矩阵，是由状态变量及其一阶微分决定的科氏力、重力项矩阵，B是驱动力矩选择矩阵，J_wheel是轮子边缘与地面接触点相对世界坐标系的雅克比矩阵，(·)^T是矩阵中的转置运算，λ_ext是该接触点的外力。因此整个系统的输入为轮子的驱动力矩τ_wheel。

4.根据权利要求2所述的一种轮式双足机器人姿态控制方法，其特征在于，设平衡控制器的优化变量为目标函数表示为：

其中，w₁,w₂,w₃均是优化权重系数，β是距离调节增益系数，J_com是质心相对世界坐标系的雅克比矩阵而是其一阶微分，是轮子驱动力矩的上一次调节量。

5.根据权利要求2所述的一种轮式双足机器人姿态控制方法，其特征在于，平衡控制器的约束包括动力学方程约束、轮子驱动能力约束和接触点的摩擦锥约束。

6.根据权利要求5所述的一种轮式双足机器人姿态控制方法，其特征在于，动力学约束为：M(ξ_WIP)是由状态变量决定的系统惯量矩阵，是由状态变量及其一阶微分决定的科氏力、重力项矩阵，B是驱动力矩选择矩阵，J_wheel是轮子边缘与地面接触点相对世界坐标系的雅克比矩阵；

轮子驱动约束：τ_min和τ_max分别是电机输出的最小力矩值与最大力矩值；

接触点摩擦锥约束：其中μ为摩擦因数。

7.根据权利要求1所述的一种轮式双足机器人姿态控制方法，其特征在于，姿态控制器的构造方法为：

S1、设全身动力学模型的系统状态变量χ_WBD，使用拉格朗日动力学构建全身动力学方程；

S2、将上身的位置和姿态参考加速度输入PD控制器，由PD控制器输入的六个量和角加速度参考值组成因此得到全身动力学补偿控制器；是系统状态变量参考值的二阶微分；

S3、为了增加驱动关节的姿态控制精度，在前馈力矩基础上增加关节层的PD控制器得到最终的姿态控制器控制量τ_leg。