[发明专利]一种轮式双足机器人姿态控制方法

说明书

本发明公开了一种轮式双足机器人姿态控制方法，通过建立低维单轮‑倒立质心摆模型，优化控制质心与轮轴相对位置，从而实现轮式稳定与移动能力；建立双足机器人全身动力学模型，依据机器人参考位姿求解全身动力学补偿控制量和调节量，实现腿式高维非线性系统的位姿控制。该方法将轮式双足机器人姿态控制与平衡控制解耦，通过建立低维模型进而快速优化平衡控制量，通过高维模型精确控制机器人形态位姿，因此方法结合了快、准的优点，使轮式双足机器人控制更加方便快捷并具备稳定性。

技术领域

本发明属于双足机器人技术领域，尤其是一种轮式双足机器人姿态控制方法。

背景技术

双足机器人是具有人类外形、双腿等特征的智能机器人，也是人们对机器人形象设想的完美具体表现形式。它可以实现拟人的灵巧行走动作，对未知复杂环境的适应能力强，相较于专业机器人需要对环境进行改造的情况双足机器人基本不需要并同时代替人工劳动完成更加复杂工作任务等。轮子可以赋予机械更敏捷快速的移动能力，其运动速度远超腿足生物，是提升机器人速度的有效方式之一。因此轮式双足机器人不仅具备仿人机器人的灵巧拟人作业能力和环境适应性，还拥有轮式移动的快速性。而机器人具备多学科交叉融合的特点，需要机电、计算机、仿生等多领域技术支撑，多国都在大力研究中，而我国也将智能机器人发展作为规划目标，因此，轮式双足机器人具有重要的研究意义与应用价值。

现有轮式双足机器人自由度配置较为简单，如图1依次所示，早期轮式机器人在平衡车基础上增加人形躯体，但也只是刚性一体结构，根本不具备双足运动能力，如ALTER-EGO 机器人所示；近期，出现了腿部连接的轮足形态，但腿部自由度仅有一个，腿部只能进行升缩的功能，如ASCENTO机器人所示；腾讯公司的机器人采用菱形腿设计能够使腿部具有伸缩和摆动的能力，但已经偏离仿人机器人形态；而波士顿动力公司的Handle机器人具备人腿外形以及庞大上身和手臂，但腿部不具备侧摆能力，虽然该机器人工作灵活能够实现跳跃、滑行和搬动货物的能力，但该公司并未公开其方法，属于商业机密。

现有技术中存在的不足集中在以下两点：

1、轮式双足机器人平衡稳定控制问题。相比较两轮的平衡车两自由度、低质心、一体化结构，轮式双足机器人增加了更多的关节自由度，质心相较轮轴距离增大，并且两轮通过双腿连接在上身处使得相对位置的可变性增大，控制难度加大。

2、轮式双足机器人位置和姿态控制问题。相比较传统具有平脚掌的双足机器人，轮式双足机器人不能通过脚掌与脚踝的运动配合调整自身姿态，踩在轮子上的固有不平衡性导致在此基础上的传统控制方法在轮足机器人上的不适用性。

针对上文提到的现有技术问题，传统做法是上身形态固定不动，从而将整个系统简化为单一的平衡车控制，但是这不符合轮式双足机器人快速移动、灵巧作业的要求，当上身姿态需要变换的时候平衡车控制的稳定性将降低，更不要说手臂的协同操作等更复杂行为；也有建立机器人全模型进行优化控制的做法，但对于有限的计算机资源，这一个过程是非常耗时的，并且由于轮式运动的高速性，实时快速的控制成为必不可少、无可替代的部分，这样才能保障机器人的安全性。

发明内容

为了解决现有技术中存在的不足，本发明提出了一种轮式双足机器人姿态控制方法，为轮式建立与整个系统解耦的轮-倒立质心摆模型，通过低维系统优化控制可以实现快速实时性极高的稳定性能；为双足机器人建立全身动力学模型通过动力学补偿实现精确的位姿控制。

本发明所采用的技术方案如下：

一种轮式双足机器人姿态控制方法，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；