[发明专利]一种轮腿式机器人的耦合优化控制方法

摘要

本发明公开了一种轮腿式机器人的耦合优化控制方法，属于自动化领域。定义轮腿式机器人的稳定性函数定义为：θ_i为倾覆轴的稳定角度，当时机器人发生倾倒；轮腿式机器人的牵引力函数以滑行率S_i表示为：为提高牵引力就是要使所有S_i中的最大值取得极小。本发明综合了稳定性和牵引力，取二者的加权均方根之和作为耦合优化标准函数。控制该优化标准函数使其达到最小，从而保证θ_i的最大化和S_i的最小化，也就是最大化机器人的稳定性，最小化整个机器人的运动滑行。本发明不仅考虑了机器人的稳定性，同时也考虑了机器人运动中的驱动牵引特性，有效的改善了轮腿式机器人的运动特性。

主权项

1.一种轮腿式机器人的耦合优化控制方法，其特征在于，该方法包括：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轴的方向分别与轮腿式机器人的车体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Φ最小。