CN112223309A - 一种控制器、控制方法及机器人 - Google Patents

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Abstract

本申请实施例提供了一种控制器、控制方法及机器人，其中控制器用于：获取规划长度，并根据规划长度生成包括第一规划角度和第二规划角度的角度控制数据；根据第一规划角度生成第一控制信号，以及根据第二规划角度生成第二控制信号；将第一控制信号和第二控制信号分别发送给第一电机和第二电机，以控制第一电机驱动弹跳变形轮按照第一控制信号对应的转动规则进行转动，以及控制第二电机驱动弹跳腿按照第二控制信号对应的形变规则进行形变，使得弹跳腿在弹跳过程中与参考平面垂直或者趋于垂直。通过本申请实施例可以将弹跳腿形变释放的势能最大限度的转换成向上的动能，使得机器人具备最高的弹跳高度。

Description

一种控制器、控制方法及机器人
技术领域
本申请涉及控制技术领域，尤其涉及一种控制器、一种控制方法及一种机器人。
背景技术
随着人工智能技术的发展，机器人技术越来越趋于成熟。各式各样的机器人(Robot，一种自动执行工作的机器装置)也开始应用于人们的工作以及日常生活中，例如利用机器人进行故障位置勘察、利用机器人进行送餐，等等。对于配置弹跳机构的机器人，可以通过弹跳来完成某些任务，例如避开障碍物等。但如何对配置弹跳机构的机器人进行弹跳控制是目前的研究热点。
发明内容
本申请实施例提供了一种控制器及控制方法，可以将弹跳腿形变释放的势能最大限度的转换成向上的动能，使得机器人具备最高的弹跳高度。
一方面，本申请实施例提供了一种控制器，所述控制器设置于机器人上，所述机器人上还设置有弹跳变形轮，所述弹跳变形轮包括轮毂和弹跳腿；所述弹跳腿包括第一连接杆、第二连接杆、第三连接杆和第四连接杆，第一连接杆的两端分别与第二连接杆和第四连接杆的一端连接，第三连接杆的两端分别与第二连接杆和第四连接杆的另一端连接，第二连接杆与所述轮毂固连；所述控制器包括第一电机和第二电机，第一电机的定子与所述机器人的机体固连，转子与所述轮毂连接；第二电机的定子与所述轮毂固连，转子与第一连接杆连接；其中，所述控制器用于：
获取规划长度，并根据所述规划长度生成角度控制数据，其中，所述规划长度为当前规划的所述弹跳腿的长度，所述角度控制数据包括第一规划角度和第二规划角度；所述第一规划角度为规划的第一连接杆和参考平面之间的角度，所述第二规划角度为规划的第一连接杆和第二连接杆之间的角度，所述第一规划角度和第二规划角度使得所述弹跳腿垂直于所述参考平面；
根据所述第一规划角度生成第一控制信号，以及根据所述第二规划角度生成第二控制信号；
将所述第一控制信号和第二控制信号分别发送给第一电机和第二电机，以控制第一电机驱动所述弹跳变形轮按照所述第一控制信号对应的转动规则进行转动，以及控制第二电机驱动所述弹跳腿按照所述第二控制信号对应的形变规则进行形变，使得所述弹跳腿在弹跳过程中与所述参考平面垂直或者趋于垂直。
一方面，本申请实施例提供了一种控制方法，应用于控制器，所述控制器设置于机器人上，所述机器人上还设置有弹跳变形轮，所述弹跳变形轮包括轮毂和弹跳腿；所述弹跳腿包括第一连接杆、第二连接杆、第三连接杆和第四连接杆，第一连接杆的两端分别与第二连接杆和第四连接杆的一端连接，第三连接杆的两端分别与第二连接杆和第四连接杆的另一端连接，第二连接杆与所述轮毂固连；所述控制器包括第一电机和第二电机，第一电机的定子与所述机器人的机体固连，转子与所述轮毂连接；第二电机的定子与所述轮毂固连，转子与第一连接杆连接；所述方法包括：
获取规划长度，并根据所述规划长度生成角度控制数据，其中，所述规划长度为当前规划的所述弹跳腿的长度，所述角度控制数据包括第一规划角度和第二规划角度；所述第一规划角度为规划的第一连接杆和参考平面之间的角度，所述第二规划角度为规划的第一连接杆和第二连接杆之间的角度，所述第一规划角度和第二规划角度使得所述弹跳腿垂直于所述参考平面；
根据所述第一规划角度生成第一控制信号，以及根据所述第二规划角度生成第二控制信号；
将所述第一控制信号和第二控制信号分别发送给第一电机和第二电机，以控制第一电机驱动所述弹跳变形轮按照所述第一控制信号对应的转动规则进行转动，以及控制第二电机驱动所述弹跳腿按照所述第二控制信号对应的形变规则进行形变，使得所述弹跳腿在弹跳过程中与所述参考平面垂直或者趋于垂直。
在一实施例中，所述根据所述规划长度生成角度控制数据，包括：
根据获取自第一电机的第一初始角度和获取自第二电机的第二初始角度计算修正参数，其中，所述第一初始角度为第一连接杆和所述参考平面之间的当前角度，所述第二初始角度为第一连接杆和第二连接杆之间的当前角度；
根据所述规划长度和所述修正参数计算修正长度，并根据所述修正长度生成所述角度控制数据。
在一实施例中，所述根据所述第一规划角度生成第一控制信号，以及根据所述第二规划角度生成第二控制信号，包括：
获取所述第一电机输出的角速度参数，并根据所述第一规划角度、所述第一初始角度和所述第一电机输出的角速度参数生成第一控制信号；
获取所述第二电机输出的角速度参数，并根据所述第二规划角度、所述第二初始角度和所述第二电机输出的角速度参数生成第二控制信号。
在一实施例中，所述获取规划长度，包括：
获取目标长度和所述弹跳腿的初始长度；
对所述目标长度和所述弹跳腿的初始长度进行处理，生成参考长度信号，其中，所述参考长度信号对应多个长度值，所述多个长度值使得由所述初始长度平滑过渡到所述目标长度；
对所述参考长度信号进行处理，并在处理过程中按照所述参考长度信号的变化趋势从所述多个长度值中选取一个相应的长度值作为当前的规划长度。
在一实施例中，所述根据所述第一规划角度、所述第一初始角度和所述第一电机输出的角速度参数生成第一控制信号，包括：
对所述第一规划角度进行处理，生成所述第一规划角度的微分和第一参考角度；根据所述第一参考角度、所述第一初始角度生成第一参考角速度；根据所述第一规划角度的微分、所述第一参考角速度以及所述第一电机输出的角速度参数，生成所述第一控制信号。
在一实施例中，所述根据所述第二规划角度、所述第二初始角度和所述第二电机输出的角速度参数生成第二控制信号包括：
对所述第二规划角度进行处理，生成所述第二规划角度的微分和第二参考角度；根据所述第二参考角度、所述第二初始角度生成第二参考角速度；根据所述第二规划角度的微分、所述第二参考角速度以及所述第二电机输出的角速度参数，生成所述第二控制信号。
在一实施例中，第一连接杆和第四连接杆连接在第一连接点，第二连接杆和第三连接杆连接在第二连接点；所述弹跳腿还包括弹性件，所述弹性件的两端分别与所述第一连接点和第二连接点连接。
在一实施例中，所述弹跳腿为多个，多个弹跳腿之间通过支撑架连接，各个弹跳腿的第一连接杆与所述支撑架固连；各个弹跳腿的第一连接杆和第二连接杆之间的连接点位于所述弹跳变形轮的中心点。
在一实施例中，所述多个弹跳腿中任意两个弹跳腿之间的夹角相等，且所述多个弹跳腿之间的夹角之和为360度。
一方面，本申请实施例提供了一种机器人，包括控制器和弹跳变形轮，所述弹跳变形轮包括轮毂和弹跳腿；所述弹跳腿包括第一连接杆、第二连接杆、第三连接杆和第四连接杆，第一连接杆的两端分别与第二连接杆和第四连接杆的一端连接，第三连接杆的两端分别与第二连接杆和第四连接杆的另一端连接，第二连接杆与所述轮毂固连；所述控制器包括第一电机和第二电机，第一电机的定子与所述机器人的机体固连，转子与所述轮毂连接；第二电机的定子与所述轮毂固连，转子与第一连接杆连接；其中，所述控制器用于：
获取规划长度，并根据所述规划长度生成角度控制数据，其中，所述规划长度为当前规划的所述弹跳腿的长度，所述角度控制数据包括第一规划角度和第二规划角度；所述第一规划角度为规划的第一连接杆和参考平面之间的角度，所述第二规划角度为规划的第一连接杆和第二连接杆之间的角度，所述第一规划角度和第二规划角度使得所述弹跳腿垂直于所述参考平面；根据所述第一规划角度生成第一控制信号，以及根据所述第二规划角度生成第二控制信号；将所述第一控制信号和第二控制信号分别发送给第一电机和第二电机，以控制第一电机驱动所述弹跳变形轮按照所述第一控制信号对应的转动规则进行转动，以及控制第二电机驱动所述弹跳腿按照所述第二控制信号对应的形变规则进行形变，使得所述弹跳腿在弹跳过程中与所述参考平面垂直或者趋于垂直。
在一实施例中，第一连接杆和第四连接杆连接在第一连接点，第二连接杆和第三连接杆连接在第二连接点；所述弹跳腿还包括弹性件，所述弹性件的两端分别与所述第一连接点和第二连接点连接。
在一实施例中，所述弹跳腿为多个，多个弹跳腿之间通过支撑架连接，各个弹跳腿的第一连接杆与所述支撑架固连；各个弹跳腿的第一连接杆和第二连接杆之间的连接点位于所述弹跳变形轮的中心点。
在一实施例中，所述多个弹跳腿中任意两个弹跳腿之间的夹角相等，且所述多个弹跳腿之间的夹角之和为360度。
在一实施例中，所述弹跳变形轮为一个或者多个。
在一实施例中，所述控制器具体用于：
获取规划长度，并根据所述规划长度生成角度控制数据，其中，所述规划长度为当前规划的所述弹跳腿的长度，所述角度控制数据包括第一规划角度和第二规划角度；所述第一规划角度为规划的第一连接杆和参考平面之间的角度，所述第二规划角度为规划的第一连接杆和第二连接杆之间的角度，所述第一规划角度和第二规划角度使得所述弹跳腿垂直于所述参考平面；
根据所述第一规划角度生成第一控制信号，以及根据所述第二规划角度生成第二控制信号；
将所述第一控制信号和第二控制信号分别发送给第一电机和第二电机，以控制第一电机驱动所述弹跳变形轮按照所述第一控制信号对应的转动规则进行转动，以及控制第二电机驱动所述弹跳腿按照所述第二控制信号对应的形变规则进行形变，使得所述弹跳腿在弹跳过程中与所述参考平面垂直或者趋于垂直。
其中，控制器的具体结构，以及第一控制信号和第二控制信号的生成方式可参考上述控制器中的相关描述，此处不再赘述。
相应的，本申请实施例还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述控制方法。
相应地，本申请实施例还提供了一种计算机程序产品或计算机程序，所述计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，所述计算机指令存储在计算机可读存储介质中。计算机设备的处理器从所述计算机可读存储介质读取所述计算机指令，处理器执行所述计算机指令，使得计算机设备执行上述控制方法。
本申请实施例中，一方面，机器人上设置包括轮毂和弹跳腿的弹跳变形轮，使得机器人具备弹跳功能，可以通过弹跳变形轮驱动机器人弹跳，从而完成避障等任务操作。另一方面，机器人上设置控制器，用于控制弹跳变形轮转动以及控制弹跳腿形变，使得弹跳腿在弹跳过程中与参考平面垂直或者趋于垂直，这样可以将弹跳腿形变释放的势能最大限度的转换成向上的动能，使得机器人具备最高的弹跳高度，从而可以有效提高机器人的避障成功率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例提供的一种机器人的结构示意图；
图2a是本申请实施例提供的一种弹跳变形轮的结构示意图；
图2b是本申请实施例提供的另一种弹跳变形轮的结构示意图；
图3是本申请实施例提供的一种控制系统的架构和控制器的结构示意图；
图4是本申请实施例提供的一种弹跳腿的结构示意图；
图5示出了弹跳腿不垂直于地面的场景；
图6是本申请实施例提供的一种预处理模块的结构示意图；
图7是本申请实施例提供的一种控制模块的结构示意图；
图8是本申请实施例提供的控制器的另一种结构示意图；
图9示出了跟踪微分器的信号处理效果；
图10是本申请实施例提供的一种控制方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
人工智能(Artificial Intelligence，AI)是利用数字计算机或者数字计算机控制的机器模拟、延伸和扩展人的智能，感知环境、获取知识并使用知识获得最佳结果的理论、方法、技术及应用系统。换句话说，人工智能是计算机科学的一个综合技术，它企图了解智能的实质，并生产出一种新的能以人类智能相似的方式做出反应的智能机器。人工智能也就是研究各种智能机器的设计原理与实现方法，使机器具有感知、推理与决策的功能。
随着人工智能技术研究和进步，人工智能技术在多个领域展开研究和应用，例如常见的智能家居、智能穿戴设备、虚拟助理、智能音箱、智能营销、无人驾驶、自动驾驶、无人机、机器人、智能医疗、智能客服等，相信随着技术的发展，人工智能技术将在更多的领域得到应用，并发挥越来越重要的价值。自动驾驶技术通常包括高精地图、环境感知、行为决策、路径规划、运动控制等技术，自定驾驶技术有着广泛的应用前景。
本申请实施例提供的控制器和控制方法用于对设置弹跳机构的机器人进行弹跳控制，主要涉及人工智能的机器人以及自动驾驶等技术，具体涉及机器人以及自动驾驶中的运动控制技术。
对于配置弹跳机构的机器人(或者说机器人)，可以通过弹跳来完成某些任务，例如避开障碍物等。为实现对配置弹跳机构的机器人的弹跳控制，可以通过相应外界的传感机构计算弹跳机构的角度，来实现对整个弹跳过程能量释放的控制，但此方案存在机构不完全可控，效率较低，精度不高等问题。
基于此，本申请实施例提供了一种新的弹跳控制方案，不仅提出了一种可双向变形的弹跳变形轮，还提出了一种对该可双向变形的弹跳变形轮进行弹跳控制的方法。该方法基于两个电机控制弹跳变形轮弹跳的原理，其中一个电机控制其弹跳的收缩和伸张，另外一个电机控制其与地面(或者说水平面)接触的角度；通过对两个电机的协调控制，保证弹跳腿与地面接触张开时是与地面垂直或者趋于垂直的，这样可以保证弹跳腿形变释放的势能最大限度的转换成弹跳变形轮向上的动能，使得机器人具备最高的弹跳高度，这有利于提高机器人的避障成功率，以下分别进行详细说明。
请参阅图1，为本申请实施例提供的一种机器人的结构示意图。如图1所示，所述机器人上设置有一个或者多个弹跳变形轮100，以及设置有控制器(或者说控制电路)200。所述弹跳变形轮100支持收缩和伸张，所述控制器200用于对所述弹跳变形轮进行弹跳控制，从而实现机器人的弹跳功能。请参阅图2a，为本申请实施例提供的一种弹跳变形轮的结构示意图。如图2a所示，所述弹跳变形轮100包括轮毂10和弹跳腿20。所述轮毂10包括内侧轮毂11(或者说内部支撑架)和外侧轮毂12(或者说外围支撑架)，内侧轮毂11和外侧轮毂12固连。所述弹跳腿20包括第一连接杆21、第二连接杆22、第三连接杆23和第四连接杆24，第一连接杆21的两端分别与第二连接杆22和第四连接杆24的一端连接，第三连接杆23的两端分别与第二连接杆22和第四连接杆24的另一端连接。具体地，第一连接杆21和第四连接杆24连接在第一连接点C，第二连接杆22和第三连接杆23连接在第二连接点D，第一连接杆21和第二连接杆22连接在连接点A，第三连接杆23和第四连接杆24连接在连接点B。在可行的实施例中，所述第一连接杆21、第二连接杆22、第三连接杆23和第四连接杆24构成菱形结构(即ACBD为菱形)。在可行的实施例中，第一连接杆21和第二连接杆11之间的连接点A位于所述弹跳变形轮100的中心点。
其中，所述第一连接杆21、第三连接杆23和第四连接杆24为活动连接杆。所述第二连接杆22与所述轮毂10固连。在一实施例中，第二连接杆22为独立于轮毂10存在的一部件，第二连接杆22固定连接在轮毂10上。在另一实施例中，第二连接杆22为轮毂10的一部分，此时第二连接杆22与轮毂整体固连。如图2a所示，第二连接杆22可以为轮毂ADE中的AD部分。需要说明的是，轮毂ADE可以是直的也可以是弯曲的。
其中，所述弹跳腿20还包括弹性件25，所述弹性件25的两端分别与所述第一连接点C和第二连接点D连接。弹性件25可以为弹簧。
当机器人在地面(或者物体表面)移动时，弹跳腿20收缩(此时第三连接杆23、第四连接杆以及连接点B均处于轮毂上或者轮毂内侧，图中未示出)，使得弹性件25处于拉伸状态以存储能量；此时轮毂10外侧着地，机器人通过轮式驱动的方法移动。当机器人遇到障碍物需要进行跳跃(即弹跳)时，借助弹簧的张力和电机的驱动力，使弹跳腿20快速释放(此时第三连接杆23、第四连接杆以及连接点B由处于轮毂上或者轮毂内侧，快速延伸到轮毂10外侧，如图2a所示)，使得机器人获得向上的初速度以及加速度，从而实现跳跃。这样可以使得机器人拥有平地行走和弹跳的双重功能，有效提高机器人的环境适应性。
在一实施例中，所述弹跳变形轮包括多个弹跳腿，各个弹跳腿的结构如前文所述以及如图2a所示，此处不再赘述。多个弹跳腿之间通过支撑架连接，各个弹跳腿的第一连接杆与所述支撑架固连。在任一弹跳腿的第一连接杆相对轮毂转动时，使得该弹跳腿形变，并可以驱动所述支撑架相对所述轮毂转动，进而驱动其他弹跳腿的第一连接杆相对轮毂转动，使得其他弹跳腿也进行相同的形变。在可行的实施例中，各个弹跳腿的第一连接杆和第二连接杆之间的连接点均位于所述弹跳变形轮的中心点。在其他可行的实施例中，所述多个弹跳腿中的任意两个弹跳腿之间的夹角相等，和/或，所述多个弹跳腿之间的夹角之和为360度。
例如，如图2b所示，示出了一种包括三个弹跳腿的弹跳变形轮的结构。所述弹跳变形轮100包括轮毂10和三个弹跳腿，所述三个弹跳腿分别为弹跳腿20、弹跳腿30和弹跳腿40；所述弹跳腿30和弹跳腿40的结构与弹跳腿20的结构相同。所述弹跳腿20、弹跳腿30和弹跳腿40通过支撑架50连接，所述支撑架由连接杆51(即连接C点和C1点的连接杆，或称之为连接杆CC1，后续描述类似)、连接杆52(即连接C1点和C2点的连接杆)、连接杆53(即连接C点和C2点的连接杆)连接构成。弹跳腿20的第一连接杆AC(即连接A点和C点的连接杆，后续描述类似)与支撑架50固连，弹跳腿30的第一连接杆AC1(即连接A点和C1点的连接杆)与支撑架50固连，弹跳腿40的第一连接杆AC2(即连接A点和C2点的连接杆)与支撑架50固连。当第一连接杆AC相对轮毂顺时针转动时，驱动弹跳腿20、30和40的弹簧25拉伸，弹跳腿20、30和40收缩，反之弹跳腿20、30和40伸张。这样的结构可以使得弹跳腿20、30和40可以同时进行相同的形变。在可行的实施例中，弹跳腿20的第一连接杆AC、弹跳腿30的第一连接杆AC1、弹跳腿40的第一连接杆AC2为支撑架50的一部分。在其他可行的实施例中，弹跳腿20、弹跳腿30和弹跳腿40之间的夹角和为360度，且任意两个弹跳腿之间的夹角为120度。
需要说明的是，所述控制器200由控制电路构成，或者说即为一控制电路，所述控制电路由跟踪微分器、位置环控制器、速度环控制器、电机、积分器以及其他功能模块或者单元连接组成。所述机器人包括一个或者多个车轮，在一实施例中，所述一个或者多个车轮中的每一个车轮可以均为前文所述的弹跳变形轮。在另一实施例中，所述一个或者多个车轮中只有部分车轮为前文所述的弹跳变形轮，其余车轮为普通车轮，即为不支持收缩和伸张的车轮。例如，机器人配置有并排的三个车轮，但只有中间的那个车轮为前文所述的弹跳变形轮；机器人移动时两个普通轮或者三个车轮同步滚动；当需要进行弹跳时，通过中间的弹跳变形轮实现弹跳。
请参阅图3，为本申请实施例提供的一种控制系统的架构示意图。如图3所示，所述控制系统包括弹跳变形轮100和控制器200，所述弹跳变形轮100包括弹跳腿。所述控制器200具体用于驱动所述弹跳变形轮100转动，以控制弹跳腿与地面和参考平面之间的角度；以及用于驱动所述弹跳变形轮的弹跳腿形变，以控制所述弹跳腿收缩或者伸张，从而实现对弹跳变形轮的弹跳控制。其中，所述控制器200包括第一电机和第二电机两个电机。所述第一电机的定子与机器人的机体固连，转子与弹跳变形轮的轮毂连接；控制器用于控制第一电机的转子转动，使得弹跳变形轮转动，从而控制弹跳腿与地面和参考平面之间的角度。所述第二电机的定子与弹跳变形轮的轮毂固连，转子与弹跳变形轮的任一弹跳腿的第一连接杆连接；控制器用于控制第二电机的转子转动，使得第一连接杆相对轮毂转动，从而控制弹跳变形轮的每一个弹跳腿收缩或者伸张。
以电机作用于弹跳变形轮的弹跳腿20上以及如图2b所示的结构为例，连接杆AC和AD均由电机驱动，其中，AC与支撑架50固连，AD与轮毂ADE固连。第一电机和第二电机的电机轴为A点垂直指向纸面向外的向量，第一电机的转子与AC固连，定子与AD固连，第二电机的转子与AD固连，定子与机器人的机体固连。如图4所示，θ1为连接杆AC与参考平面(平行于地面的平面)之间的夹角，θ2为连接杆AC与连接杆AD之间的夹角。弹跳腿加载过程中，通过电机的作用减小θ1，增大θ2，使弹簧拉伸储能；弹跳腿跳跃过程中，电机反向作用，增大θ1，减小θ2，弹簧释放能量，使得机体获得向上初始速度和加速度，实现弹跳。
为保证弹跳腿形变释放的势能最大限度的转换成弹跳变形轮向上的动能，使得机器人具备最高的弹跳高度，需要使得弹跳变形轮的至少一个弹跳腿在弹跳过程中与参考平面和地面垂直或者趋于垂直。但在实际起跳过程中，弹跳腿未必垂直于参考平面和地面，以弹跳腿20为例，如图5所示，即连接点A和B之间的连线未必垂直于参考平面60和地面70。此时，需要控制器对弹跳腿的姿态进行控制来保证弹跳方向与地面垂直或者趋于垂直，从而使得机器人达到更高的跳跃高度。
下面以控制器200作用于上述弹跳腿20为例，结合图3-图7对控制器控制弹跳腿姿态(包括第一连接杆和参考平面的夹角大小以及第一连接杆和第二连接杆的夹角大小)的方式以及控制器的结构进行介绍。
本申请实施例中，控制器200先获取规划长度xref，所述规划长度为当前规划的弹跳腿20的长度，即弹跳腿20需要形变至的一中间长度或者目标长度，弹跳腿20的长度即为连接点A和B之间的连线的长度。
在一实施例中，控制器200先获取目标长度
Figure BDA0002712101190000101
和弹跳腿200的初始长度。目标长度为弹跳腿20需要形变至的最终长度，初始长度为弹跳腿20最开始的长度。然后对目标长度和弹跳腿的初始长度进行处理，生成参考长度信号Xref。所述参考长度信号可以是连续信号，也可以是离散信号；所述参考长度信号对应多个长度值，所述多个长度值使得由所述初始长度平滑过渡到目标长度。在对所述参考长度信号进行处理的过程中。控制器200按照所述参考长度信号的变化趋势从所述多个长度值中选取一个相应的长度值作为当前的规划长度，即从距离初始长度近的长度值开始选取，依次选取的长度值逐渐远离初始长度值，接近目标长度值。
在确定出规划长度之后，根据所述规划长度生成角度控制数据，所述角度控制数据包括第一规划角度
Figure BDA0002712101190000114
和第二规划角度
Figure BDA0002712101190000111
所述第一规划角度为规划的第一连接杆AC和参考平面60之间的角度；所述第二规划角度为规划的第一连接杆AC和第二连接杆AD之间的角度。所述第一规划角度和第二规划角度使得所述弹跳腿20垂直于所述参考平面60，即弹跳腿20满足所述第一规划角度和第二规划角度时，连接点A和B之间的连线AB与参考平面60和地面70垂直。
在一实施例中，控制器200先根据获取自第一电机的第一初始角度θ1和获取自第二电机的第二初始角度θ2计算修正参数
Figure BDA0002712101190000112
所述第一初始角度为第一连接杆AC和所述参考平面60之间的当前角度(如图4或图5中的θ1)，所述第二初始角度为第一连接杆AC和第二连接杆AD之间的当前角度(如图4或图5中的θ2)；所述修正参数为连接点A和B之间的连线与所述参考平面60的垂线之间的方向角(如图5中的
Figure BDA0002712101190000113
)。然后根据所述规划长度和修正参数计算修正长度，并根据修正长度生成所述角度控制数据。这样可以保证第一规划角度和第二规划角度能够使得弹跳腿20垂直于参考平面60。
在确定出第一规划角度和第二规划角度之后，控制器200根据所述第一规划角度以及第一初始角度生成第一控制信号u1，以及根据所述第二规划角度以及第二初始角度生成第二控制信号u2。第一控制信号用于控制弹跳变形轮100的转动规则，包括转速以及转动的角度等；第二控制信号用于控制弹跳腿20的第一连接杆AC的转动规则，包括转速以及转动的角度等，进而控制弹跳腿20的形变，包括控制弹跳腿20的任意两个相邻连接杆(如第一连接杆AC和第二连接杆AD)之间的角度变化快慢以及大小，以及控制弹跳腿200的长度(即连接点A和B之间的连线长度)的变化快慢以及大小。进一步地，控制器200将所述第一控制信号和第二控制信号分别发送给第一电机和第二电机，以控制第一电机驱动弹跳变形轮100按照所述第一控制信号对应的转动规则进行转动，以及控制第二电机驱动所述弹跳腿20(以及弹跳变形轮的其他的弹跳腿)按照所述第二控制信号对应的形变规则进行形变。
获取新的规划长度，并重复执行上述步骤，通过此方式，不仅可以使得弹跳腿20在弹跳过程中与参考平面垂直或者趋于垂直；还可以通过多个中间规划长度，使得弹跳腿的长度由初始长度平滑过度到目标长度，从而避免弹跳腿的长度由初始长度跳变至目标长度，这样不仅可以有效减少控制难度，还能有效提高控制效果。
以上介绍了控制器控制弹跳腿姿态的主要方式，下面对控制器的结构以及控制器生成第一控制信号和第二控制信号的方式进行介绍。如图3所示，控制器200控制器包括预处理模块300、控制模块400和姿态合成模块500。预处理模块300的输出端与控制模块400的输入端连接，控制模块400的输出端与姿态合成模块500的输入端连接，姿态合成模块500的输出端与预处理模块的输入端连接；第一电机和第二电机包含于控制模块400中。
姿态合成模块500根据控制模块400输出的初始角度数据生成修正参数，所述初始角度数据包括根据第一电机的输出信号确定出的第一初始角度以及根据第二电机的输出信号确定出的第二初始角度。姿态合成模块500将修正参数发送给预处理模块300，预处理模块300确定当前的规划长度，并根据所述规划长度和修正参数计算修正长度，以及根据所述修正长度生成包括第一规划角度和第二规划角度的角度控制数据。预处理模块将所述角度控制数据输出给控制模块400，控制模块400根据所述第一规划角度生成第一控制信号，并根据第二规划角度生成第二控制信号；控制模块400将所述第一控制信号和第二控制信号分别发送给第一电机和第二电机，以控制第一电机驱动弹跳变形轮按照所述第一控制信号对应的转动规则进行转动，以及控制第二电机驱动弹跳腿(以及弹跳变形轮的其他的弹跳腿)按照所述第二控制信号对应的形变规则进行形变，使得弹跳腿在弹跳过程中与参考平面垂直或者趋于垂直。
在一实施例中，预处理模块300的结构如图6所示，包括第一跟踪微分器、姿态修正单元和姿态分解单元；所述姿态修正单元的输入端与所述第一跟踪微分器的输出端连接，所述姿态修正单元的输出端与所述姿态分解单元的输入端连接。其中，所述姿态修正单元的输入端还与姿态合成模块500的输出端连接，所述姿态分解单元的输出端与控制模块400的输入端连接。
第一跟踪微分器对输入的目标长度和所述弹跳腿的初始长度进行处理，生成参考长度信号。所述参考长度信号对应多个长度值，所述多个长度值使得由所述初始长度平滑过渡到所述目标长度。第一跟踪微分器将所述参考长度信号输出给姿态修正单元，姿态修正单元对所述参考长度信号进行处理，并在处理过程中从所述参考长度信号中确定当前的规划长度。具体地，姿态修正单元按照所述参考长度信号的变化趋势从所述多个长度值中选取一个相应的长度值作为当前的规划长度，即从距离初始长度近的长度值开始选取，依次选取的长度值逐渐远离初始长度值，接近目标长度值。
姿态修正单元利用姿态合成模块输出的修正参数对所述规划长度进行修正，得到修正长度。在一实施例中，修正参数为修正角度
Figure BDA0002712101190000131
规划长度为xref，则修正长度为
Figure BDA0002712101190000132
姿态修正单元将所述修正长度输出给姿态分解单元，姿态分解单元根据所述修正长度生成包括第一规划角度和第二规划角度的角度控制数据。在一实施例中，弹跳腿的四个连接杆构成菱形结构时，根据菱形结构的特性可知，第一规划角度
Figure BDA0002712101190000133
第二规划角度
Figure BDA0002712101190000134
Figure BDA0002712101190000135
其中，l为连接杆的长度。姿态修正单元将所述角度控制数据输出给控制模块400，可以将第一规划角度和第二规划角度分别输出给控制模块400。
在一实施例中，控制模块400的结构如图7所示，所述控制模块400包括第一控制单元401和第二控制单元402；第一电机包含于第一控制单元401中，第二电机包含于第二控制单元402中。其中，第一控制单元和第二控制单元的输入端分别与预处理模块300的一个输出端连接。预处理模块300(或者说姿态分解单元)可以通过一输出端将第一规划角度输出给所述第一控制单元，并通过另一输出端将第二规划角度输出给所述第二控制单元。第一控制单元和第二控制单元的输出端分别与姿态合成模块500的输入端连接。
第一控制单元401根据预处理模块300(或者说姿态分解单元)输出的第一规划角度生成第一控制信号u1，并将所述第一控制信号u1发送给第一电机。第一电机根据所述第一控制信号驱动弹跳变形轮按照所述第一控制信号对应的转动规则进行转动。第二控制单元402根据预处理模块300(或者说姿态分解单元)输出的第二规划角度生成第二控制信号u2，并将所述第二控制信号u2发送给第二电机。第二电机根据所述第二控制信号驱动弹跳腿按照所述第二控制信号对应的形变规则进行形变。通过第一电机驱动弹跳变形轮按照所述第一控制信号对应的转动规则进行转动，以及通过第二电机驱动弹跳腿按照所述第二控制信号对应的形变规则进行形变，使得弹跳腿在弹跳过程中与参考平面垂直或者趋于垂直。
具体地，如图7所示，第一控制单元包括控制子单元、第一电机和积分器，控制子单元的输出端与第一电机的输入端连接，第一电机的输出端与积分器的输入端连接，第一电机的输出端还与控制子单元的一输入端连接，积分器的输出端与控制子单元的一输入端连接。其中，控制子单元的一输入端与预处理模块300(或者说姿态分解单元)的一输出端连接，积分器的输出端还与姿态合成模块500的输入端连接。
控制子单元根据预处理模块300(或者说姿态分解单元)输出的第一规划角度
Figure BDA0002712101190000141
第一电机输出的角速度参数ω1以及积分器输出的第一初始角度θ1，生成第一控制信号u1。控制子单元将所述第一控制信号输出给第一电机，第一电机根据所述第一控制信号驱动弹跳变形轮按照所述第一控制信号对应的转动规则进行转动，并输出角速度参数给控制子单元和积分器。积分器对第一电机输出的角速度参数进行积分处理，得到第一初始角度，并将第一初始角度输出给控制子单元和姿态合成模块。
在可行的实施例中，如图7所示，控制子单元包括第二跟踪微分器、位置环控制器、速度环控制器；第二跟踪微分器的一输出端与位置环控制器连接，另一输出端与速度环控制器连接；位置环控制器的输出端与速度环控制器的输入端连接。其中，第二跟踪微分器的输入端与预处理模块300(或者说姿态分解单元)的一输出端连接；速度环控制器的输出端与第一电机连接，速度环控制器的输入端还与第一电机的输出端连接；位置环控制器的输入端还与积分器的输出端连接。第二跟踪微分器对预处理模块(或者说姿态分解单元)输出的第一规划角度
Figure BDA0002712101190000142
进行处理，生成第一规划角度的微分
Figure BDA0002712101190000143
和第一参考角度θ1ref(第一参考角度和第一规划角度相同或者相差不大)。第二跟踪微分器将所述第一规划角度的微分输出给速度环控制器，以及将所述第一参考角度输出给位置环控制器。位置环控制器根据所述第一参考角度θ1ref、所述积分器输出的第一初始角度θ1生成第一角度差值eθ1，其中，eθ1＝θ1ref-θ1；然后根据第一角度差值eθ1生成第一参考角速度ω′1。位置环控制器将所述第一参考角速度ω′1输出给速度环控制器，速度环控制器根据所述第一规划角度的微分
Figure BDA0002712101190000151
所述第一参考角速度ω′1以及第一电机输出的角速度参数ω1，生成第一控制信号u1。速度环控制器将所述第一控制信号u1输出给第一电机。
其中，ω′1＝fPID(θ1ref，θ1)，或者，ω′1＝fPID(eθ1)。
Figure BDA0002712101190000152
eω1＝ω1ref-ω1；u1＝fPID(eω1)，或者，u1＝fPID(ω1ref，ω1)。
具体地，如图7所示，第二控制单元包括控制子单元、第二电机和积分器，控制子单元的输出端与第二电机的输入端连接，第二电机的输出端与积分器的输入端连接，第二电机的输出端还与控制子单元的一输入端连接，积分器的输出端与控制子单元的一输入端连接。其中，控制子单元的一输入端与预处理模块300(或者说姿态分解单元)的一输出端连接，积分器的输出端还与姿态合成模块500的输入端连接。
控制子单元根据预处理模块300(或者说姿态分解单元)输出的第二规划角度
Figure BDA0002712101190000153
第二电机输出的角速度参数ω2以及积分器输出的第二初始角度θ2，生成第二控制信号u2。控制子单元将所述第二控制信号输出给第二电机，第二电机根据所述第二控制信号驱动弹跳变形轮按照所述第二控制信号对应的转动规则进行转动，并输出角速度参数给控制子单元和积分器。积分器对第二电机输出的角速度参数进行积分处理，得到第二初始角度，并将第二初始角度输出给控制子单元和姿态合成模块。
在可行的实施例中，如图7所示，控制子单元包括第二跟踪微分器、位置环控制器、速度环控制器；第二跟踪微分器的一输出端与位置环控制器连接，另一输出端与速度环控制器连接；位置环控制器的输出端与速度环控制器的输入端连接。其中，第二跟踪微分器的输入端与预处理模块300(或者说姿态分解单元)的一输出端连接；速度环控制器的输出端与第二电机连接，速度环控制器的输入端还与第二电机的输出端连接；位置环控制器的输入端还与积分器的输出端连接。第二跟踪微分器对预处理模块(或者说姿态分解单元)输出的第二规划角度
Figure BDA0002712101190000154
进行处理，生成第二规划角度的微分
Figure BDA0002712101190000155
和第二参考角度θ2ref(第二参考角度和第二规划角度相同或者相差不大)。第二跟踪微分器将所述第二规划角度的微分输出给速度环控制器，以及将所述第二参考角度输出给位置环控制器。位置环控制器根据所述第二参考角度θ2ref、所述积分器输出的第二初始角度θ2生成第二角度差值eθ2，其中，eθ2＝θ2ref-θ2；然后根据第二角度差值eθ2生成第二参考角速度ω′2。位置环控制器将所述第二参考角速度ω′2输出给速度环控制器，速度环控制器根据所述第二规划角度的微分
Figure BDA0002712101190000161
所述第二参考角速度ω′2以及第二电机输出的角速度参数ω2，生成第二控制信号u2。速度环控制器将所述第二控制信号u2输出给第二电机。
其中，ω′2＝fPID(θ2ref，θ2)，或者，ω′2＝fPID(eθ2)。
Figure BDA0002712101190000162
eω2＝ω2ref-ω2；u2＝fPID(eω2)，或者，u2＝fPID(ω2ref，ω2)。
根据前文所述以及图3、图6和图7所示的控制器各部分结构，可以得到如图8所示的控制器的具体电路结构。各模块或者单元的连接关系和功能，以及各模块或者单元之间的数据流向均可参考前文描述，此处不再赘述。需要说明的是，控制器的各功能模块和单元之间的连接均为电性连接，与控制器的各功能模块和单元相关的数据传输均是将数据以电信号的形式进行传输的。需要说明的是，图8中所示的圆圈(如80所示)可以是指连接点，此时数据由数据流入的设备进行处理，例如由速度环控制器计算ωref和eω。图8中所示的圆圈可以是指运算器，可以进行数学运算，此时数据由运算器处理之后流入相应设备进行处理，例如，图8中80所示的运算器计算eω1＝ω1ref-ω1，然后将计算得到的eω1输出给速度环控制器。
为更好的理解本方案，下面以控制器200作用于上述弹跳腿20为例，结合图4和图5，和图8所示的控制电路，对控制器针对弹跳腿进行控制的控制算法和相应原理进行介绍。
机器人在实际起跳过程中，弹跳腿未必垂直于参考平面和地面，此时，需要控制器对弹跳腿的姿态进行控制来保证弹跳方向与地面垂直或者趋于垂直，从而使得机器人达到更高的跳跃高度。当由于存在控制误差等原因导致弹跳腿不垂直于参考平面和地面时，弹跳腿的状态如图5所示，即连接点A和B之间的连线AB(后续简称为AB)不垂直于参考平面60和地面70。
其中，连接杆AC和参考平面之间的夹角θ1以及连接杆AC和AD之间的夹角θ2的值可分别由第一电机和第二电机的编码器得到。由弹跳腿(菱形结构)的机械机构特性，有如下关系式成立。
Figure BDA0002712101190000171
Figure BDA0002712101190000172
其中，
Figure BDA0002712101190000173
为AB与参考平面60的垂线AB'之间的方向角。l为弹跳腿的连接杆(如AC)的长度，xAB为AB的长度。
为了达到协同控制的目的，本申请实施例提供的控制器的电路结构如图8所示。弹跳腿只有收缩和伸张两种模式，假设收缩时AB的长度为xreset(弹簧储能)，伸张时AB的长度为xset(弹簧未储能)。为减小控制难度以及提高控制效果，需要避免状态量在两个值之间跳变，此时可以利用跟踪微分器算法，对原始输入长度信号进行规划，得到平滑过渡的长度信号Xref。当图5的情况出现时，弹跳腿的效率将下降，此时需要对规划的长度目标xref进行修正。如下：
Figure BDA0002712101190000174
即将xref修正为
Figure BDA0002712101190000175
在得到修正后的AB规划长度后，根据机械结构的特性，进行规划长度信号的分解，即得到：
Figure BDA0002712101190000176
Figure BDA0002712101190000177
其中，
Figure BDA0002712101190000178
和
Figure BDA0002712101190000179
使得AB垂直于参考平面或者地面。
通过跟踪微分器和位置-速度串级PID控制器组成的复合控制器，在有限时间内，有：
Figure BDA00027121011900001710
Figure BDA00027121011900001711
若两个角度都得到了精确控制，则AB的长度和方位角也将得到精确控制，这是由弹跳腿的机械结构特性决定的。下面，将介绍如何通过跟踪微分器和位置-速度串级PID控制器来达到伺服控制的效果。
1、跟踪微分器算法
本方案引入自抗扰控制中的跟踪微分器算法(Tracking differentiator，TD)。跟踪微分器可以对阶跃信号安排过渡过程，得到连续的信号及其微分。跟踪微分器的信号处理效果如图9所示，从图9看出，跟踪微分器的信号收敛速度与参数r有关。跟踪微分器算法的步骤如下式所示。
x1(k+1)＝x1(k)hx2(k)
x2(k+1)＝x2(k)hu
u＝fhan(v，x1，x2，r，h)，其中：
Figure BDA0002712101190000181
其中，x1为当前长度信号，x2为x1的导数(即当前的长度变化速度)，v为目标长度信号，r为收敛速度，
Figure BDA0002712101190000182
为步长，sgn为阶跃函数。
跟踪微分器在本方案中的功能可以概括为，给定未规划的原始目标长度信号
Figure BDA0002712101190000183
可以输出平滑的、规划后的信号xref和
Figure BDA0002712101190000184
这为控制器的设计提供了方便。在图8所示的控制电路中，第一跟踪微分器主要承担轨迹规划的作用，r相对较小；而第二跟踪微分器主要承担计算长度信号的微分的作用，r相对较大。
2、串级控制器
本方案中，电机控制系统的状态空间模型为：
Figure BDA0002712101190000185
其中，ω为电机转子转速(rad/s)，J为电机转子和与转子刚性连接的结构的转动惯量(kg·m2)，u为电机输出扭矩(N·m)，Tl为负载力矩(N·m)，负载力矩包含系统的非线性部分和扰动力矩部分。本方案中的控制误差以及控制目标是：
eθ≡θref-θ
eω≡ωref-ω
Figure BDA0002712101190000186
如图8所示的控制器电路结构，由于有前馈通道的存在，控制刚度要比普通串级PID控制器大很多，在应对系统中存在的负载和干扰力矩时，较大的控制刚度可减少运动过程中的动态误差，使得弹跳变形轮和弹跳腿能够尽可能无差的按照规划好的路径运动，以提升弹跳高度。另外，控制器采用串级PID算法，即位置环和速度环都采用PID算法，此方法可保证电机转子位置和速度的控制误差都趋近于0。
对上面各式进行整理，得到完整的控制算法流程如下。
1、计算跟踪微分器当前时刻输出的规划长度目标xref。其中：
Xref＝fTD(xreset/xset)，xref为Xref中的长度值。
2、通过两个电机(第一电机和第二电机)的编码器的θ1和θ2反馈计算方向角
Figure BDA0002712101190000191
大小，并修正规划长度目标的值。其中：
Figure BDA0002712101190000192
Figure BDA0002712101190000193
3、由修正后的规划长度目标，求出两个电机的规划角度目标
Figure BDA0002712101190000194
和
Figure BDA0002712101190000195
Figure BDA0002712101190000196
Figure BDA0002712101190000197
4、对每个电机，使用跟踪微分器对输入的规划角度目标
Figure BDA0002712101190000198
或
Figure BDA0002712101190000199
进行处理，得到规划角度目标的微分
Figure BDA00027121011900001910
或
Figure BDA00027121011900001911
其中：
Figure BDA00027121011900001912
5、得到规划角度目标及其微分后，使用串级PID算法计算输出量。其中：
Figure BDA00027121011900001913
u＝fPID(ωref，ω)
Figure BDA00027121011900001914
ek＝xref,k-xk
至此，输出量计算完成，通过与伺服电机通信，将输出作为电流目标信号发送给伺服电机，并通过伺服电机驱动弹跳腿将按照规划好的轨迹运动。
需要说明的是，机器人需要搭载具有实时操作系统的嵌入式设备，并拥有CAN/UART等基本外设以便与外部设备通信。弹跳腿由两个电机驱动，可将两个电机挂载在CAN总线上，通过总线通信方式读取反馈信息和发送电流目标指令。根据上面各式，编写C/C++程序实现跟踪微分器算法和离散PID控制算法。利用实时操作系统开启实时任务，任务频率一般以1kHz为宜，按照算法步骤进行计算，即可完成弹跳腿起跳阶段的运动控制。由于机器人运动具有多种形态，上层应用程序可通过有限状态机的方式，根据用户指令或自主决策指令来完成任务切换。前文介绍了基于两个电机的编码器信息来获取到相应的角度信息的方式，但还可以通过例如机械限位机构或者相应的光栅传感器等来获取其转动的角度信息，这样也可以实现对角度的相应协调。
本方案基于两个电机控制弹跳变形轮弹跳的原理，其中一个电机控制其弹跳的收缩和伸张，另外一个电机控制其与地面接触的角度；通过两个伺服电机实现位置规划和协同闭环控制，可以实现弹跳变形轮垂直起跳的功能，继而使机器人拥有平地行走和跳跃的双重功能，有效提高机器人的环境适应性；另外，还可以保证弹跳腿与地面接触张开时是与地面垂直或者趋于垂直的，这样可以保证弹跳腿形变释放的势能最大限度的转换成弹跳变形轮向上的动能，使得机器人具备最高的弹跳高度，这有利于提高机器人的避障成功率。
请参阅图10，为本发明实施例提供的一种控制方法的流程示意图。本发明实施例中所描述的控制方法，应用于前文所述的控制器。其中，所述控制器设置于机器人上，所述机器人上还设置有弹跳变形轮，所述弹跳变形轮包括轮毂和弹跳腿；所述弹跳腿包括第一连接杆、第二连接杆、第三连接杆和第四连接杆，第一连接杆的两端分别与第二连接杆和第四连接杆的一端连接，第三连接杆的两端分别与第二连接杆和第四连接杆的另一端连接，第二连接杆与所述轮毂固连；所述控制器包括第一电机和第二电机，第一电机的定子与所述机器人的机体固连，转子与所述轮毂连接；第二电机的定子与所述轮毂固连，转子与第一连接杆连接。
在一实施例中，第一连接杆和第四连接杆连接在第一连接点，第二连接杆和第三连接杆连接在第二连接点；所述弹跳腿还包括弹性件，所述弹性件的两端分别与所述第一连接点和第二连接点连接。在一实施例中，所述弹跳腿为多个，多个弹跳腿之间通过支撑架连接，各个弹跳腿的第一连接杆与所述支撑架固连；各个弹跳腿的第一连接杆和第二连接杆之间的连接点位于所述弹跳变形轮的中心点。在一实施例中，所述多个弹跳腿中任意两个弹跳腿之间的夹角相等，且所述多个弹跳腿之间的夹角之和为360度。
本申请实施例中，所述控制方法包括但不限于如下步骤：
S101、获取规划长度，并根据所述规划长度生成角度控制数据。
本申请实施例中，所述规划长度为当前规划的所述弹跳腿的长度，所述角度控制数据包括第一规划角度和第二规划角度；所述第一规划角度为规划的第一连接杆和参考平面之间的角度，所述第二规划角度为规划的第一连接杆和第二连接杆之间的角度，所述第一规划角度和第二规划角度使得所述弹跳腿垂直于所述参考平面。
在一实施例中，控制器获取规划长度的方式为：获取目标长度和所述弹跳腿的初始长度，对所述目标长度和所述弹跳腿的初始长度进行处理，生成参考长度信号，其中，所述参考长度信号对应多个长度值，所述多个长度值使得由所述初始长度平滑过渡到所述目标长度；对所述参考长度信号进行处理，并在处理过程中按照所述参考长度信号的变化趋势从所述多个长度值中选取一个相应的长度值作为当前的规划长度。即从距离初始长度近的长度值开始选取，依次选取的长度值逐渐远离初始长度值，接近目标长度值。
在一实施例中，控制器获根据所述规划长度生成角度控制数据的方式为：根据获取自第一电机的第一初始角度和获取自第二电机的第二初始角度计算修正参数。其中，所述第一初始角度为第一连接杆和所述参考平面之间的当前角度，所述第二初始角度为第一连接杆和第二连接杆之间的当前角度；所述修正参数为第一连接杆和第二连接杆之间的连接点与第三连接杆和第四连接杆之间的连接点之间的连线，与参考平面的垂线之间的方向角。然后根据所述规划长度和所述修正参数计算修正长度，并根据所述修正长度生成所述角度控制数据。
S102、根据所述第一规划角度生成第一控制信号，以及根据所述第二规划角度生成第二控制信号。
具体地，获取所述第一电机输出的角速度参数，并根据所述第一规划角度、所述第一初始角度和所述第一电机输出的角速度参数生成第一控制信号。获取所述第二电机输出的角速度参数，并根据所述第二规划角度、所述第二初始角度和所述第二电机输出的角速度参数生成第二控制信号。
在一实施例中，根据所述第一规划角度、所述第一初始角度和所述第一电机输出的角速度参数生成第一控制信号的方式为：对所述第一规划角度进行处理，生成所述第一规划角度的微分和第一参考角度；根据所述第一参考角度、所述第一初始角度生成第一参考角速度；根据所述第一规划角度的微分、所述第一参考角速度以及所述第一电机输出的角速度参数，生成所述第一控制信号。
在一实施例中，根据所述第二规划角度、所述第二初始角度和所述第二电机输出的角速度参数生成第二控制信号的方式为：对所述第二规划角度进行处理，生成所述第二规划角度的微分和第二参考角度；根据所述第二参考角度、所述第二初始角度生成第二参考角速度；根据所述第二规划角度的微分、所述第二参考角速度以及所述第二电机输出的角速度参数，生成所述第二控制信号。
S103、将所述第一控制信号和第二控制信号分别发送给第一电机和第二电机，以控制第一电机驱动所述弹跳变形轮按照所述第一控制信号对应的转动规则进行转动，以及控制第二电机驱动所述弹跳腿按照所述第二控制信号对应的形变规则进行形变，使得所述弹跳腿在弹跳过程中与所述参考平面垂直或者趋于垂直。
需要说明的是，上述控制方法可以结合前文所述的机器人和控制器具体实现，实现过程可参考前文描述，此处不再赘述。
上述控制方法基于两个电机控制弹跳变形轮弹跳的原理，其中一个电机控制其弹跳的收缩和伸张，另外一个电机控制其与地面(或者说水平面)接触的角度；通过对两个电机的协调控制，使得弹跳腿与地面接触张开时是与地面垂直或者趋于垂直的，这样可以保证弹跳腿形变释放的势能最大限度的转换成弹跳变形轮向上的动能，使得机器人具备最高的弹跳高度，这有利于提高机器人的避障成功率。
本申请实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行如上述控制方法。其具体实现方式可参考前文描述，此处不再赘述。
本申请实施例还提供了一种计算机程序产品或计算机程序，所述计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，所述计算机指令存储在计算机可读存储介质中。计算机设备的处理器从所述计算机可读存储介质读取所述计算机指令，处理器执行所述计算机指令，使得所述计算机设备执行上述控制方法。其具体实现方式可参考前文描述，此处不再赘述。
需要说明的是，对于前述的各个实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某一些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本发明所必须的。
本发明实施例方法中的步骤可以根据实际需要进行顺序调整、合并和删减。本发明实施例中所描述的控制器和弹跳变形轮的结构可以根据实际需要进行改进和优化。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：闪存盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取器(Random AccessMemory，RAM)、磁盘或光盘等。
以上所述是本发明的优选实施例，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (15)

1.一种控制器，其特征在于，所述控制器设置于机器人上，所述机器人上还设置有弹跳变形轮，所述弹跳变形轮包括轮毂和弹跳腿；所述弹跳腿包括第一连接杆、第二连接杆、第三连接杆和第四连接杆，第一连接杆的两端分别与第二连接杆和第四连接杆的一端连接，第三连接杆的两端分别与第二连接杆和第四连接杆的另一端连接，第二连接杆与所述轮毂固连；所述控制器包括第一电机和第二电机，第一电机的定子与所述机器人的机体固连，转子与所述轮毂连接；第二电机的定子与所述轮毂固连，转子与第一连接杆连接；其中，所述控制器用于：
获取规划长度，并根据所述规划长度生成角度控制数据，其中，所述规划长度为当前规划的所述弹跳腿的长度，所述角度控制数据包括第一规划角度和第二规划角度；所述第一规划角度为规划的第一连接杆和参考平面之间的角度，所述第二规划角度为规划的第一连接杆和第二连接杆之间的角度，所述第一规划角度和第二规划角度使得所述弹跳腿垂直于所述参考平面；
根据所述第一规划角度生成第一控制信号，以及根据所述第二规划角度生成第二控制信号；
将所述第一控制信号和第二控制信号分别发送给第一电机和第二电机，以控制第一电机驱动所述弹跳变形轮按照所述第一控制信号对应的转动规则进行转动，以及控制第二电机驱动所述弹跳腿按照所述第二控制信号对应的形变规则进行形变，使得所述弹跳腿在弹跳过程中与所述参考平面垂直或者趋于垂直。
2.如权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述控制器具体用于：
根据获取自第一电机的第一初始角度和获取自第二电机的第二初始角度计算修正参数，其中，所述第一初始角度为第一连接杆和所述参考平面之间的当前角度，所述第二初始角度为第一连接杆和第二连接杆之间的当前角度；
根据所述规划长度和所述修正参数计算修正长度，并根据所述修正长度生成所述角度控制数据。
3.如权利要求2所述的控制器，其特征在于，所述控制器包括预处理模块、控制模块和姿态合成模块；所述预处理模块的输出端与所述控制模块的输入端连接，所述控制模块的输出端与所述姿态合成模块的输入端连接，所述姿态合成模块的输出端与所述预处理模块的输入端连接；第一电机和第二电机包含于所述控制模块中；其中：
所述姿态合成模块，用于根据所述控制模块输出的初始角度数据生成修正参数，并将所述修正参数发送给所述预处理模块；其中，所述初始角度数据包括根据第一电机的输出信号确定出的第一初始角度以及根据第二电机的输出信号确定出的第二初始角度；
所述预处理模块，用于确定所述规划长度，根据所述规划长度和所述修正参数计算修正长度，并根据所述修正长度生成包括所述第一规划角度和第二规划角度的角度控制数据，以及将所述角度控制数据输出给所述控制模块；
所述控制模块，用于根据所述第一规划角度生成所述第一控制信号，并根据所述第二规划角度生成所述第二控制信号，以及将所述第一控制信号和第二控制信号分别发送给第一电机和第二电机。
4.如权利要求3所述的控制器，其特征在于，所述预处理模块包括第一跟踪微分器、姿态修正单元和姿态分解单元；所述姿态修正单元的输入端与所述第一跟踪微分器和所述姿态合成模块的输出端连接，所述姿态修正单元的输出端与所述姿态分解单元的输入端连接，所述姿态分解单元的输出端与所述控制模块的输入端连接；其中：
所述第一跟踪微分器，用于对输入的目标长度和所述弹跳腿的初始长度进行处理，生成参考长度信号，并将所述参考长度信号输出给所述姿态修正单元；其中，所述参考长度信号对应多个长度值，所述多个长度值使得由所述初始长度平滑过渡到所述目标长度；
所述姿态修正单元，用于对所述参考长度信号进行处理，并在处理过程中从所述参考长度信号中确定所述规划长度，利用所述姿态合成模块输出的修正参数对所述规划长度进行修正，得到所述修正长度，以及将所述修正长度输出给所述姿态分解单元；
所述姿态分解单元，用于根据所述修正长度生成所述角度控制数据，并将所述角度控制数据输出给所述控制模块。
5.如权利要求3或4所述的控制器，其特征在于，所述控制模块包括第一控制单元和第二控制单元，所述第一控制单元和第二控制单元的输入端分别与所述预处理模块的一个输出端连接，所述第一控制单元和第二控制单元的输出端分别与所述姿态合成模块的输入端连接；第一电机包含于所述第一控制单元中，第二电机包含于所述第二控制单元中；其中：
所述预处理模块，用于将所述第一规划角度输出给所述第一控制单元，并将所述第二规划角度输出给所述第二控制单元；
所述第一控制单元，用于根据所述第一规划角度生成所述第一控制信号，并将所述第一控制信号发送给第一电机；
所述第一电机，用于根据所述第一控制信号驱动所述弹跳变形轮按照所述第一控制信号对应的转动规则进行转动；
所述第二控制单元，用于根据所述第二规划角度生成所述第二控制信号，并将所述第二控制信号发送给第二电机；
所述第二电机，用于根据所述第二控制信号驱动所述弹跳腿按照所述第二控制信号对应的形变规则进行形变；
其中，通过所述第一电机驱动所述弹跳变形轮按照所述第一控制信号对应的转动规则进行转动，以及通过所述第二电机驱动所述弹跳腿按照所述第二控制信号对应的形变规则进行形变，使得所述弹跳腿在弹跳过程中与所述参考平面垂直或者趋于垂直。
6.如权利要求5所述的控制器，其特征在于，所述第一控制单元包括控制子单元、第一电机和积分器，所述控制子单元的一输入端与所述预处理模块的一输出端连接，所述控制子单元的输出端与所述第一电机的输入端连接，所述第一电机的输出端与所述积分器的输入端连接，所述第一电机的输出端还与所述控制子单元的一输入端连接，所述积分器的输出端与所述姿态合成模块的输入端连接，所述积分器的输出端还与所述控制子单元的一输入端连接，其中：
所述控制子单元，用于根据所述预处理模块输出的第一规划角度、所述第一电机输出的角速度参数以及所述积分器输出的第一初始角度，生成第一控制信号，并将所述第一控制信号输出给所述第一电机；
所述第一电机，用于根据所述第一控制信号驱动所述弹跳变形轮按照所述第一控制信号对应的转动规则进行转动，并输出角速度参数给所述控制子单元和积分器；
所述积分器，用于对所述第一电机输出的角速度参数进行积分处理，得到第一初始角度，并将所述第一初始角度输出给所述控制子单元和姿态合成模块。
7.如权利要求5所述的控制器，其特征在于，所述第二控制单元包括控制子单元、第二电机和积分器，所述控制子单元的一输入端与所述预处理模块的一输出端连接，所述控制子单元的输出端与所述电机的输入端连接，所述第二电机的输出端与所述积分器的输入端连接，所述第二电机的输出端还与所述控制子单元的一输入端连接，所述积分器的输出端与所述姿态合成模块的输入端连接，所述积分器的输出端还与所述控制子单元的一输入端连接，其中：
所述控制子单元，用于根据所述预处理模块输出的第二规划角度、所述第二电机输出的角速度参数以及所述积分器输出的第二初始角度，生成第二控制信号，并将所述第二控制信号输出给所述第二电机；
所述第二电机，用于根据所述第二控制信号驱动所述弹跳腿按照所述第二控制信号对应的形变规则进行形变，并输出角速度参数给所述控制子单元和积分器；
所述积分器，用于对所述第二电机输出的角速度参数进行积分处理，得到第二初始角度，并将所述第二初始角度输出给所述控制子单元和姿态合成模块。
8.如权利要求6或7所述的控制器，其特征在于，所述控制子单元包括第二跟踪微分器、位置环控制器、速度环控制器；所述第二跟踪微分器的输入端与所述预处理模块的一输出端连接；所述第二跟踪微分器的一输出端与所述位置环控制器连接，另一输出端与所述速度环控制器连接；所述位置环控制器的输入端还与所述积分器的输出端连接，所述位置环控制器的输出端与所述速度环控制器的输入端连接；所述速度环控制器的输入端还与所述第一电机的输出端连接，所述速度环控制器的输出端与电机连接；其中：
所述第二跟踪微分器，用于对所述预处理模块输出的规划角度进行处理，生成所述规划角度的微分和参考角度，并将所述规划角度的微分输出给所述速度环控制器，以及将所述参考角度输出给所述位置环控制器；
所述位置环控制器，用于根据所述参考角度、所述积分器输出的初始角度生成参考角速度，并将所述参考角速度输出给所述速度环控制器；
所述速度环控制器，用于根据所述规划角度的微分、所述参考角速度以及电机输出的角速度参数，生成控制信号，并将控制信号输出给电机。
9.如权利要求1所述的控制器，其特征在于，第一连接杆和第四连接杆连接在第一连接点，第二连接杆和第三连接杆连接在第二连接点；所述弹跳腿还包括弹性件，所述弹性件的两端分别与所述第一连接点和第二连接点连接。
10.如权利要求1或9所述的控制器，其特征在于，所述弹跳腿为多个，多个弹跳腿之间通过支撑架连接，各个弹跳腿的第一连接杆与所述支撑架固连；各个弹跳腿的第一连接杆和第二连接杆之间的连接点位于所述弹跳变形轮的中心点。
11.一种控制方法，应用于控制器，其特征在于，所述控制器设置于机器人上，所述机器人上还设置有弹跳变形轮，所述弹跳变形轮包括轮毂和弹跳腿；所述弹跳腿包括第一连接杆、第二连接杆、第三连接杆和第四连接杆，第一连接杆的两端分别与第二连接杆和第四连接杆的一端连接，第三连接杆的两端分别与第二连接杆和第四连接杆的另一端连接，第二连接杆与所述轮毂固连；所述控制器包括第一电机和第二电机，第一电机的定子与所述机器人的机体固连，转子与所述轮毂连接；第二电机的定子与所述轮毂固连，转子与第一连接杆连接；所述方法包括：
获取规划长度，并根据所述规划长度生成角度控制数据，其中，所述规划长度为当前规划的所述弹跳腿的长度，所述角度控制数据包括第一规划角度和第二规划角度；所述第一规划角度为规划的第一连接杆和参考平面之间的角度，所述第二规划角度为规划的第一连接杆和第二连接杆之间的角度，所述第一规划角度和第二规划角度使得所述弹跳腿垂直于所述参考平面；
根据所述第一规划角度生成第一控制信号，以及根据所述第二规划角度生成第二控制信号；
将所述第一控制信号和第二控制信号分别发送给第一电机和第二电机，以控制第一电机驱动所述弹跳变形轮按照所述第一控制信号对应的转动规则进行转动，以及控制第二电机驱动所述弹跳腿按照所述第二控制信号对应的形变规则进行形变，使得所述弹跳腿在弹跳过程中与所述参考平面垂直或者趋于垂直。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述根据所述规划长度生成角度控制数据，包括：
根据获取自第一电机的第一初始角度和获取自第二电机的第二初始角度计算修正参数，其中，所述第一初始角度为第一连接杆和所述参考平面之间的当前角度，所述第二初始角度为第一连接杆和第二连接杆之间的当前角度；
根据所述规划长度和所述修正参数计算修正长度，并根据所述修正长度生成所述角度控制数据。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述根据所述第一规划角度生成第一控制信号，以及根据所述第二规划角度生成第二控制信号，包括：
获取所述第一电机输出的角速度参数，并根据所述第一规划角度、所述第一初始角度和所述第一电机输出的角速度参数生成第一控制信号；
获取所述第二电机输出的角速度参数，并根据所述第二规划角度、所述第二初始角度和所述第二电机输出的角速度参数生成第二控制信号。
14.如权利要求11-13任一项所述的方法，其特征在于，所述获取规划长度，包括：
获取目标长度和所述弹跳腿的初始长度；
对所述目标长度和所述弹跳腿的初始长度进行处理，生成参考长度信号，其中，所述参考长度信号对应多个长度值，所述多个长度值使得由所述初始长度平滑过渡到所述目标长度；
对所述参考长度信号进行处理，并在处理过程中按照所述参考长度信号的变化趋势从所述多个长度值中选取一个相应的长度值作为当前的规划长度。
15.一种机器人，其特征在于，包括控制器和弹跳变形轮，所述弹跳变形轮包括轮毂和弹跳腿；所述弹跳腿包括第一连接杆、第二连接杆、第三连接杆和第四连接杆，第一连接杆的两端分别与第二连接杆和第四连接杆的一端连接，第三连接杆的两端分别与第二连接杆和第四连接杆的另一端连接，第二连接杆与所述轮毂固连；所述控制器包括第一电机和第二电机，第一电机的定子与所述机器人的机体固连，转子与所述轮毂连接；第二电机的定子与所述轮毂固连，转子与第一连接杆连接；其中，所述控制器用于：
获取规划长度，并根据所述规划长度生成角度控制数据，其中，所述规划长度为当前规划的所述弹跳腿的长度，所述角度控制数据包括第一规划角度和第二规划角度；所述第一规划角度为规划的第一连接杆和参考平面之间的角度，所述第二规划角度为规划的第一连接杆和第二连接杆之间的角度，所述第一规划角度和第二规划角度使得所述弹跳腿垂直于所述参考平面；根据所述第一规划角度生成第一控制信号，以及根据所述第二规划角度生成第二控制信号；将所述第一控制信号和第二控制信号分别发送给第一电机和第二电机，以控制第一电机驱动所述弹跳变形轮按照所述第一控制信号对应的转动规则进行转动，以及控制第二电机驱动所述弹跳腿按照所述第二控制信号对应的形变规则进行形变，使得所述弹跳腿在弹跳过程中与所述参考平面垂直或者趋于垂直。
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