CN113625735B - 基于腿臂复用六足机器人的控制方法和机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于腿臂复用六足机器人的控制方法和机器人，包括以下步骤：以腿臂复用六足机器人的躯干质心为原点构建模型，利用机器人腿部支撑点相对于质心点的位置向量和躯干质心处的虚拟支撑力，获取机器人各支撑腿的前馈力；利用机器人躯干的浮动自由度、机器人关节的运动自由度和已获得的各支撑腿前馈力，构建机器人全身动力学模型，获取机器人各支撑腿的关节扭矩；利用机器人位置坐标的变化，获取机器人非支撑腿摆动轨迹中的关节角度和关节扭矩；基于各支撑腿的关节扭矩和非支撑腿的关节角度与关节扭矩实现机器人控制。可实时优化支撑力并调整运动轨迹，实现外力扰动下的鲁棒运动；臂式作业时灵活配置为单臂和双臂模式，实现推移等多种作业。

Description

基于腿臂复用六足机器人的控制方法和机器人

技术领域

本发明涉及机器人控制领域，具体为基于腿臂复用六足机器人的控制方法和机器人。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

腿足式机器人是机械结构形成“腿/足”的结构实现移动机器人，例如双足、四足等腿足式机器人，因其离散落足的特点，使得在复杂环境适应性、灵敏性等具有与轮式和履带式等移动机器人无法相比的优势，是非结构环境下探测巡检、物资运输、震后救援、危险环境侦察等需求的良好移动平台。

腿足式机器人作为移动平台往往缺少一定的作业能力，如面向工厂巡检不仅需要机器人具备移动能力同样需要开关阀门、移除障碍等应急的作业能力；面向未知环境探测不仅需要移动能力也需要样本采集、载荷投放等作业能力。

当前赋予腿足机器人作业能力主要有三种方法：

一是类人形双足双臂机器人，利用双足实现移动，双臂实现作业，如波士顿动力的Atlas、本田的Asimo等，但双足相对与多足机器人来说静态稳定能力不足，需要实时姿态调节保持稳定，控制技术难度大、负载能力有限；

二是四足机器人，由躯干安装机械臂，例如波士顿动力的Spot机器人，虽然该方法可实现机器人的移动和作业，但用于作业的臂对足相对机器人本体来说增加了负重、占用机器人硬件和结构资源、增加能量消耗，且臂在非任务时也需要实时处于工作状态以维持稳定，增加了功率；

三是具备足臂复用功能的多足机器人，其肢体可实现运动时为足，作业时为臂，但当前这类机器人较少，且主要是舵机驱动的小型机器人，不具备灵活步态运动和作业能力。

可见，目前在腿足机器人运动控制方法上，针对双足、四足、六足等机器人的步态运动方法很多，但无法针对腿臂复用六足机器人实现步态运动与臂式作业协调控制的方法。

发明内容

为了解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题，本发明提供基于腿臂复用六足机器人的控制方法和机器人，通过变换中间的腿机构可实现六足、四足双臂等运动模式，步态运动过程中可实时优化支撑力并调整运动轨迹，实现一定外力扰动下的鲁棒运动。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个方面提供基于腿臂复用六足机器人的控制方法，包括以下步骤：

以腿臂复用六足机器人的躯干质心为原点构建模型，利用机器人腿部支撑点相对于质心点的位置向量和躯干质心处的虚拟支撑力，获取机器人各支撑腿的前馈力；

利用机器人躯干的浮动自由度、机器人关节的运动自由度和已获得的各支撑腿前馈力，构建机器人全身动力学模型，获取机器人各支撑腿的关节扭矩；

利用机器人位置坐标的变化，获取机器人非支撑腿摆动轨迹中的关节角度和关节扭矩；

基于机器人各支撑腿的关节扭矩和非支撑腿的关节角度与关节扭矩实现机器人控制。

获取机器人各支撑腿前馈力的过程中，将机器人躯干质心处设定的虚拟支撑力分配到支撑腿上，获取各支撑腿在设定坐标系下的虚拟支撑力。

获取机器人各支撑腿关节扭矩的过程包括，将机器人步态运动和臂式作业按照优先级高低划分，将低优先级任务映射到高优先级任务的零空间中，获得目标任务下的关节加速度；

利用关节加速度和各支撑腿的虚拟支撑力获取各支撑腿的关节扭矩。

机器人步态运动和臂式作业划分为：躯干移动任务、躯干旋转任务、支撑腿任务、摆动腿任务和臂式摆动任务。

机器人非支撑腿摆动轨迹包括腿式运动轨迹和臂式运动轨迹。

本发明的第二个方面提供实现上述控制方法的机器人，包括机器人躯干和连接在躯干上且成对布置的六组腿机构。

机器人躯干中部两侧分别设有腿机构，机器人躯干前部和后部的四组腿机构均与机器人躯干活动连接。

机器人躯干中部两侧分别设有第一运动关节，第一运动关节与第四运动关节连接，第四运动关节与第二运动关节连接，第二运动关节与第三运动关节连接。

腿机构包括活动连接的大腿连杆和小腿连杆，第二运动关节与大腿连杆连接带动大腿连杆运动，第三运动关节通过连杆传动实现小腿连杆运动。

第一运动关节绕机器人行进方向运动，驱动腿机构做内收外摆运动，实现位于机器人躯干中部两侧的两组腿机构在腿运动模式和臂作业模式间切换；第四运动关节绕垂直方向运动，带动腿机构在腿运动模式和臂作业模式协调运动。

与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

1、腿臂复用结构的机器人通过变换中间的腿机构可实现六足、四足双臂等运动模式，从而满足不同的作业需求。

2、机器人步态运动过程中可实时优化各腿机构的支撑力，并利用各腿机构之间的配合调整运动轨迹，实现一定外力扰动下的鲁棒运动。

3、机器人臂式作业时灵活配置为单臂和双臂模式，实现推移、抓取等多种作业。

4、机器人步态运动过程中，中间双臂同时作业，可实现边移动边作业的灵活移动作业控制。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明一个或多个实施例提供的世界坐标系下腿臂复用六足机器人结构示意图；

图2是本发明一个或多个实施例提供的控制方法流程图。

图3(a)是本发明一个或多个实施例提供的机器人多步态运动仿真过程中的三角步态示意图；

图3(b)是本发明一个或多个实施例提供的机器人多步态运动仿真过程中的具有六足腾空相的三角步态示意图；

图3(c)是本发明一个或多个实施例提供的机器人多步态运动仿真过程中的跳跃步态示意图；

图3(d)是本发明一个或多个实施例提供的机器人多步态运动仿真过程中的径直起跳步态示意图；

图4(a)是本发明一个或多个实施例提供的机器人移动作业仿真过程中的动态双臂作业示意图；

图4(b)是本发明一个或多个实施例提供的机器人移动作业仿真过程中的静态单臂作业示意图；

图中：1、第一运动关节；2、第二运动关节；3、第三运动关节；4、第四运动关节；5、大腿连杆；6、小腿连杆。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

以下实施例涉及的腿臂复用六足机器人是一种具有六条“腿”的机器人，如图1所示，其中的前、后两对腿机构用于机器人的移动，中间一对腿机构可以在“臂”与“足”之间转换，六条腿机构各自独立控制，使机器人具备六足、四足双臂、五足单臂等不同运动作业模式，从而满足不同的作业需求。

实施例一：

如图2所示，本实施例的目的是提供基于腿臂复用六足机器人的控制方法，包括以下步骤：

以腿臂复用六足机器人的躯干质心为原点构建模型，利用机器人腿部支撑点相对于质心点的位置向量和躯干质心处的虚拟力，获取机器人各支撑腿的前馈力；

利用机器人躯干的浮动自由度、机器人关节的运动自由度和已获得的各支撑腿前馈力，构建机器人全身动力学模型，获取机器人各支撑腿的关节扭矩；

利用机器人位置坐标的变化，获取机器人非支撑腿摆动轨迹中的关节角度和关节扭矩；

基于机器人各支撑腿的关节扭矩和非支撑腿的关节角度与关节扭矩实现机器人控制。

具体过程为：

首先根据作业需求期望的运动模式确定腿臂复用六足机器人中间两个腿机构处于腿运动模式还是臂作业模式，中间腿机构的腿-臂模式变换由第一运动关节1的运动来实现，第一运动关节1绕机器人行进方向为轴旋转实现模式切换，本实施例中如图1所示，第一运动关节1绕x轴旋转实现模式切换，作为“腿”运动时第一运动关节角在0r ad周围运动，作为“臂”作业时第一运动关节在πrad周围运动。腿-臂不同模式运动通过规划腿部运动轨迹和臂式作业轨迹来实现。

“0rad”表示的弧度为零，指整个腿机构处于垂直向下且第一运动关节1不发生运动的位置；“πrad”指第一运动关节1绕x轴旋转，旋转范围对应的弧度为π。

确定机器人工作模式后，对机器人的步态运动和臂式作业控制方法分成四步，如下：

第一步，获取支撑腿的支撑力；

第二步，基于全身动力学模型获取关节扭矩；

第三步，获取非支撑腿摆动轨迹；

第四步，通过关节扭矩伺服实现期望运动。

具体的：

第一步：构建运动控制模型，将机器人简化为以躯干质心为原点的模型，如图1所示，{O-xyz}({O})表示机器人肢体的本地坐标系，{W-xyz}({W})表示世界坐标系；为维持机器人稳定，假设机器人躯干质心处的虚拟力为[^BF ^BT]^T，则将虚拟力分配到支撑腿上得到如下表示形式：

其中，上式中的F_i＝[f_ix f_iy f_iz]^T表示支撑腿上xyz方向的虚拟支撑力，p_i＝[x_i y_iz_i]^T表示支撑点相对于质心点的位置向量，I表示单位矩阵，p_i×表示位置向量的叉乘形式，G表示重力向量。

按照虚拟弹簧阻尼模型设计世界坐标系下的虚拟力^wF，通过世界坐标系到躯干坐标系的旋转矩阵^BR_w将^wF变换为^BF：

^BF＝^BR_w ^wF

其中，P_d∈R^3×1表示世界坐标系下的期望位置向量，P_f∈R^3×1表示机器人当前位置向量，K_p∈R^3×3和K_d∈R^3×3为对角阵，表示虚拟弹簧刚度和阻尼系数。

虚拟扭矩^BT按照如下公式计算:

其中θ_d∈R^3×1表示期望姿态角，包括横滚角、俯仰角和偏航角，θ_f表示反馈的实际值，K_pθ∈R^3×3，K_dθ∈R^3×3为刚度和阻尼参数对角矩阵。将公式整理为线性表达式，如下：

求解x，即最优支撑力，则变成一个求解线性矩阵的形式，由于上述公式中A矩阵不满秩，该问题转换为如下式所示的凸优化问题：

s.t.

优化目标第一项为期望虚拟力满足支撑肢体的分配约束，第二项为分配的支撑力尽量小，即用尽量小的输出力满足期望目标，优化约束中用摩擦锥模型约束支撑腿不打滑。

第二步：定义表示整个机器人的配置空间，其中/>表示躯干的6个浮动自由度，/>表示关节的20个自由度。机器人的动力学方程可表示为如下：

其中M表示惯性矩阵，C表示科式力和离心力，G表示重力项，Sj是选择矩阵，Fr是支撑力，即上一节通过VM求解出的前馈力。

将机器人步态运动和臂式作业按照优先级高低总结为如下任务：躯干移动任务、躯干旋转任务、支撑腿任务、摆动腿任务和臂式摆动任务。通过如下公式将低优先级任务映射到高优先级任务的零空间中，由此迭代实现整体机器人优先级任务规划，得到目标关节加速度：

其中表示第i个优先级任务的加速度，/>表示i-1个优先级任务加速度，/>是期望的目标任务加速度，J_i是第i个任务的雅可比矩阵，/>是J_i的求导结果，/>表示高优先级任务的零空间映射矩阵的逆，J_i|pre的计算方法如下式：

J_i|pre＝J_iN_i-1

N_i-1＝N₀N_1|0...N_i-1|i-2

J_c为支撑腿的雅可比矩阵，根据以上迭代得到执行具有优先级任务的加速度对基于虚拟模型计算的前馈力F_r和全身运动优先级任务加速度中浮动基座加速度/>进行微调，使他们满足动力学方程中躯干的加速度约束。设置优化变量δ_fr和δ_f分别为F_r和/>的调整量，即该问题可描述为：

s.t.

F_r＝F_r+δ_fr

WF_r≥0

约束的第一条为躯干上的加速度等式约束，最后一条为支撑腿对应的摩擦锥约束。该QP实现对δ_fr和δ_f调整量最小情况下满足动力学方程的解，通过该最优解得到最后的加速度和最终的支撑力F_r，可以求解主动关节需要施加的扭矩。

第三步：(1)摆动腿完成期望抬腿高度并通过落足点位置维持机器人运动速度的稳定，在世界坐标系{W}下的机器人x，y方向摆动相落足点设计为：

公式右边第一项P_com表示机器人质心在世界坐标系下的位置，第二项为依据当前机器人世界坐标系下的速度V和摆动剩余时间T_f估计的质心移动位置，第三项为机器人实现转向控制时期望的髋关节原点位置在世界坐标系下的位置，其中^BP_hip表示髋关节原点位置在机器人躯干坐标下的位置，ω_z表示期望的机器人沿着z轴的旋转角速度，T s表示支撑腿持续时间，第四项和第五项为维持目标运动速度的计算补偿方法，k_v为速度误差的补偿系数，V_d是期望机器人运动速度。

(2)臂式摆动关节轨迹规划为：

其中θ_i,init表示关节i初始位置，J_a表示臂式末端位置的雅可比矩阵，P_d表示肢体坐标系{O}下臂的末端期望位置，表示臂的末端速度期望值，/>表示臂的末端速度的实际值。

(3)腿-臂模式变化：

为实现机器人中间腿机构的腿-臂模式变换，机器人处于站立时设计中间腿机构的第一运动关节运动轨迹如下实现平滑切换：

θ_d,0＝θ_0,initλ+(1-λ)θ_0,d

其中θ_d,0表示切换过程中第一关节期望关节角，θ_0,init为第一运动关节模式变换前的关节角度值，θ_0,d为第一关节角实现模式变换后的关节角度值，其中λ表示平滑过渡比例系数，其通过指定模式切换时间T_sw和当前切换进行时间t计算。

模式变换完成后的各个腿机构运动根据(1)(2)规划的运动轨迹进行运动，实现腿式步态和臂式作业。

第四步，机器人关节伺服控制，通过上述步骤计算出关节扭矩或关节角度，最终通过如下公式统一计算最终关节伺服扭矩：

其中τ_r是VM_WBC方法(即上文中“第一步-第三步”的步骤)计算的关节扭矩，k_p,j和k_d,j是关节PD伺服参数，θ_i,ref和表示关节角度和角速度的期望值，θ_i和/>表示关节角度和角速度的实际值。

如图3所示，基于上述过程可实现机器人多步态运动。

如图4所示，基于上述过程可实现腿臂复用六足机器人的四足双臂移动作业(动态双臂作业，即机器人中间的两组腿机构作为“臂”进行作业，例如抓取、夹持等动作，另外四组腿机构作为“足”实现移动作业)和单臂作业运动(静态单臂作业，即机器人中间两组腿机构中的其中一组作为“臂”进行作业，例如推动物体或按动某些开关，另外五组腿机构作为“足”实现移动作业)。

上述过程涉及的腿臂复用结构机器人，通过变换中间的腿机构可实现六足、四足双臂等运动模式，从而满足不同的作业需求。

机器人多步态运动和臂式作业运动一体化控制，机器人步态运动过程中可实时优化各腿机构的支撑力，并利用各腿机构之间的配合调整运动轨迹，实现一定外力扰动下的鲁棒运动；机器人臂式作业时灵活配置为单臂和双臂模式，实现推移、抓取等多种作业；机器人步态运动过程中，中间双臂同时作业，可实现边移动边作业的灵活移动作业控制。

实施例二：

实现上述控制方法的机器人，包括：机器人躯干和连接在躯干上且成对布置的六组腿机构，位于机器人躯干前部和后部的四组腿机构与机器人躯干活动连接，位于机器人躯干中部两侧分别设有第一运动关节1，第一运动关节1与第四运动关节4连接，第四运动关节4与第二运动关节2连接，第二运动关节2与第三运动关节3连接。

大腿连杆5和小腿连杆6形成腿机构，第二运动关节2与大腿连杆5连接带动大腿连杆运动，第三运动关节3通过连杆传动实现小腿连杆6运动；第一运动关节1绕机器人行进方向运动，驱动腿机构内收外摆运动，实现位于机器人躯干中部两侧的两组腿机构在腿运动模式和臂作业模式间切换；第四运动关节4绕垂直方向运动，带动腿机构在腿运动模式和臂作业模式协调运动。

机器人躯干前部和后部的腿机构均由三自由度关节(大腿连杆运动、小腿连杆运动和腿机构内收外摆运动)和连杆组成，中间两条腿机构连接的四组运动关节各自具有一个自由度，则腿臂复用六足机器人的六条腿机构共有20个自由度，因此在实施例一的全身动力学模型中，利用表示关节的20个自由度。

上述过程涉及的腿臂复用结构机器人，通过变换中间的腿机构可实现六足、四足双臂等运动模式，从而满足不同的作业需求。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于腿臂复用六足机器人的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

根据作业需求期望的运动模式确定腿臂复用六足机器人中间两个腿机构处于腿运动模式还是臂作业模式；

以腿臂复用六足机器人的躯干质心为原点构建模型，利用机器人腿部支撑点相对于质心点的位置向量和躯干质心处的虚拟支撑力，获取机器人各支撑腿的前馈力；

利用机器人躯干的浮动自由度、机器人关节的运动自由度和已获得的各支撑腿前馈力，构建机器人全身动力学模型，获取机器人各支撑腿的关节扭矩；

利用机器人位置坐标的变化，获取机器人非支撑腿摆动轨迹中的关节角度和关节扭矩；

基于机器人各支撑腿的关节扭矩和非支撑腿的关节角度与关节扭矩实现机器人控制；

获取机器人各支撑腿前馈力的过程中，将机器人躯干质心处设定的虚拟支撑力分配到支撑腿上，获取各支撑腿在设定坐标系下的虚拟支撑力；

获取机器人各支撑腿关节扭矩的过程具体为：

将机器人步态运动和臂式作业按照优先级高低划分，将低优先级任务映射到高优先级任务的零空间中，获得目标任务下的关节加速度；

利用关节加速度和各支撑腿的虚拟支撑力获取各支撑腿的关节扭矩；

对各支撑腿上的虚拟支撑力和全身运动优先级任务加速度中浮动基座加速度进行微调，使他们满足动力学方程中躯干的加速度约束，具体为：

s.t.

WF_r≥0

其中，F_r为各支撑腿的支撑力，为全身运动优先级任务加速度中浮动基座加速度，/>为最后的加速度，/>为F_r的调整量，δ_f为/>的调整量；

为实现机器人中间腿机构的腿-臂模式变换，机器人处于站立时设计中间腿机构的第一运动关节运动轨迹如下实现平滑切换：

θ_d,0＝θ_0,initλ+(1-λ)θ_0,d

其中，θ_d,0表示切换过程中第一关节期望关节角，θ_0,init为第一运动关节模式变换前的关节角度值，θ_0,d为第一关节角实现模式变换后的关节角度值，λ表示平滑过渡比例系数，T_sw表示指定模式切换时间，t表示当前切换进行时间。

2.如权利要求1所述的基于腿臂复用六足机器人的控制方法，其特征在于：机器人步态运动和臂式作业划分为：躯干移动任务、躯干旋转任务、支撑腿任务、摆动腿任务和臂式摆动任务。

3.如权利要求1所述的基于腿臂复用六足机器人的控制方法，其特征在于：机器人非支撑腿摆动轨迹包括腿式运动轨迹和臂式运动轨迹。

4.一种实现如权利要求1-3任一项所述控制方法的机器人，包括机器人躯干和连接在躯干上且成对布置的六组腿机构。

5.如权利要求4所述的机器人，其特征在于：所述机器人躯干中部两侧分别设有腿机构，机器人躯干前部和后部的四组腿机构均与机器人躯干活动连接。

6.如权利要求5所述的机器人，其特征在于：所述机器人躯干中部两侧分别设有第一运动关节，第一运动关节与第四运动关节连接，第四运动关节与第二运动关节连接，第二运动关节与第三运动关节连接。

7.如权利要求6所述的机器人，其特征在于：所述腿机构包括活动连接的大腿连杆和小腿连杆，第二运动关节与大腿连杆连接带动大腿连杆运动，第三运动关节通过连杆传动实现小腿连杆运动。

8.如权利要求6所述的机器人，其特征在于：所述第一运动关节绕机器人行进方向运动，驱动腿机构做内收外摆运动，实现位于机器人躯干中部两侧的两组腿机构在腿运动模式和臂作业模式间切换；第四运动关节绕垂直方向运动。