CN113696994A - 一种四足机器人可控多点接触地面的腿部结构及控制方法 - Google Patents

Abstract

本公开的实施例，提供一种四足机器人可控多点接触地面的腿部结构及控制方法，小臂包括两个或两个以上彼此分离的地面接触点；多个地面接触点可独立驱动；本公开具有结构简单，可靠性高，并具备低成本大规模制造的可能性；本公开兼容传统四足机器人的高通过性，传统控制可直接移植到本公开应用上；除此之外，传统四足机器人属于欠驱动系统，上身有6个自由度，但却只能提供5个独立控制。而本公开可以令四足机器人具备全时且持续的上身全部6自由度的6个独立控制。本公开使得四足机器人以简单的整体布局实现全驱动系统，在不影响传统四足机器人高通过性，高适应性的同时，极大的提高了四足机器人的稳定性。

Description

一种四足机器人可控多点接触地面的腿部结构及控制方法

技术领域

本公开的实施例涉及机器人技术领域，尤其涉及一种四足机器人可控多点接触地面的腿部结构及控制方法。

背景技术

目前现有高性能四足机器人每条腿与地面接触方式绝大多数是单点(或单区域)接触。单条腿以多个独立可控的分离点(或分离区域)与地面相接触的四足机器人非常少见，因为目前此类腿的机械结构过于复杂，驱动困难。难以满足高性能运动要求。

现有技术存在缺陷有以下几点：

(1)传统四足机器人的足底单接触点易出现滑动，严重影响机器人的稳定性。

(2)传统单一接触点四足机器人，例如波士顿动力Spot,或MIT mini-Cheetah，是欠驱动机器人系统。传统四足机器人系统虽然拥有12个或12个以上的作动执行器，但传统结构使得机器人在双足站立，双足抬腿时，只拥有5个独立的控制作用。而机器人上身在空间中拥有6个独立自由度。也就是说，传统四足机器人以对角步态或单边步态行走的任意时刻都是不完全可控的。欠驱动是影响传统四足机器人行走稳定性，通过性，以及控制鲁棒性问题的根源所在。

(3)某些现有单腿单接触面的四足机器人例如CN108001560A,虽具备6个完全可控自由度，但是结构组成过于复杂。自身的重量显著增大。单腿的质量分布受到方案机械结构的限制，其单腿的重心不得不远离身体，难以满足高性能动力学要求。

某些现有单腿多点接触面四足机器人，例如CN113129729A并不能实现完全可控的6个独立自由度。其单腿的第一手指与第二手指通过齿轮啮合。一个驱动单元驱动两个手指，因此两个手指并非独立驱动。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本公开的实施例提供一种四足机器人可控多点接触地面的腿部结构及控制方法，实现单腿多点接触地面，让四足机器人具备完全6自由度可控的驱动能力。

为达到上述目的，本公开一方面提供了一种四足机器人可控多点接触地面的腿部结构，每条单腿包括上臂以及至少两个铰接至上臂的下臂；

所述上臂具有横向摆动和前后摆动驱动单元；

每个所述下臂具有足端，至少两个所述下臂能够独立驱动前后摆动。

本公开第二方面一种四足机器人可控多点接触地面的腿部结构，其特征在于，包括上臂、中臂以及至少两个铰接至中臂的下臂；

所述上臂具有横向摆动和前后摆动驱动单元；

所述中臂铰接至所述上臂；

每个所述下臂具有足端，至少两个所述下臂能够独立驱动前后摆动。

本公开第三方面提供一种四足机器人，其特征在于，至少一个腿采用所述的四足机器人可控多点接触的腿部结构。

本公开第四方面提供一种所述四足机器人的控制方法，包括：单个所述腿部结构中各个小臂同时着地，形成一个等效的虚拟着地点；

每个所述腿部结构外侧的两个下臂分别为第一下臂和第二下臂，所述第一下臂和所述第二下臂独立驱动，第一驱动力矩和第二驱动力矩分别施加至所述第一下臂和所述第二下臂；调整第一驱动力矩和第二驱动力矩的差值，进而调整所述虚拟着地点的位置。

本公开的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

(1)本公开机器人腿部结构与地面多点接触，对于复杂多变的路面有更好的抓地力，脚底不易出现滑动。

(2)与传统单腿单点接触相比，本公开的单腿多点接触可以给机器人提供更多的路面信息，可以显著提高机器人位姿估算的准确性。。

(3)本公开机器人腿的质量分布主要集中在腿与身体结构的连接部，能够显著降低腿摆动时的转动惯量，有利于机器人高速奔跑与跳跃。

(4)采用该腿部结构的机器人，可以解耦机器人上身横滚角控制(roll控制)和上身侧向水平控制(z方向水平控制)。极大的简化了四足机器人控制方式，并取得了传统四足机器人无法做到的完全解耦控制效果。

(5)传统四足机器人属于欠驱动系统，上身有6个自由度，但却只能提供5个独立控制。而本公开可以令四足机器人具备全时且持续的上身全部6自由度的6个独立控制。本公开使得四足机器人以简单的整体布局实现全驱动系统，在不影响传统四足机器人高通过性，高适应性的同时，极大的提高了四足机器人的稳定性。

附图说明

图1是一个实施例中单腿多接触点四足机器人侧向示意图；

图2是图1中单腿多接触点四足机器人前向示意图；

图3是一个实施例中四足机器人机械机构原理图；

图4为链条传动方式示意图；

图5(a)为传统单接触点腿部出力原理示意图，图5(b)为多接触点腿部出力原理示意图；

图6(a)为传统四足机器人转矩T和F_z关系示意图；图6(b)为本公开实施例中产生横推机器人身体的力时，四足机器人转矩T和F_z关系示意图；

图6(c)为本公开实施例中产生令机器人滚转的力矩但不需要横推时，四足机器人转矩T和F_z关系示意图；

图7为链条传动实施例腿部结构分解视图；

图8为连杆传动实施例腿部结构示意图；

图9(a)为传统类蜘蛛型四足机器人；图9(b)为采用本公开腿部结构的类蜘蛛型四足机器人。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合具体实施方式并参照附图，对本公开进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在本公开的实施例的描述中，术语“包括”及其类似用语应当理解为开放性包含，即“包括但不限于”。术语“基于”应当理解为“至少部分地基于”。术语“一个实施例”或“该实施例”应当理解为“至少一个实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。

本公开提供一种四足机器人可控多点接触地面的腿部结构，包括上臂以及至少两个铰接至上臂的下臂；所述上臂具有横向摆动和前后摆动驱动单元；每个所述下臂具有足端，至少两个所述下臂能够独立驱动前后摆动。

本公开提供的又一种四足机器人可控多点接触地面的腿部结构，包括上臂、中臂以及至少两个铰接至中臂的下臂。所述上臂具有横向摆动和前后摆动驱动单元；所述中臂铰接至所述上臂；每个所述下臂具有足端，至少两个所述下臂能够独立驱动前后摆动。

进一步地，对于包含2个独立下臂部分的腿部结构。2个下臂分别装有各自独立的驱动单元。两个下臂相对于与之铰接的上臂或中臂具备分别独立的可控的自由度。换而言之，第一下臂与上臂(或中臂)的夹角1与第二下臂与上臂(或中臂)的夹角2，通过驱动单元的控制能够做到相等，也能够做到不相等。

进一步地，对于包含2个以上(3个，4个…)独立下臂。其中的2个下臂必须安装独立的驱动单元，其余下臂可以安装驱动单元，也可以不安装驱动单元。优选的，至少外侧的两个下臂具有驱动单元。

进一步地，单个小臂的结构本体可以采取对称结构，例如MIT Cheetah-3,也可以采取非对称结构例如波士顿动力Spot。

进一步地，多个小臂之间外形可以相似，也可以不相似。甚至小臂的长度可以相同，也可以不相同。

进一步地，下臂的驱动单元通常安装在上臂，靠近上身的位置，并通过某种机械方式传动功率，以减小整个腿部结构的转动惯量。下臂驱动单元的传动形式，包括并不仅限于：连杆传动，例如MIT Cheetah-2的传动形式；链条传动，例如MIT Cheetah-3的传动形式；同步带传动，例如MIT mini-Cheetah的传动形式；滚珠丝杆滑块连杆传动，例如波士顿动力Spot的传动形式；无传动机构作动器直接驱动，例如ANYbotics ANYmal的传动形式，驱动单元直接安装在下臂与上臂的铰链处。进一步地，下臂的驱动单元可以安装在所述上臂或者中臂的任何部分，通过机械方式传动功率。

四足机器人单腿与地面接触区域是可控多点接触。利用两足站立时前后双腿的多点接触构成虚拟接触面，使得四足机器人随时随地都能具有独立的6个完整可控自由度。让四足机器人从传统的欠驱动系统变成全时完全可控系统。

在传统四足机器人腿部结构上多加了一组或多组小臂结构。使得单腿质量增加十分有限。更重要的是，用到的所有驱动单元都可以安装在腿部结构与身体结合的根部，可以减小整条腿的转动惯量，以满足高性能四足机器人的动力学要求。

进一步地，四足机器人的四条腿中至少一个腿采用所述的四足机器人可控多点接触的腿部结构。四足机器人膝盖弯曲方向任意，膝盖弯曲部分向前弯曲，部分向后弯曲或者全部向后弯曲，或者全部向前弯曲。

在一个实施例中，单腿多接触点四足机器人整体的自由度分布结构示意图，如图3所示。四足机器人每个腿部结构4个自由度4个作动单元。机器人总共16个自由度，16个作动单元。其中每个腿部结构膝盖部分拥有2个共轴的旋转自由度。

以其中一条腿为例，这4个自由度分别是令腿左右摆动的自由度①。令腿前后摆动的自由度②。自由度③和自由度④同轴，分别是两个小臂与大臂独立摆动的自由度。

图4中示意了单个腿部结构。大臂的结构本体1-1，在膝盖部分连接有2个独立的小臂2-1和3-1。小臂2-1由作动单元2-3通过链条驱动。小臂3-1由作动单元3-3通过链条驱动。控制大臂的两个作动单元1-2和1-3，作动单元1-2负责整条腿的前后摆动，对应图3中的自由度②，作动单元1-3负责整条腿的左右摆动，对应图3中的自由度①。

在机器人行走过程中，本公开腿部结构的每个单腿中多个小臂在机器人腿支撑身体时，几乎总是同时着地。多个着地的小臂同时提供支撑力，共同形成一个等效的虚拟着地点。在抬腿摆动时，多个小臂也几乎总是同时离地。

图5给出了本公开腿部结构出力原理相比传统四足机器人腿部结构出力原理的差异。传统四足机器人腿部结构与地面接触为单点O。该腿部结构通过调整三个自由度所出的力矩T₁,T₂,T₃，可在末端O产生一个对地面的作用力F_leg。该力的方向由T₁,T₂,T₃的不同组合决定，可以是任意方向。但该力F_leg，必须通过O点。

本公开中的腿部结构与地面接触是多点，如图5b中是O₁和O₂。本公开中的腿部结构对地面产生的作用力是F_leg。由于T₃和T₄是共轴的，那么T₃+T₄的合转矩T₃₄等价于传统腿的T₃。因此F_leg的作用方向也是任意的。由受力分析可知，本公开中腿部结构的等效作用点O_v一定在以实际作用点O₁与O₂为两端点的线段上。O_v的具体位置，通过简单分析可知，由T₃与T₄的线性组合控制。例如若T₃＝0，T₄≠0，则O_v在O₂处；若T₃≠0，T₄＝0，则O_v在O₁处；若T₃＝T₄,则O_v在O₁与O₂的中点处。

由此可见，相对于传统单点接触腿，本公开中的腿部结构放松了对出力作用点的限制。由之前的作用力必须过O点的约束，变成了作用力只要通过O₁,O₂之间任意一点即可的约束。本公开为四足机器人所增加的在不移动实际落脚点的情况下，能够任意选择出力作用点的这个新功能为机器人提供了之前所缺失的控制能力。

图6给出了传统四足机器人腿与本公开四足机器人腿控制模型的差异。机器人的腿在站立时都需要产生支持身体的力F_l，该力需要始终通过接触点O并指向机器人重心。对于传统四足机器人如图6a所示，当机器人需要产生水平的控制力F_z时，机器人腿则产生F_l和F_z两个力，这两个力的合力如图6a所示。显而易见，由于力必须过O点的限制，这个合力无法通过机器人重心，因此将产生一个对机器人逆时针旋转的转矩。而这个转矩将迫使机器人身体发生不希望的滚转。这个转矩是干扰稳定的转矩。另一方面，当机器人身体需要滚转时，腿必须产生一个对重心M的转矩。由于力必须过O点的限制，腿只能产生一个过O点且偏离重心的力，仍然如图6a所示。但负面效果是，传统腿产生的这个产生滚转的力在水平方向也有分量F_z。它将不可避免的把重心向右横推。

也就是说，当希望横推机器人时，腿会产生不希望的滚转力矩。当只希望产生滚转时，腿又不得不产生有害的横推水平力。两个效果只能同时出现，这是传统四足机器人无法逾越的结构缺陷。

另一方面，本公开提出的可控多点接触地面腿部结构的情况如图6b与图6c所示。当只希望产生横推机器人身体的力时(如图6b)，腿部结构可以产生通过虚拟接触点O_v并通过重心M的力。只要通过计算合理分配T₃,T₄的值，即可将腿部结构的等效接触点O_v向O₁靠近。这个力的水平分量可以造成水平横推的效果。又因为过重心，因此该力不产生滚转作用。同理，当只需要产生令机器人滚转的力矩但不需要横推时(如图6c)，只要通过计算合理分配T₃,T₄的值，使得等效接触点O_v向O₂靠近，并保持力的方向与F_l平行。如此一来，腿产生的力则只产生滚转的转矩而不产生横推力。

换句话说，当本公开的多点接触四足机器人腿站立在地面时，在不移动脚实际位置的情况下，本公开就能够做到将腿部结构与地面的虚拟接触点O_v(等效作用力的作用点)移动到所需要的位置。移动O_v可以解开横推与滚转的耦合限制。二者不再必须同时出现。

以典型的机器人参数估算：例如一个行走时0.4米高，自重30kg的四足机器人，若单腿两接触点之间距离8厘米，则在任意时刻都可以拥有±0.1g的侧向助推加速度，且不会带来滚转的负面扰动，如图6b所示。同样，也可为机器人提供约±12牛米的滚转修正力矩，且不产生左右横推的负面扰动，如图6c所示。从而极大的提高了四足机器人任意时刻的稳定性。

图7所示的实施例中，采用链条传动方案。大臂结构本体1-1连接至两个独立的小臂2-1和3-1。设置贯穿膝盖的膝盖主轴1-4，大臂与两个小臂之间通过若干轴承铰接在膝盖轴上。两个小臂相对大臂的旋转自由度共轴，并与膝盖主轴1-4共线。

作动器2-3的定子部分安装在大臂1-1上，其转子刚性安装在2-4链轮上。两个链轮2-4与2-5分别与链条2-2啮合在一起，构成传动机构。下方的链轮2-5与小臂2-1刚性连接。作动器2-3驱动小臂2-1前后摆动。

类似地，作动器3-3的定子部分安装在大臂1-1上，其转子刚性安装在3-4链轮上。两个链轮3-4和3-5分别与链条3-2啮合在一起，构成传动机构。下方的链轮3-5与小臂3-1刚性连接。作动器3-3驱动小臂3-1前后摆动。

图8所示的实施例中，采用连杆传动。与图7类似，图8中的连杆2-6代替了图7中的链条2-2，完成作动器2-3与小臂2-1的传动。

图8中的连杆3-6代替了图7中的链条3-2，完成作动器3-3与小臂3-1的传动。

另一方面提供一种所述四足机器人驱动控制方法，包括：每个所述腿部结构的各个小臂同时着地，形成一个等效的虚拟着地点；每个所述腿部结构外侧的两个下臂分别为第一下臂和第二下臂，所述第一下臂和所述第二下臂独立驱动，第一驱动力矩和第二驱动力矩共轴分别施加至所述第一下臂和所述第二下臂；调整第一驱动力矩和第二驱动力矩的差值，进而调整所述虚拟着地点的位置。进一步地，当第一驱动力和第二驱动力的差值为0时，等效的虚拟着地点位于第一下臂足端和第二下臂足端连线的中点。

当机器人腿部结构离开地面在空中摆动时，将小臂1与小臂2当成一个虚拟小臂。此时，令两个小臂与上臂的夹角始终相等。此时，本公开的腿等效于传统四足机器人腿，将两个小臂的足端中点当成需要规划的落脚点，应用传统四足机器人的摆动腿规划算法和控制策略。

当机器人腿部结构接触地面时，对于着地的两个单腿实施力控制。此时通过四足机器人上身算法得出质心的6个控制目标：1个竖直的支持力，2个水平方向的推力，3个方向角控制所需要的3个转矩。将这6个目标力/力矩通过机器人反向动力学计算(或者使用WBC,WBIC等等多种流行算法)即可分别得到两条着地支撑腿以及两条摆动腿每个关节总共16个自由度的目标转矩。命令作动器执行该命令即可完成控制。

相对而言，对于传统四足机器人，这一步的计算是无法满足的。对于传统四足机器人，任何算法都只能满足上身6个控制目标其中的5个或4个，都需要舍弃1个或2个目标。然后再令作动单元执行反向动力学所计算出的对应自由度的目标转矩。

从另一个角度来看，对于应用本公开的四足机器人的腿腿部结构落地时，单腿的四个自由度采用直接力矩控制(或者伪力矩控)。此时小臂1与大臂的夹角1以及小臂2与大臂的夹角2会随着机器人身体各部件的动力学约束自发改变。此时，两个夹角的角度，或其角速度无需主动干预。夹角1与夹角2都在随时变化，既可能相等，也可能不相等。

只有当应用本公开的四足机器人抬腿摆动时，对单腿的四个自由度需要采用位置和速度控制。此时，可以令夹角1与夹角2始终相等即可。

图9b给出了利用本公开腿组成四足机器人的另一种可能的总体方案。类蜘蛛型机器人也是较为流行的四足机器人方案。相比机器狗型机器人，类蜘蛛型机器人特点在于腿的工作空间更大，理论上的通过性更高。但对每个关节和结构的硬件要求更苛刻。此类机器人也可以应用本公开所述的多接触点方案。与机器狗方案类似，此类机器人只是大臂小臂的相对长度不同。控制策略类似，行为和效果也类似。

简而言之，此种构型中每条腿的多个小臂也是几乎同时着地，同时离地。单腿中的多个小臂同时提供支撑力，共同形成一个等效的虚拟着地点。

综上所述，本公开涉及一种四足机器人可控多点接触地面的腿部结构及控制方法，小臂包括两个或两个以上的地面接触点；多个地面接触点可独立驱动；本公开具有结构简单，可靠性高，并具备低成本大规模制造的可能性；本公开兼容传统四足机器人的高通过性，传统控制可直接移植到本公开应用上；除此之外，传统四足机器人属于欠驱动系统，上身有6个自由度，但却只能提供5个独立控制。而本公开可以令四足机器人具备全时且持续的全部6自由度的6个独立控制。本公开使得四足机器人以简单的整体布局实现全驱动系统，在不影响传统四足机器人高通过性，高适应性的同时，极大的提高了四足机器人的稳定性。

需要注意的是，本公开是针对可控多点接触四足机器人结构设计的公开。以上提供的控制策略只是本公开可能使用的众多控制策略之一。其目的是介绍本公开独特设计的行为及其作用，并非对是对本公开的限制性描述。

应当理解的是，本公开的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本公开的原理，而不构成对本公开的限制。因此，在不偏离本公开的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。此外，本公开所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (12)

1.一种四足机器人可控多点接触地面的腿部结构，其特征在于，每条单腿包括上臂以及至少两个铰接至上臂的下臂；

所述上臂具有横向摆动和前后摆动驱动单元；

每个所述下臂具有足端，至少两个所述下臂能够独立驱动前后摆动。

2.一种四足机器人可控多点接触地面的腿部结构，其特征在于，包括上臂、中臂以及至少两个铰接至中臂的下臂；

所述上臂具有横向摆动和前后摆动驱动单元；

所述中臂铰接至所述上臂；

每个所述下臂具有足端，至少两个所述下臂能够独立驱动前后摆动。

3.根据权利要求1或2所述的四足机器人可控多点接触的腿部结构，其特征在于，所述下臂为两个，独立驱动两个所述下臂，两个所述下臂倾斜角度独立受控，能够变化成相等或不相等。

4.根据权利要求1或2所述的四足机器人可控多点接触的腿部结构，其特征在于，所述下臂为3个，独立驱动3个所述下臂或者仅独立驱动外侧的两个下臂；

或者所述下臂为4个，独立驱动4个所述下臂或者仅独立驱动外侧的两个下臂。

5.根据权利要求1或2所述的四足机器人可控多点接触地面的腿部结构，其特征在于，每个所述下臂为对称结构或非对称结构；进一步地，各个所述下臂结构相同或不同；进一步地，各个所述下臂长高度相同或不同。

6.根据权利要求1所述的四足机器人可控多点接触地面的腿部结构，其特征在于，所述下臂的驱动单元安装在所述上臂，通过机械方式传动功率。进一步地，机械方式为连杆传动、链条传动、同步带传动、滚珠丝杆滑块连杆传动、无传动机构作动器直接驱动。

7.根据权利要求1所述的四足机器人可控多点接触地面的腿部结构，其特征在于，所述上臂包括第一臂杆、第二臂杆、第一驱动单元、第二驱动单元、第一传动部件以及第二传动部件；

所述第一臂杆和所述第二臂杆之间的空间设置第一传动部件和第二传动部件；所述第一驱动单元通过所述第一传动部件驱动第一下臂，所述第二驱动单元通过所述第二传动部件驱动第二下臂；

所述第一下臂和第二下臂为所述下臂外侧的两个下臂。

8.根据权利要求2所述的四足机器人可控多点接触的腿部结构，其特征在于，所述下臂的驱动单元安装在所述上臂或者中臂的任何部分，通过机械方式传动功率。进一步地，机械方式为连杆传动，链条传动、同步带传动，滚珠丝杆滑块连杆传动，无传动机构作动器直接驱动。

9.一种四足机器人，其特征在于，至少一个腿采用权利要求1至8之一所述的四足机器人可控多点接触地面的腿部结构。

10.根据权利要求9所述的四足机器人，其特征在于，腿部结构膝盖弯曲方向任意。进一步地，膝盖弯曲部分向前弯曲，部分向后弯曲或者全部向后弯曲，或者全部向前弯曲。

11.一种权利要求9或10所述四足机器人的控制方法，其特征在于，包括：单个所述腿部结构中各个小臂同时着地，形成一个等效的虚拟着地点；

每个所述腿部结构外侧的两个下臂分别为第一下臂和第二下臂，所述第一下臂和所述第二下臂独立驱动，第一驱动力矩和第二驱动力矩分别施加至所述第一下臂和所述第二下臂；调整第一驱动力矩和第二驱动力矩的差值，进而调整所述虚拟着地点的位置。

12.一种权利要求10所述四足机器人控制方法，其特征在于，当腿部结构离开地面在空中摆动时，第一下臂与第二下臂同步动作，二者与上臂的夹角大致相等，等效为同一下臂。

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