WO2022252976A1 - 控制机器人进行空翻运动的方法、装置及机器人 - Google Patents

Abstract

一种控制机器人进行空翻运动的方法，机器人包括轮腿部和连接至轮腿部的基座部，轮腿部包括至少一个关节，方法包括：接收运动指令；根据运动指令，控制所述至少一个关节的力矩，以使得机器人进行空翻运动，其中，在空翻运动的起跳阶段，轮腿部质心低于基座部质心，在空翻运动的腾空阶段，存在轮腿部质心高于基座部质心的时刻，在空翻运动的落地阶段，轮腿部质心低于基座部质心。一种机器人和控制机器人空翻的装置也被公开。

Description

控制机器人进行空翻运动的方法、装置及机器人

本申请要求2021年5月31日提交的申请号为202110601860.0、发明名称为“控制机器人进行空翻运动的方法及机器人”的中国专利申请的优先权。

技术领域

本申请涉及人工智能及机器人领域，更具体地涉及一种控制机器人进行空翻运动的方法、装置及机器人。

背景技术

随着人工智能及机器人技术在民用和商用领域的广泛应用，基于人工智能及机器人技术的机器人在智能交通、智能家居等领域起到日益重要的作用，也面临着更高的要求。

当前对机器人，特别是轮腿式机器人进行运动控制时，通常仅涉及对该机器人轮腿部在沿该机器人的前进方向上的运动过程(前向运动过程)的控制，例如控制其处于目标位置或目标速度。然而在面对沟壑、河流等无法通过前向运动避开的障碍物时，机器人还没有对应的运动模式。

发明内容

针对以上问题，本公开提供了一种控制机器人进行空翻运动的方法、机器人及计算机可读存储介质。利用本公开提供的机器人控制方法可以使得机器人在面对沟壑、河流等无法通过前向运动避开的障碍物时，通过空翻运动来越过障碍物。

根据本公开的一方面，提出了一种控制机器人进行空翻运动的方法，所述机器人包括轮腿部和连接至所述轮腿部的基座部，所述轮腿部包括至少一个关节，所述方法包括：接收运动指令；根据运动指令，控制所述至少一个关节的力矩，以使得机器人进行空翻运动，其中，在所述空翻运动的起跳阶段，所述轮腿部质心低于所述基座部质心，在所述空翻运动的腾空阶段，存在所述轮腿部质心高于所述基座部质心的时刻，在所述空翻运动的落地阶段，所述轮腿部质心低于所述基座部质心。

根据本公开的一方面，提出了一种机器人，该机器人包括：轮腿部，包括多个关节；基座部，其连接至该轮腿部；控制器，该控制器设置在该机器人上，且能够执行上述方法。

根据本公开实施例的一个方面，提供了一种控制机器人进行空翻运动的装置，所述装置包括处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集，所述至少一条指令、所述至少一段程序、所述代码集或指令集由所述处理器加载并执行以实现上述方法。

利用本公开提供的控制机器人进行空翻运动的方法、机器人及计算机可读存储介质，可以良好地实现机器人的空翻运动，避开障碍物。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例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公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，在没有做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。以下附图并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制，重点在于示出本公开的主旨。

图1示出了根据本公开实施例的具有单轮腿式构型的左轮腿部及右轮腿部的机器人的结构示意图；

图2A示出了根据本公开实施例的机器人控制方法的示例性流程图。

图2B示出了根据本公开实施例的机器人在空翻运动中的示意图。

图3A示出了根据本公开实施例的机器人的三维结构示意图。

图3B示出了根据本公开实施例的机器人的轮腿部简化示意图。

图4示出了根据本公开实施例的变腿长轮式倒立摆模型的示例图。

图5示出了根据本公开实施例的平面带浮动基全身动力学模型的示例图。

图6示出了根据本公开实施例的机器人在起跳阶段的示意图。

图7示出了根据本公开实施例的机器人在腾空阶段的示意图。

图8示出了根据本公开实施例的机器人在落地阶段的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显而易见地，所描述的实施例仅仅是本公开的部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，也属于本公开保护的范围。

如本公开和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。

虽然本公开对根据本公开的实施例的系统中的某些模块做出了各种引用，然而，任何数量的不同模块可以被使用并运行在用户终端和/或服务器上。所述模块仅是说明性的，并且所述系统和方法的不同方面可以使用不同模块。

本公开中使用了流程图用来说明根据本公开的实施例的系统所执行的操作。应当理解的是，前面或下面操作不一定按照顺序来精确地执行。相反，根据需要，可以按照倒序或同时处理各种步骤。同时，也可以将其他操作添加到这些过程中，或从这些过程移除某一步或数步操作。

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。

本公开技术方案涉及人工智能技术中的机器人技术，特别是涉及机器人智能控制。机器人是利用机械传动、现代微电子技术组合而成的一种能模仿人某种技能的机械电子设备，机器人是在电子、机械及信息技术的基础上发展而来的。机器人的样子不一定必须像人，只要能自主完成人类所赋予他的任务与命令，就属于机器人大家族的成员。机器人是一种自动化的机器，这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。随着计算机技术和人工智能技术的发展，使机器人在功能和技术层次上有了很大的提高，移动机器人和机器人的视觉和触觉等技术就是典型的代表。

本公开涉及一种人工智能在机器人控制方面的应用，具体地，本公开提出了一种基于人工智能的机器人控制方法。该控制方法增加了对机器人的空翻运动的控制，且在综合考虑该机器人的全身动力学及约束方程组的基础上，综合确定该机器人各个关节的力矩以及轮子的驱动力，从而实现对该机器人的空翻运动的控制。

机器人可以包括基座部和带有主动轮的轮腿部(例如，足部为主动轮)。带有主动轮的腿可以使得轮腿式机器人既可以进行行走，也可以进行轮式运动。示例性地，轮腿式机器人还可以包括可控的尾巴，该尾巴可用于平衡轮腿式机器人，也可以辅助轮腿式机器人运动。例如，该尾巴可以辅助轮腿式机器人在腾空阶段的运动。示例性地，轮腿式机器人还可以包括可控的机械臂，机械臂可用于执行如搬运、拾取等操作任务。轮腿式机器人可以包括双足轮腿式机器人、四足轮腿式机器人等，本公开实施例在此不作限定。

基于上述，本公开中提出了一种机器人控制方法。本公开所述的机器人为能够实现自主运动控制的机器人，所述机器人包括轮腿部，所述轮腿部包括至少一个关节。所述轮腿部是指该机器人用于实现运动的轮式部件。在一些实施例中，所述轮腿部包括左轮腿部和右轮腿部，且所述左轮腿部和所述右轮腿部中的每一个包括至少一个关节。

例如，该左轮腿部与该右轮腿部中的每一个包括主动轮及连接至该主动轮的中心轴且用于实现对该主动轮的运动控制的腿部。该主动轮例如可以为单轮、两轮、四轮或其他个数的主动轮构型，且每一个主动轮例如可以通过并联的两个的腿部或串联的多个腿部进行控制。应了解，本公开的实施例不受该左、右轮腿部的具体组成类型及其主动轮数量的限制。

例如，该左轮腿部与该右轮腿部可以包括相同的关节个数且具有相同的关节构型，或者，根据实际需要，该左轮腿部和该右轮腿部例如可以具有不同的关节个数且具有不同的关节构型。本公开的实施例不受该左轮腿部与该右轮腿部所具有的具体关节个数及关节构型的限制。

应了解，根据实际需要，该机器人例如还可以包括连接至该轮腿部的基座部、设置在该基座部上的附加部件。其中，所述基座部是指该机器人的主体部分，例如可以为该机器人的躯干部，该基座部例如可以为连接至该机器人的轮腿部的平面板状部件或长方体状部件，且所述基座部例如经由支架连接至轮腿部。然而，应了解，上述仅给出一种机器人的 结构示例，本公开的实施例不受该机器人的具体组成部件及其连接方式的限制。

所述机器人控制方法包括：在所述机器人进行空翻运动过程中，控制所述轮腿部的所述至少一个关节(以及主动轮)以使得机器人进行空翻运动。在所述空翻运动的起跳阶段，所述轮腿部质心低于所述基座部质心，在所述空翻运动的腾空阶段，存在所述轮腿部质心高于所述基座部质心的时刻，在所述空翻运动的落地阶段，所述轮腿部质心低于所述基座部质心。

基于上述，本公开的实施例，通过对机器人各个关节的联合控制以及对机器人的主动轮的力矩的控制以使得机器人具有更丰富的运动能力。特别地，本公开能够根据实际需要控制该机器人在空中进行空翻，以在机器人构型不变的情况下跳跃至更远的位置，从而实现障碍躲避或其他特定任务需求。

在一些实施例中，所述左轮腿部及所述右轮腿部均为单轮腿式构型。所述单轮腿式构型是指该轮腿部仅包括单个主动轮。图1示出了根据本公开实施例的具有单轮腿式构型的左轮腿部及右轮腿部的机器人的示意图。接下来将结合图1对该单轮腿式构型进行更具体地描述。

如图1所示，其示例性示出了一种机器人的结构示意图。该双足轮腿式机器人100可以包括：基座部101、轮腿部103和轮腿部103中的主动轮104。轮腿部103的一端与基座部101连接，另一端与主动轮104连接。基座部101上装配有动力输出装置(例如，电机)，可用于为驱动轮腿部103的关节提供电力。轮腿部103为并联结构腿(双足轮腿式机器人100的两条腿之间为平衡)，其包含5个关节，且共有2个转动自由度，可以通过调整轮腿部103的各个关节来调整轮腿部的质心高度的变化和基座部质心的高度变化。

例如，与串联结构腿相比，并联结构腿能够具有更强的刚度，可承受带有腾空阶段的运动(如空翻、常规跳跃等运动)中的冲击。在与地面接触时，主动轮104可为轮腿式机器人100提供滑行的运动能力。示例性地，双足轮腿式机器人100还可以包括附加部件102，附加部件102和基座部101连接。附加部件102上可装置被动轮105。附加部件102包括1个转动自由度。附加部件102的运动也会对基座部101和轮腿部103的变化产生影响，例如，带动基座部，使其具有一定的转动速度。由此，可通过调整附加部件102的位置来调节机器人100的平衡与姿态。

参照图1，所述机器人100的轮腿部103包括左轮腿部和右轮腿部，所述左轮腿部及右轮腿部中的每一个包括主动轮及连接至该主动轮的中心轴且用于实现对该主动轮的运动控制的两个并联腿部。例如，该左轮腿部例如包括左主动轮，以及并联的第一左轮腿部及第二左轮腿部；且该右轮腿部例如包括右主动轮，以及并联的第一右轮腿部及第二右轮腿部。如图1所示，左轮腿部和右轮腿部具有镜像对称的结构。

在本公开中，通过设置所述左轮腿部及所述右轮腿部均为单轮腿式构型，使得能够在双轮式机器人(其中仅包括两个主动轮，对应于左右轮腿部均为单腿式构型)的运动过程中，增加对机器人轮腿部在垂直方向上的运动过程的控制。这样，一方面，增加了该机器人的关节旋转的自由度，使得该机器人能够经由不同的姿态位置实现多种任务功能，例如 能够经由左轮腿部或右轮腿部中的一个实现该机器人的轮腿部的质心和基座部的质心的距离变化，同时根据实际需要控制该机器人的轮腿部的关节和任意一个主动轮，使得机器能够进行空翻运动，而实现障碍躲避或其他特定任务需求；另一方面，通过对机器人各个关节的联合控制以及对机器人的主动轮的力矩的控制以使得机器人具有更丰富的运动能力，能够在能耗最低的情况下，沿预定空翻轨迹运动。

图2A示出了根据本公开实施例的机器人控制方法200的示例性流程图。图2B示出了根据本公开实施例的机器人在空翻运动的示意图。接下来将结合图2A和图2B对该机器人控制方法进行更具体地描述。例如，该机器人可以是图1中所示的机器人100，机器人包括轮腿部和连接至所述轮腿部的基座部，所述轮腿部包括至少一个关节。

参照图2A，在步骤S201中，接收运动指令。在步骤S202中，根据运动指令，控制所述至少一个关节的力矩，以使得机器人进行空翻运动。其中，在所述空翻运动的起跳阶段，所述轮腿部质心低于所述基座部质心，在所述空翻运动的腾空阶段，存在所述轮腿部质心高于所述基座部质心的时刻，在所述空翻运动的落地阶段，所述轮腿部质心低于所述基座部质心。

参照图2B，其以小黑圆示出了基座部质心21，以黑色小三角形示出了轮腿部的质心22。在起跳阶段和落地阶段，轮腿部的质心22低于所述基座部质心21，且轮腿部的主动轮一直与承载面接触。本领域技术人员应当理解，虽然轮腿部的质心22被控制为在起跳阶段和落地阶段低于基座部质心21，但是基座部质心21和轮腿部的质心22之间的距离可以根据运动姿态和运动进程的变化而变化。例如，在起跳阶段，二者质心之间的距离可以先缩短再增加，以使得在起跳阶段结束后能够有较大的垂直向上加速度，保证机器人能够翻过更高的高度。例如，在落地阶段，二者质心之间的距离可以逐渐减小以缓冲落地时的冲击力。在腾空阶段，存在轮腿部的质心22高于基座部的质心21的时刻，使得机器人在腾空阶段能够具有更大的转动角速度，从而顺利完成空翻，越过更远的距离。

如图2B所示，在空翻过程中，轮腿部中与基座部连接的关节被基座部的电力驱动装置(在下文中又简称为电机)控制，以具有不同的转动角度和转动加速度。在一些实施例中，轮腿部的连杆(若有)之间的角度也会随之变化以形成不同的姿态。由此，机器人在空翻过程中的上述姿态可以通过基座部的电力驱动装置输出不同的力矩来实现，从而可以实现机器人的空翻运动控制，从而使得机器人在稳定平滑地完成空翻运动，避开障碍物。

接下来参考图3A和图3B来进一步描述机器人的构型，以进一步描述在该构型下的机器人如何实现空翻运动的控制。图3A为根据本公开至少一实施例的机器人100的三维结构图。图3B为根据本公开至少一实施例的机器人的轮腿部的简化示意图。

例如，如图3A所示，本公开至少一实施例提供的机器人包括基座部101，以及组成轮腿部103的左轮腿部320和右轮腿部330。例如，左轮腿部320的运动平面和右轮腿部330的运动平面相互平行。例如，左轮腿部320和右轮腿部330具有镜像对称的结构。

需要说明的是，本领域技术人员应该知道，左轮腿部320和右轮腿部330具有镜像对称的结构，是指存在一个平面，左轮腿部320和右轮腿部330关于该平面对称。另外，由 于左轮腿部320和右轮腿部330是具有一定参数的机构，它们的结构状态可以发生变化，因此，本公开的实施例并不限定左轮腿部320和右轮腿部330在任何时候的结构状态均镜像对称。例如，在初始安装状态，左轮腿部320和右轮腿部330镜像对称，但是随着左轮腿部320和右轮腿部330进行不同步的运动，左轮腿部320和右轮腿部330也可以不镜像对称。

例如，左轮腿部320和右轮腿部330也可以具有相同的结构。或者，本公开至少一实施例提供的机器人还可以包括更多数量的腿部机构，例如具有四条并联式腿部机构。在这种情况下，除左轮腿部320和右轮腿部330之外，其余的并联式腿部机构与左轮腿部320和右轮腿部330具有相同或镜像对称的结构。本公开的实施例不限定腿部机构的数量。

例如，左轮腿部320和右轮腿部330分别安装在基座部101的两端。当然，本公开的实施例不限定左轮腿部320和右轮腿部330在基座部101上的安装位置。左轮腿部320和右轮腿部330中的每一个包括所述至少一个关节，且所述左轮腿部及所述右轮腿部均为单轮腿式构型。下面以左轮腿部320为例，对机器人的并联式腿部机构的结构和关节进行描述。

例如，如图3A所示，左轮腿部320包括动力输出装置321，动力输出装置321用于控制所述轮腿部中与基座部连接的关节。左轮腿部320还包括连杆组件322(请参见图3B)以及左主动轮323。

例如，如图3A所示，动力输出装置321包括第一电机和第二电机，第一电机包括第一左腿转动轴，第二电机包括第二左腿转动轴，第一左腿转动轴和第二左腿转动轴平行设置。动力输出装置321被配置为驱动连杆组件运动。第一左腿转动轴和第二左腿转动轴平行设置，可以使得连杆组件实现平面运动。

例如，如图3A所示，所述机器人还包括附加部件340，以用于控制平衡。附加部件340由附加主动轮3402、第一附加连杆3403、附加被动轮3401、以及第二附加连杆(未示出)构成。附加主动轮3402与基座部101固定连接。第一附加连杆和第二附加连杆的组合又称为附加连杆。

结合图3B所示，连杆组件322包括第一左腿连杆3221、第二左腿连杆3222、第三左腿连杆3223和第四左腿连杆3224。其中，第一左腿连杆3221和第二左腿连杆3222组成了第一左轮腿部，第三左腿连杆3223和第四左腿连杆3224组成了第二左轮腿部。第一左轮腿部与第二左轮腿部并联。

第一左腿连杆3221的第一端部32211与第一电机的第一左腿转动轴固定连接；第一左腿连杆3221的第二端部32212与第二左腿连杆3222的第一端部32221铰接且具有相同的转动轴线，以形成第一左腿转动副；第二左腿连杆3222的第二端部32222与第三左腿连杆3223的第一端部32231铰接且具有相同的转动轴线，以形成第二左轮转动副；第三左腿连杆3223的第二端部32232与第四左腿连杆3224的第一端部32241铰接且具有相同的转动轴线，以形成第三左轮转动副；第四左腿连杆3224的第二端部32242与第二电机的第二左腿转动轴固定连接。如此，动力输出装置321可以通过驱动连杆组件运动来控制 左轮腿部320的姿态。

例如，如图3B所示，第一左腿连杆3221的第一端部32211与第一电机的第一左腿转动轴通过法兰连接，第四左腿连杆3224的第二端部32242与第二电机的第二左腿转动轴也通过法兰连接。如此，第一电机和第二电机能够分别驱动第一左腿连杆3221和第四左腿连杆3224做旋转运动。当然，第一左腿连杆与第一电机或第四左腿连杆与第二电机也可以通过联轴器等其他方式连接，本公开对此不做限定。例如，左主动轮323与第二左轮转动副铰接且具有相同的转动轴线。例如，如图3B所示，第一电机和第二电机在同一时刻可以输出不同的扭矩，以使得机器人在空翻过程中保持运动平衡和实现相应的运动速度。

例如，第一左腿连杆3221、第二左腿连杆3222、第三左腿连杆3223、第四左腿连杆3224以及第一左腿转动轴32110与第二左腿转动轴32120的中心连线3225(图中虚线，也可称为基座连杆3225)，共同组成平面五连杆机构。第一左腿连杆3221的第一端部32211(或者，第一左腿转动轴)以及第四连杆的第二端部32242(或者，第二左腿转动轴)在XY平面内的位置固定，并且第一左腿连杆3221可以在第一左腿转动轴的驱动下围绕第一左腿转动轴32110转动，第四左腿连杆3224可以在第二左腿转动轴的驱动下围绕第二左腿转动轴转动。因此，在该平面五连杆机构中，第一左腿连杆3221和第四左腿连杆3224是主动杆，而第二左腿连杆3222和第三连杆3223为从动杆，而基座连杆3225(第一左腿转动轴32110与第二左腿转动轴32120的中心连线3225，图中虚线)为固定杆。

例如，第一左腿连杆3221与第四左腿连杆3224位于垂直于左主动轮323的轴线的同一平面。在垂直于左主动轮323的轴线的方向，第二左腿连杆3222位于第一左腿连杆3221与左主动轮323之间，第三左腿连杆3223位于左主动轮323远离第二左腿连杆3222的一侧，第三电机与第三左腿连杆3223固定连接且位于第三左腿连杆3223远离左主动轮323的一侧。

需要说明的是，在垂直于左主动轮323的轴线的方向，第一左腿连杆、第二左腿连杆、第三左腿连杆和第四左腿连杆的相对位置可以互换，只要仍然能够组成平面五连杆机构即可。例如，第三左腿连杆3223也可以位于第二左腿连杆3222靠近左主动轮323的一侧，此时，第三电机可以与第二左腿连杆3222固定连接且位于第二左腿连杆3222远离左主动轮323的一侧。

与左轮腿部类似地，所述右轮腿部也包括：第一右腿连杆、第二右腿连杆、第三右腿连杆和第四右腿连杆。所述第一右腿连杆的第一端部与基座部连接，所述第一右腿连杆的第二端部与所述第二右腿连杆的第一端部铰接以形成第一右腿转动副，所述第二右腿连杆的第二端部与右主动轮连接，所述第三右腿连杆的第一端部与右主动轮连接，所述第三右腿连杆的第二端部与所述第四右腿连杆的第一端部铰接以形成第二右腿转动副，所述第四右腿连杆的第二端部与所述基座部连接。由于右轮腿部与左轮腿部具有相似的构型和运动方式，本公开在此就不再赘述。

正如上所述，机器人100具有如上所述的机械结构，且关节之间存在联动关系，需要对上述的运动指令进行进一步的设计，以使得通过该运动指令，机器人能够更好的完成空 翻运动(例如，翻至一定的高度和跳至一定的距离消耗的能量更小)。

为进一步控制具有上述机械结构的机器人，可以基于上述的机械结构进一步设计该机器人等效的模型。例如，所述机器人可以等效于不同的多刚体模型。在一些实施例中，这些多刚体模型可以被进一步简化为平面模型。例如，该多刚体模型的一种实施例可以是变腿长轮式倒立摆模型。该多刚体模型的另一种实施例可以是平面带浮动基全身动力学模型。本领域技术人员应当理解本公开并不以此为限。之后将参见图4进一步描述变腿长轮式倒立摆模型，参见图5进一步描述平面带浮动基全身动力学模型。

例如，上述的运动指令包括所述机器人在空翻运动中对应不同时刻的目标运动参数，以使得机器人能够沿着目标轨迹运动。更进一步地，所述运动指令是根据全身动力学规划得到的。全身动力学可以基于上述的变腿长轮式倒立摆模型和/或平面带浮动基全身动力学模型，对上述的运动指令进行进一步规划，以使得机器人能够在运动的各个时刻都能够沿着目标轨迹运动。

例如，所述全身动力学规划还可以对应于所述机器人的动力学模型及约束方程组，所述机器人的动力学模型及约束方程组与所述机器人的空翻初始目标状态及空翻终末目标状态相关联。

例如，所述全身动力学控制进一步可以基于对应于所述机器人的约束方程组，所述约束方程组包括以下各项中的至少一项：运动状态方程，用于约束在起跳阶段和落地阶段所述机器人与所述承载面之间的运动为纯滚动，以及用于约束在腾空阶段所述机器人与承载面无相互作用力；摩擦约束方程，用于约束所述承载面反作用力满足摩擦锥；防碰撞约束方程，用于约束所述轮腿式机器人除所述主动轮之外的机构不与所述承载面发生碰撞；边界约束方程，用于约束所述轮腿式机器人的状态量的上限值和下限值，以及所述轮腿式机器人的控制量的上限值和下限值，所述状态量约束用于约束所述轮腿式机器人的状态量；连续性约束方程，用于限制所述轮腿式机器人在所述落地阶段中与所述承载面之间为非弹性碰撞。

例如，所述约束方程组还包括：关节控制约束，用于约束所述机器人对应的运动状态和所述机器人的各个关节的运动状态之间的约束关系。

例如，上述的步骤S202可以进一步包括：根据所述机器人在空翻运动中的实际运动参数与目标运动参数的参数差值，基于全身动力学控制确定用于控制所述至少一个关节的实际控制信号，使所述机器人的实际运动参数向目标运动参数回归。

之后将参见图6至图8分别描述在空翻运动中的各个阶段如何设计与图4和图5的模型对应的约束方程组和动力学模型，以及如何利用约束方程组和动力学模型来设计运动弄指令，以使得所述机器人的实际运动参数向目标运动参数回归。

图4示出了本公开实施例提供的一种变腿长轮式倒立摆模型400。

如上所述，在一些实施例中，运动指令是基于变腿长轮式倒立摆模型400而设计的。所述变腿长轮式倒立摆模型包括：腿长可变的虚拟腿402、与所述虚拟腿402的第一端连接的虚拟主动轮401、以及与所述虚拟腿的第二端连接的虚拟基座部403。结合参 考图3A和图3B所示，所述虚拟腿402等效于所述轮腿部的关节和连杆，所述虚拟主动轮401等效于所述轮腿部的主动轮，所述虚拟基座部403等效于所述基座部。如图3A和图3B所示的机器人可以通过调整轮腿部的关节来调整基座部的位置(如高度)。由于轮腿部较轻，虚拟腿402可表示为一根可伸缩的杆，也即可通过调整该杆的长度，可以改变基座部的位置(如高度)。虚拟基座部则简化为单一的刚体。

在一些实施例中，所述变腿长轮式倒立摆模型400还包括虚拟尾巴404，所述虚拟尾巴等效于所述附加部件。在这种情况下，该虚拟尾巴可以作为一个浮动基，进而可以将该机器人简化为平面带浮动基模型，降低运动规划问题的复杂度。在附加部件固定不动的情况下，可以将附加部件与基座部简化为单一的刚体。在附加部件运动的情况下，可以将附加部件作为与基座部连接的刚体。该附加部件可用于调节机器人的姿态。示例性地，在机器人的运动过程中，附加部件可用于调整机器人的平衡。

由此，例如，参考图4，可以基于以下各项中的至少一项来构建变腿长轮式倒立摆模型对应的动力学模型：所述虚拟主动轮的中心位置(x，z)、所述虚拟主动轮在世界坐标系下的转动角度φ、所述虚拟腿的腿长l、所述虚拟基座部在世界坐标下的俯仰角度θ、所述虚拟主动轮的执行力矩τ _w、所述虚拟腿的腿长变化的力(例如，直线变化的力)、承载面对于所述变腿长轮式倒立摆模型的摩擦力f _C,x和支撑力f _C,z。承载面可以是指为机器人提供支撑的平面，诸如真实场景中的地面。示例性地，可以建立水平方向与承载面齐平、垂直方向与承载面垂直的世界坐标系。可基于世界坐标系对机器人的运动、位置、姿态等进行描述。示例性地，该世界坐标系可以被设置在机器人运动的起始位置处。

更进一步地，还可以基于以下各项中的至少一项来构建变腿长轮式倒立摆模型对应的动力学模型：主动轮401的质量m _w和惯量I _w、主动轮401的半径r、基座部403和附加部件404的总质量m _b和总惯量I _b、附加部件404与基座部403的中心的相对位置h _x和h _z、以及附加部件404的质量m _t、惯量I _t、质心到附加部件404的驱动关节的距离c _t、长度l _t和转动角度q _t。

广义坐标可以包括变腿长轮式倒立摆模型的位置参数(如主动轮的位置)、转动参数(如主动轮的转动角度)等，通过这些参数可以描述出变腿长轮式倒立摆模型的位姿(即位置和姿态)。例如，可以通过以下方式来描述在世界坐标系和广义坐标系下上述参数之间的关系。

在没有附加部件的情况下，广义坐标可以表示如下：

q＝(x,z,φ,l,θ) ^T        式(4-1)

其中，q为变腿长轮式倒立摆模型的广义坐标。

控制量可以表示如下：

u＝(τ _w,f _l) ^T            式(4-2)

其中，u为变腿长轮式倒立摆模型的控制量，τ _w为虚拟主动轮401的执行力矩，f _l为虚拟腿402的主动力。

承载面反作用力可以表示如下：

f _C＝(f _C,x,f _C,z) ^T           式(4-3)

其中，f _C为变腿长轮式倒立摆模型的承载面反作用力。

在具有附加部件的情况下，广义坐标可以表示如下：

q＝(x,z,φ,l,θ,q _t) ^T         式(4-4)

控制量可以表示如下：

u＝(τ _w,f _l,τ _t) ^T         式(4-5)

其中，τ _w为虚拟主动轮401的执行力矩，f _l为虚拟腿402的主动力，τ _t为虚拟尾巴404的驱动电机的执行力矩。

承载面反作用力可以表示如下：

f _C＝(f _x,f _z) ^T          式(4-6)

之后将根据上述关系，参考图6至图8描述变腿长轮式倒立摆模型对应的动力学模型在起跳阶段、腾空阶段和落地阶段具体构建方法，本公开在此就不再赘述。

图5示出了本公开实施例提供的一种平面带浮动基全身动力学模型500。

在一些实施例中，运动指令是基于平面带浮动基全身动力学模型500而设计的。所述平面带浮动基全身动力学模型包括虚拟前腿501、虚拟后腿502、与所述虚拟前腿的第一端和所述虚拟后腿的第一端连接的虚拟主动轮503、以及与所述虚拟前腿的第二端和所述虚拟后腿的第二端连接的虚拟基座部504、所述虚拟前腿和虚拟后腿等效于所述轮腿部的关节和连杆，所述虚拟主动轮等效于所述轮腿部的主动轮，所述虚拟基座部等效于所述基座部。

示例性地，所述平面带浮动基全身动力学模型还包括虚拟尾巴(未示出)，所述虚拟尾巴等效于所述附加部件。在这种情况下，该虚拟尾巴可以作为一个浮动基，进而可以将该机器人简化为平面带浮动基模型，降低运动规划问题的复杂度。

例如，在平面带浮动基全身动力学模型不包括虚拟尾巴的情况下，可以将虚拟基座部简化为单一的刚体。由于轮腿部较轻，因此可以将轮腿部简化为两条运动链，且这两条运动链在虚拟主动轮处闭合。在机器人包括附加部件、且附加部件固定不动的情况下，可以将附加部件与基座部简化为单一的刚体。在机器人包括附加部件、且附加部件运动的情况下，可以将附加部件作为与基座部连接的刚体。

由此，可以基于以下各项中的至少一项来构建平面带浮动基全身动力学模型对应的动力学模型：所述虚拟基座部的中心位置、所述虚拟主动轮的转动角度、虚拟前腿的姿态、虚拟后腿的姿态、所述虚拟基座部的俯仰角度、所述虚拟主动轮的执行力矩、所述虚拟腿与所述虚拟基座部连接处的转动力矩、承载面对于所述平面带浮动基全身动力学模型的摩擦力和支撑力。

例如，参考图5，图中左下角为建立的世界坐标系，(x,z)为虚拟基座部中心在世界坐标系下的位置，θ为虚拟基座部在世界坐标系下的俯仰角，m _B,I _B,c _B,x,c _B,z分别为虚拟基座部与虚拟尾巴的总质量、总惯量以及机器人质心位置相对于虚拟基座部中心点的偏移量。

虚拟前腿包括虚拟前大腿和虚拟前小腿。虚拟后腿包括虚拟后大腿和虚拟后小腿。m _FH,I _FH,c _FH,l _FH,q _FH分别为虚拟前大腿的质量、惯量、质心相对于关节的位置、长度以及转过的角度。类似的m _FK,I _FK,c _FK,l _FK,q _FK、m _BH,I _BH,c _BH,l _BH,q _BH、m _BK,I _BK,c _BK,l _BK,q _BK分别为虚拟前小腿、虚拟后大腿、虚拟后小腿的相关变量。m _W,I _W,q _W,r分别为虚拟主动轮的质量、惯量及转过的角度和半径。图中虚拟前后小腿末端的虚线表示实际运动过程中两点重合，虚线长度为0,构成闭环约束。

例如，可以通过以下方式来描述在世界坐标系和广义坐标系下上述参数之间的关系。

在没有附加部件的情况下，广义坐标可以表示如下：

q＝(x,z,θ,q _FH,q _FK,q _BH,q _BK,q _W) ^T        式(5-1)

其中，q为平面带浮动基全身动力学模型的广义坐标。

控制量可以表示如下：

u＝(τ _FH,τ _BH,τ _W) ^T         式(5-2)

其中，u为平面带浮动基全身动力学模型的控制量，τ _W为虚拟主动轮503的执行力矩，τ _FH为虚拟前大腿与虚拟基座部的关节的执行力矩，τ _BH为虚拟后大腿与虚拟基座部的关节的执行力矩。

承载面反作用力可以表示如下：

f _C＝(f _C,x,f _C,z) ^T           式(5-3)

其中，f _C为平面带浮动基全身动力学模型的承载面反作用力。

闭环作用力可以表示如下：

f _L＝(f _L,x,f _L,z) ^T          式(5-4)

f _L,x,f _L,z分别为x和z方向上的闭环作用力。

类似地，还可以参照图4的描述中设计虚拟尾巴的相关公式来进一步设计，在具有附加部件的情况下，平面带浮动基全身动力学模型对应的参数间的关系。本公开在此就不再赘述，

之后将根据上述关系，参考图6至图8描述平面带浮动基全身动力学模型对应的动力学模型对应的动力学模型在起跳阶段、腾空阶段和落地阶段具体构建方法，本公开在此就不再赘述。

接下来，分阶段来描述在以上的两种不同的模型的假设下，如何通过控制上述的关节以及设计运动指令来实现在空翻运动过程中的控制。

参考图6，描述机器人在起跳过程中的运动状态以及如何通过控制上述的关节来实现在起跳过程中的运动控制。

如图6所示，在所述空翻运动的起跳阶段，可以通过运动指令控制所述轮腿部中与基座部连接的关节及所述轮腿部的主动轮，以使得所述机器人的中轴线向起跳方向对应的水平方向倾斜。例如，在一些实施例中，在起跳阶段初期，运动指令可以指示控制主动轮朝着与起跳方向相反的方向旋转，以使得机器人后退，以使得上身倾斜，从而能够为后续向方向加速做准备。

例如，通过运动指令控制所述轮腿部的主动轮还可以使得所述机器人向所述起跳方向对应的水平正方向加速。例如，在一些实施例中，在起跳阶段中期，运动指令可以指示控制主动轮朝着与起跳方向相同的方向旋转，以使得机器人能够向所述起跳方向对应的水平正方向加速，以保证在起跳离地时有一个较大的前向加速度，以便翻越障碍。

例如，通过运动指令控制所述轮腿部中与基座部连接的关节，以使得所述机器人垂直向上加速并向所述起跳方向对应的水平正方向加速。例如，在一些实施例中，在起跳阶段末期，运动指令控制基座部的动力输出装置，调节第一左腿连杆和第四左腿连杆向远离彼此的方向旋转，以实现伸腿蹬地的效果。

示例性地，图6中的白色小棍标示附加部件，附加部件的运动方式也可以被对应的控制。

为设计能够实现上述控制方式的运动指令，可以利用上述的变腿长轮式倒立摆模型和上述的平面带浮动基全身动力学模型来进一步设计其对应的动力模型和约束方程组。

在根据图4所示的变腿长轮式倒立摆模型来设计的运动指令的情况下，示例性地，可以通过以下方式来构建起跳阶段的变腿长轮式倒立摆模型对应的动力学模型。

基于广义坐标和广义速度，计算得到机器人对应的总动能E和总势能V，则系统的拉格朗日量可以表示为L＝E-V。在起跳阶段，机器人包括内部作用力和外部作用力(例如，承载面反作用力)，根据拉格朗日方程可以得到起跳阶段对应的动力学模型如下：

其中，q是指广义坐标，

是指广义坐标对应的广义速度，

是指广义坐标对应的广义加速度，u是指机器人的控制量，D为惯量矩阵，C为离心力和科氏力向量，G为重力向量，

表示选择矩阵，

表示机器人的虚拟主动轮与承载面之间的接触点的雅克比矩阵，n _C＝[n _C,1 n _C,2] ^T表示虚拟主动轮与承载面之间的接触点的单位外法向量，n _C,1、n _C,2是指单位外法向量中的参数。

在起跳阶段，假设虚拟主动轮与承载面之间为纯滚动，则虚拟主动轮与承载面之间的接触点在世界坐标系下的加速度为：

结合式(4-7)和式(4-8)可得：

由于D(q)为方阵且满秩，J _C为行满秩，因此可以判断式(4-9)中左边第一项满秩，则可以求得广义加速度和承载面反作用力的表达式为：

取机器人的状态量为

则起跳阶段的动力学约束方程可表示如下：

其中，A _up为矩阵A的前n行，b为矩阵，n为机器人的广义坐标中参数的个数，

是指机器人的状态量的导数，q是指广义坐标，

是指广义坐标对应的广义速度，

是指广义坐标对应的广义加速度。

进一步地，在起跳阶段中的任意时刻t，动力学约束方程可以表示如下：

示例性地，在摩擦约束方程的推导过程可以如下。

基于纯滚动的假设，承载面反作用力应满足摩擦圆锥约束，通过对承载面反作用力进行库伦摩擦线性化，可得到摩擦约束方程，摩擦约束方程可以表示如下：

其中，A _down为矩阵A的最后2行，m为虚拟主动轮与承载面之间的接触点的数量与世界坐标系的维度的乘积(例如，在机器人与承载面之间只有一个接触点的情况下，m＝2；在机器人与承载面之间有二个接触点的情况下，m＝4)，μ为摩擦因数，n _C为机器人和承载面之间的接触点的单位外法向量，o _C为接触点的单位切向量，q是指机器人的广义坐标，

是指广义坐标对应的广义速度，

是指广义坐标对应的广义加速度。

进一步地，在起跳阶段的任意时刻t，摩擦约束方程可以表示如下：

示例性地，防碰撞约束方程的推导过程可以如下：

在变腿长轮式倒立摆模型不包括与虚拟基座部连接的虚拟尾巴或虚拟尾巴固定不动的情况下，在起跳阶段中，机器人的虚拟基座部、虚拟腿和虚拟主动轮无法嵌入到地面以下，因此可得到防碰撞约束方程如下：

z+αl cos(θ)≥h _m(x+l sin(θ)),

z+r cos(β)≥h _m(x+r sin(β))        式(4-15)

其中，α∈[0,1],β∈[0,2π],z是指机器人的虚拟主动轮在世界坐标系z轴方向的坐标，x是指虚拟主动轮在世界坐标系x轴方向的坐标，l为虚拟腿的长度，θ为虚拟基座部在世界坐标系中的俯仰角度，r为虚拟主动轮的半径，h _m是指世界坐标系中任意点的高 度函数，α和β是指范围参数。

进一步地，在起跳阶段的任意时刻t，防碰撞约束方程可以表示如下：

z(t)+αl(t)cos(θ(t))≥h _m(x(t)+l(t)sin(θ(t))),α∈[0,1]

z(t)+r cos(β)≥h _m(x(t)+r sin(β)),β∈[0,2π]                                 式(4-16)

在变腿长轮式倒立摆模型包括虚拟尾巴、且虚拟尾巴运动的情况下，在起跳阶段中，机器人的虚拟基座部、虚拟腿、虚拟主动轮和虚拟尾巴无法嵌入到地面以下，因此可得到防碰撞约束方程如下：

z(t)+αl(t)cos(θ(t))≥h _m(x(t)+l(t)sin(θ(t))),α∈[0,1]

z+r cos(β)≥h _m(x+r sin(β)),β∈[0,2π]

p _t,z+α(p _t,e,z-p _t,z)≥h _m(p _t,x+α(p _t,e,x-p _t,x)),α∈[0,1]                               式(4-17)

其中，z是指虚拟主动轮在世界坐标系z轴方向的坐标，x是指虚拟主动轮在世界坐标系x轴方向的坐标，l为机器人的虚拟腿的长度，θ(t)为虚拟基座部在时刻t在世界坐标系中的俯仰角度，r为虚拟主动轮的半径，h _m是指世界坐标系中任意点的高度函数，α和β是指范围参数，p _t,z是指虚拟尾巴的驱动关节(也即虚拟尾巴和虚拟基座部连接的关节)在世界坐标系z轴方向的坐标，p _t,x是指虚拟尾巴的驱动关节在世界坐标系x轴方向的坐标，p _t,e,z是指虚拟尾巴的末端在世界坐标系z轴方向的坐标，p _t,e,x是指虚拟尾巴的末端在世界坐标系x轴方向的坐标。

示例性地，在状态量约束限定目标时刻的状态量时，基于该时刻的状态量约束对该时刻的机器人的状态量进行约束，本公开实施例在此不作限定。

示例性地，边界约束方程可以表示如下；

x _min≤x(t)≤x _max

u _min≤u(t)≤u _max         式(4-18)

其中，x _max和x _min分别是指空翻运动对应的状态量的上限值和下限值，u _max和u _min分别是指空翻运动对应的控制量的上限值和下限值，x(t)是指t时刻的状态量约束。

示例性地，假设状态量约束限定空翻运动对应的初始状态量为x _1,s，则在起跳阶段的初始时刻，机器人的状态量满足约束：x(t)＝x _1,s,t＝t _1,s，其中，t _1,s是指起跳阶段的初始时刻。

示例性地，起跳阶段和腾空阶段之间的连续性约束方程可以表示如下：

x _1,e＝x _2,s         式(4-20)

其中，x _1,e和x _2,s分别是指起跳阶段的结束时刻的状态量和腾空阶段的起始时刻的状态量。

根据以上各式，可以对应地求解得到，对应于某些实施例，在起跳阶段初期，虚拟主动轮的力矩的方向对应于起跳方向的反方向，以使得机器人的中轴线向起跳方向对应 的水平方向倾斜(也即图4中的θ增加)，从而能够为后续向方向加速做准备。而随着时间变化，虚拟主动轮的力矩方向对应于起跳的方向，虚拟腿部的长度l逐渐增加，以实现更大的起跳方向的加速度。在有虚拟尾巴的情况下，q _t增加，其对应于附加部件向起跳方向对应的旋转方向旋转，并且在所述附加部件包括通过主动轮连接的附加连杆，在所述附加部件旋转的过程中，所述第一连杆和第二连杆之间的夹角逐渐增加。

在根据图5所示的平面带浮动基全身动力学模型来设计的运动指令的情况下，示例性地，可以通过以下方式来构建起跳阶段的平面带浮动基全身动力学模型对应的动力学模型。

基于广义坐标和广义速度，计算得到机器人对应的总动能E和总势能V，则系统的拉格朗日量可以表示为L＝E-V。在起跳阶段，机器人包括内部作用力和外部作用力(例如，承载面反作用力)，根据拉格朗日方程可以得到起跳阶段对应的动力学模型如下：

其中，q是指广义坐标，

是指广义坐标对应的广义速度，

是指广义坐标对应的广义加速度，u是指机器人的控制量，D为惯量矩阵，C为离心力和科氏力向量，G为重力向量。S为转换矩阵。J _C为轮子(主动轮)与地面(承载面)接触点的雅各比矩阵。J _L为虚拟前后小腿末端点的雅各比矩阵之差。

在起跳阶段，假设虚拟主动轮与承载面之间为纯滚动，则虚拟主动轮与承载面之间的接触点在世界坐标系下的加速度为：

由于虚拟前后小腿与虚拟主动轮一直固定连接不分离，因此，虚拟闭合点(虚拟前后小腿的连接点)的加速度差为0，即，

结合式(5-5)可得：

由于D(q)为方阵且满秩，J _C,J _L为行满秩，因此可以判断式(5-8)中左边第一项满秩，则可以求得广义加速度、闭链接触力和承载面反作用力的表达式为：

取机器人的状态量为

则起跳阶段的动力学约束方程可表示如下：

其中，A _1,up为式(5-9)右侧矩阵A ₁的前n行，n为机器人的广义坐标中参数的个数，

是指机器人的状态量的导数，q是指广义坐标，

是指广义坐标对应的广义速度，

是指广义坐标对应的广义加速度。

进一步地，在起跳阶段中的任意时刻t，动力学约束方程可以表示如下：

示例性地，在摩擦约束方程的推导过程可以如下。

基于纯滚动的假设，承载面反作用力应满足摩擦圆锥约束，通过对承载面反作用力进行库伦摩擦线性化，可得到摩擦约束方程，摩擦约束方程可以表示如下：

其中，A _1,down为式(5-9)右侧矩阵A ₁的最后2行，μ为摩擦因数，n _C为机器人和承载面之间的接触点的单位外法向量，o _C为接触点的单位切向量。

示例性地，防碰撞约束方程的推导过程可以如下。

在平面带浮动基全身动力学模型不包括与虚拟基座部连接的虚拟尾巴或虚拟尾巴固定不动的情况下，在起跳阶段中，机器人的虚拟基座部、虚拟腿和虚拟主动轮无法嵌入到地面以下，因此可得到防碰撞约束方程如下：

p _j,z+α(p _k,z-p _j,z)≥h _m(p _k,x+α(p _j,x-p _k,x)),      式(5-13)

z+r cos(β)≥h _m(x+r sin(β)),         式(5-14)

其中，α∈[0,1],j,k∈[1,6],β∈[0,2π],k,j为相邻两关节的编号，(p _j,x,p _j,z),(p _k,x,p _k,z)分别为相邻两关节在世界坐标系中的坐标，p _j,z是指关节j在世界坐标系z轴方向的坐标，p _j,x是指关节j在世界坐标系x轴方向的坐标，p _k,z是指关节k在世界坐标系z轴方向的坐标，p _k,x是指关节k在世界坐标系x轴方向的坐标，r为虚拟主动轮的半径，h _m是指世界坐标系中任意点的高度函数，α和β是指范围参数。

进一步地，在起跳阶段的任意时刻t，防碰撞约束方程可以表示如下：

p(t) _j,z+α(p(t) _k,z-p(t) _j,z)≥h _m(p(t) _k,x+α(p(t) _j,x-p(t) _k,x)),

z(t)+r cos(β)≥h _m(x(t)+r sin(β)),                                式(5-15)

其中，β∈[0,2π]，α∈[0,1],j,k∈[1,6]在平面带浮动基全身动力学模型包括虚拟 尾巴且虚拟尾巴运动的情况下，还需要额外考虑尾巴与地面的防碰撞，参考式(5-15)，类似地求解上述防碰撞约束方程。

示例性地，可以将状态量的下限值和状态量约束对应的下限值中较大值作为空翻运动过程中的状态量下限值，将状态量的上限值和状态量约束对应的上限值中较小值作为空翻运动过程中的状态量上限值。在状态量约束限定目标时刻的状态量时，基于该时刻的状态量约束对该时刻的机器人的状态量进行约束，本公开实施例在此不作限定。

示例性地，起跳阶段的初始时刻的边界约束方程可以表示如下；

x(t)＝x _1,s,t＝t _1,s           式(5-16)

其中t _1,s为起跳阶段的起始时刻。起跳阶段机器人的状态及控制量还需满足：

x _min≤x(t)≤x _max

u _min≤u(t)≤u _max           式(5-17)

其中，x _max和x _min分别是指空翻运动对应的状态量的上限值和下限值，u _max和u _min分别是指空翻运动对应的控制量的上限值和下限值，x(t)是指t时刻的状态量。

示例性地，起跳阶段和腾空阶段之间的连续性约束方程可以表示如下：

x(t _1,e)＝x(t _2,s)            式(5-18)

其中，t _1,e和t _2,s分别是指起跳阶段的结束时刻和腾空阶段的起始时刻。

根据以上各式，可以对应地求解得到，对应于某些实施例，在起跳阶段初期，虚拟主动轮的力矩的方向对应于起跳方向的反方向，以使得机器人的中轴线向起跳方向对应的水平方向倾斜(也即图5中的θ增加)，从而能够为后续向方向加速做准备。而随着时间变化，虚拟主动轮的力矩方向对应于起跳的方向，虚拟大腿和虚拟小腿之间的夹角增加(近似于伸腿的过程)，以实现更大的起跳方向的速度。在有虚拟尾巴的情况下，附加部件向起跳方向对应的旋转方向旋转，并且在所述附加部件包括附加连杆的情况下，在所述附加部件旋转的过程中，所述附加连杆的中轴线与基座部的中垂线之间的夹角逐渐增加。

参考图7，描述机器人在腾空过程中的运动状态以及如何通过控制上述的关节来实现在腾空过程中的运动控制。

如图7所示，在所述空翻运动的腾空阶段，可以通过运动指令控制所述轮腿部中与基座部连接的关节，以使得所述机器人向起跳方向对应的旋转方向旋转，所述旋转的过程中存在所述轮腿部质心高于所述基座部质心的时刻。

例如，在一些实施例中，在腾空阶段初期，运动指令可以指示控制所述轮腿部中与基座部连接的关节，以使得所述轮腿部质心和所述基座部质心之间的距离缩短。此时，机器人由伸腿的姿势变为收腿的姿势，以在角动量守恒的情况下，减小转动惯量，增大转动角速度便于空翻运动的控制，以及实现空翻至更高的高度。

正如图7所示，在腾空阶段初期，可以存在这样的时刻，所述轮腿部的主动轮的中心与基座部的中心之间的连线与所述基座部的中垂线相交。具体地，可以通过控制前腿与基座部连接的关节处的力矩大于后腿与基座部连接的关节处的力矩，从而使得前腿带 动后腿完成空翻动作。

例如，在一些实施例中，在腾空阶段中期，运动指令可以指示控制所述轮腿部中与基座部连接的关节，以使得所述轮腿部质心和所述基座部质心之间的距离保持一个较短的距离，以使得机器人能够以较大的角速度翻转。

例如，在一些实施例中，在腾空阶段末期，运动指令控制控制所述轮腿部中与基座部连接的关节，以使得所述轮腿部质心和所述基座部质心之间的距离增加，以实现伸腿的效果，伸腿的位姿有利于落地缓冲。

例如，在一些实施例中，在具有附加部件的情况下，在所述附加部件旋转的过程中，所述附加连杆的中轴线与基座部的中垂线之间的夹角逐渐增加后再逐渐减小。具体的，在腾空初期，机器人甩出附加部件，以利用附加部件提供一个更大的动能。接着在腾空之后，附加部件收回，以减小转动惯量增加转动角速度，以便于完成空翻。

为设计能够实现上述控制方式的运动指令，可以利用上述的变腿长轮式倒立摆模型和上述的平面带浮动基全身动力学模型来进一步设计其对应的动力模型和约束方程组。

在根据图4所示的变腿长轮式倒立摆模型来设计的运动指令的情况下，示例性地，可以通过以下方式来构建起跳阶段的变腿长轮式倒立摆模型对应的动力学模型。

类似的，基于广义坐标和广义速度，计算得到机器人对应的总动能E和总势能V，则系统的拉格朗日量可以表示为L＝E-V。在腾空阶段，由于机器人不包括外部作用力(例如，承载面反作用力)，根据拉格朗日方程可以得到腾空阶段对应的动力学方程：

由此，腾空阶段对应的动力学约束方程表示如下：

其中，

是指机器人的状态量的导数，q是指机器人的广义坐标，

是指广义坐标对应的广义速度，

是指广义坐标对应的广义加速度，u是指机器人的控制量，D为惯量矩阵，C为离心力和科氏力向量，G为重力向量，S表示选择矩阵。

进一步地，在腾空阶段中的任意时刻t，动力学约束方程可以表示如下：

在腾空阶段，由于机器人与承载面脱离接触，则腾空阶段不涉及摩擦约束方程。腾空阶段的防碰撞约束方程与起跳阶段相同，在此就不再赘述。

示例性地，腾空阶段和落地阶段之间的连续性约束方程的推导过程可以如下。

在落地阶段，假设机器人与承载面为非弹性碰撞，即碰撞在瞬间完成，根据动量守恒定律可以得到碰撞后的状态量与碰撞前的状态量之间满足如下关系：

其中，

是指腾空阶段的结束时刻的广义速度，q _2,e是指腾空阶段的结束时刻的广 义坐标，q _3,s是指落地阶段的起始时刻的广义坐标，

是指落地阶段的起始时刻的广义速度，且

在落地阶段的起始时刻，主动轮与承接面之间的接触点的速度为0，则有：

由此，可得：

由于D(q _2,e)为方阵且满秩，J _c(q _2,e)为行满秩，因此可以判断式(4-26)中左边第一项满秩，则可以求得在落地阶段的起始时刻，广义速度和承载面反作用力的表达式为：

则腾空阶段和落地阶段之间的连续性约束方程可表示如下：

其中，矩阵

矩阵

Q _upp是指矩阵Q的前n行和矩阵p的乘积，n为机器人的广义坐标中参数的个数，q _3,s是指机器人在落地阶段的起始时刻的广义坐标，

是指机器人在落地阶段的起始时刻的广义速度，q _2,e是指机器人在腾空阶段的结束时刻的广义坐标，

是指机器人在腾空阶段的结束时刻的广义速度，D为惯量矩阵，J _C表示虚拟主动轮与承载面之间的接触点的雅克比矩阵。

根据以上各式，可以对应地求解得到，对应于某些实施例，在腾空阶段初期，虚拟腿的长度减小(近似于收腿的过程)，以实现更大的起跳方向的加速度。在有虚拟尾巴的情况下，附加部件向起跳方向对应的旋转方向旋转，在所述附加部件旋转的过程中，所述附加连杆的中轴线与基座部的中垂线之间的夹角逐渐减小，以实现收虚拟尾巴的过程。在腾空阶段末期，虚拟腿的长度增加，以实现伸腿的效果，伸腿的位姿有利于落地缓冲。

在根据图5所示的平面带浮动基全身动力学模型来设计的运动指令的情况下，示例性地，可以通过以下方式来构建腾空起跳阶段的平面带浮动基全身动力学模型对应的动力学模型。

类似地，基于广义坐标和广义速度，计算得到机器人对应的总动能E和总势能V，则系统的拉格朗日量可以表示为L＝E-V。在腾空阶段，由于机器人不包括外部作用力(例如，承载面反作用力)但仍需保证闭环约束，根据拉格朗日方程可以得到腾空阶段对应的动力学方程：

由于D(q)为方阵且满秩，J _L行满秩，因此可以判断上式(5-19)左边第一项满秩，因此可以求得广义坐标下的加速度、闭环接触力为：

取状态量为

因此腾空阶段的动力学约束可表示为；

A _2,up为式(5-20)右侧矩阵A ₂的前n行，n为广义坐标的个数。因此腾空过程中任意时刻t，机器人需满足的动力学约束为：

在腾空阶段，由于机器人与承载面脱离接触，则腾空阶段不涉及摩擦约束方程。腾空阶段的防碰撞约束方程与起跳阶段相同，在此就不再赘述。示例性地，腾空阶段和落地阶段之间的连续性约束方程的推导过程可以如下。

在落地阶段，假设机器人与承载面为非弹性碰撞，即碰撞在瞬间完成，根据动量守恒定律可以得到碰撞后的状态量与碰撞前的状态量之间满足如下关系：

其中，

是指腾空阶段的结束时刻的广义速度，q _2,e是指腾空阶段的结束时刻的广义坐标，q _3,s是指落地阶段的起始时刻的广义坐标，

是指落地阶段的起始时刻的广义速度，且

此外落地起始时刻满足闭环约束并且轮子与地面接触点的速度为0，因此

并且

由此，可得：

因此根据非弹性碰撞得到的落地阶段起始时刻的广义速度为：

腾空阶段与落地阶段之间的连续性约束为

其中Q _up为式(5-25)右侧矩阵Q的前n行，n为广义坐标的个数。

根据以上各式，可以对应地求解得到，对应于某些实施例，在腾空阶段初期，虚拟大腿和虚拟小腿之间的夹角减小(近似于收腿的过程)，降低机器人的转动惯量，以实现更大的转动速度。在有虚拟尾巴的情况下，附加部件向起跳方向对应的旋转方向旋转，并且在所述附加部件包括通过被动轮连接的第一连杆和第二连杆的情况下，在所述附加部件旋转的过程中，所述第一连杆和第二连杆之间的夹角逐渐减小，以实现收虚拟尾巴的过程。在腾空阶段末期，虚拟大腿和虚拟小腿之间的夹角增加(近似于伸腿的过程)，以实现伸腿的效果，伸腿的位姿有利于落地缓冲。

参考图8，描述机器人在落地过程中的运动状态以及如何通过控制上述的关节来实现在落地过程中的运动控制。

如图8所示，在所述空翻运动的落地阶段，可以通过运动指令控制所述轮腿部中与基座部连接的关节，以使得控制所述轮腿部中与基座部相连的关节和所述轮腿部的主动轮，以使得所述机器人进入平衡直立状态。

例如，在一些实施例中，在落地阶段初期，运动指令可以指示控制所述轮腿部中与基座部连接的关节，以使得所述轮腿部质心和所述基座部质心之间的距离缩短。此时，机器人由伸腿的姿势变为收腿的姿势，以进行落地缓冲。

例如，在一些实施例中，在落地阶段末期，运动指令控制控制所述轮腿部中与基座部连接的关节和主动轮，以使得所述轮腿部的主动轮的中心与基座部的中心之间的连线与所述基座部的中垂线重合，以实现平衡直立的状态。

为设计能够实现上述控制方式的运动指令，可以利用上述的变腿长轮式倒立摆模型和上述的平面带浮动基全身动力学模型来进一步设计其对应的动力模型和约束方程组。落地阶段与起跳阶段的动力学模型和各约束条件近似，因此不再赘述。

以下描述设置该机器人的关节控制约束的过程。该关节控制约束的过程参考图5所示的模型进行描述，本公开并不以此为限。

此时，在设置该机器人的关节控制约束函数的过程中，首先，通过建立该机器人的动力学模型，建立各个子任务控制(例如，上述的不同阶段的动力学约束、摩擦约束、碰撞约束等等)所需加速度和实际输入关节力矩之间的约束关系。

此外，在轮和地面无滑动摩擦，仅有纯滚动摩擦的假设下，存在接触点在局部坐标系下的x方向(前向方向)和z方向(竖直方向)加速度为0的约束，通过计算左右轮腿部在局部坐标系下的x方向和z方向速度v ₁相对广义关节运动速度

的雅克比矩阵J _c，根据加速度约束，可以得到：

其中，a ₁为该轮腿部的加速度，v ₁＝[v _x,l,v _z,l,v _x,r,v _z,r]，v _x,l为左轮腿部沿x方向的速度，v _z,l为左轮腿部沿z方向的速度，v _x,r为右轮腿部沿x方向的速度，v _z,r为右轮腿部沿z方向的速度，q为该机器人各关节的关节位置，

为该机器人各关节的关节速度，

为该机器人各关节的关节加速度，J _c为左右轮腿部在局部坐标系下的x方向和z方向速度v ₁相对广义关节运动速度

的雅克比矩阵。

并且能够计算得到在广义关节加速度

下的接触点加速度偏置：

其中，f _a为加速度函数，Contact为与接触过程相关的参数量，其余参数的含义如前所述。

采用类似的方法，将广义开链坐标系下的并联腿部闭链约束方程记为：

其中，a ₂为该并联腿部所具有的加速度，v ₂为该并联腿部的速度，J _λ该并联腿部在广义开链坐标系下的速度v ₂相对广义关节运动速度

的雅克比矩阵，

为该机器人各关节的关节速度，

为该机器人各关节的关节加速度。

加速度偏置也可以经由如下公式计算，其中Close表征与该并联腿部的闭链约束相关联的参数量，其余参数的含义如前所述：

由此，得到在无外力干扰下的动力学方程和接触约束方程:

S＝0         式(9-6)

其中已知量为M,C,G,S,J _c,J _λ,

具体地，质量矩阵M可以基于关节位置q使用复合刚体算法CRBA快速计算得到，离心力和科里奥利力偏置项C可以基于关节位置q及关节速度

使用牛顿欧拉迭代算法RNEA快速计算，重力偏置项G也可以基于关节位置q使用牛顿欧拉迭代算法RNEA快速计算，选择矩阵S用于区分主动关节和无驱动关节，记做S＝diag(a ₁,a ₂,…,a _n)，其中a _i＝1代表其为无驱动关节。

且其中，变量为

τ、F _c、F _λ，其中，

为关节加速度，τ为关节对应的力矩项，F _c为局部坐标系下接触点的广义力，具体地，F _c＝[f _c,x,l,f _c,z,l,f _c,x,r,f _c,z,r]∈R ⁴，其中，f _c,x,l为该机器人的左轮腿部在x方向上所具有的广义力，f _c,z,l为该机器人的左轮腿部在z方向上所具有的广义力，f _c,x,r为该机器人的右轮腿部在x方向上所具有的广义力，f _c,z,r为该机器人的右轮腿部在z方向上所具有的广义力。F _λ为前腿部作用于后腿部的闭链力，F _λ＝[f _λ,x,l,f _λ,z,l,f _λ,x,r,f _λ,z,r]∈R ⁴，其中，f _λ,x,l为用于左轮腿部的两个并联腿部中前腿部在x方向上作用于后腿部的力，f _λ,z,l为用于左轮腿部的两个并联腿部中前腿部在z方向上作用于后腿部的力，f _λ,x,r为用于右轮腿部的两个并联腿部中前腿部在x方向上作用于后腿部的力，f _λ,z,r为用于右轮腿部的两个并联腿部中前腿部在z方向上作用于后腿部的力。

采用完整动力学方法能够得到以上等式约束，并且根据摩擦锥限制，可以得到局部系(摩擦曲面切线方向)下的接触力F _c需要满足的约束：

f _c,x,l∈[-μf _c,z,l,μf _c,z,l],f _c,z,l≥0      式(9-9)

f _c,x,r∈[-μf _c,z,r,μf _c,z,r],f _c,z,r≥0       式(9-10)

其中，f _c,x,l为该机器人的左轮腿部在x方向上所具有的广义力，μ为当前周围环境下的摩擦因数，f _c,z,l为该机器人的右轮腿部在z方向上所具有的广义力，f _c,x,r为该机器人的右轮腿部在x方向上所具有的广义力，f _c,z,r为该机器人的右轮腿部在z方向上所具有的广义力。

且能够得到如下的摩擦锥约束矩阵：

其中J _f,l为对应于该机器人的左轮接触点的摩擦约束矩阵，J _f,r为对应于该机器人的右轮接触点的摩擦约束矩阵，μ为当前周围环境下的摩擦因数。

由此得到该关节控制约束函数的关节等式约束子函数、关节不等式约束子函数、关节阈值约束子函数。

其中，所述关节等式约束子函数包括：

其中，

为该机器人在目标时刻下的关节加速度，

为该机器人的当前关节速度，F _c,t+1为目标时刻下该机器人在局部坐标系下接触点的广义力，F _λ,t+1为目标时刻下该两个并联腿部之间的作用力，τ _t+1为目标时刻下该机器人的关节力矩，J _c,t、J _λ,t是在当前时刻下分别对应于机器人在局部坐标系下接触点的广义力Fc与两个并联腿部之间的作用力F _λ的雅克比矩阵；C _t、G _t、M _t为基于该机器人的当前关节运动信息生成的参数量；S为基于该机器人的关节构型确定的参数量，I为单位矩阵，其维数根据该机器人的运动自由度的个数确定，t为机器人运动的当前时刻，t+1为机器人运动的目标时刻。

所述关节不等式约束子函数包括：

其中，J _f,l为对应于该机器人的左轮接触点的摩擦约束矩阵，J _f,r为对应于该机器人的右轮接触点的摩擦约束矩阵。该摩擦锥约束矩阵具体可以表示为：

所述关节阈值约束子函数包括：

τ _t+1∈[τ _min,τ _max]        式(9-15)

在上述等式及不等式约束中，变量

F _c,t+1、F _λ,t+1、τ _t+1之间存在一定程度上的关联，当输入力矩已知，也即τ _t+1已知，不等式约束不存在时，可以求得

F _c,t+1、F _λ,t+1的最小二乘解。

可见，

虽然属于高维空间，但实际和维数大小为k(k远小于该高维空间的维数)的关节力矩子空间存在一一映射关系，也即由于等式和不等式约束的存在，

实际属于高维空间中满足等式约束的低维有边界流形内。通过合理的选择该子空间的加速度或者力F _c,可以得到对应力矩子空间的τ值。

此外，通过雅克比矩阵，可以定义操作空间加速度和广义关节空间加速度之间的线性映射关系，找到和低维流形自由度一致的操作空间加速度，即可利用找到对应满足动力学约束的关节力矩输入。进而实现对操作空间进行低维流形内的控制(该机器人的新增控制需求并不破坏等式和不等式约束)。

此外，操作空间的选取需要保证最终总任务的雅克比矩阵J _task满足rank(J _task)≥k(k为关节空间的维数)，如果rank(J _task)<k，则说明肯定存在不受控子空间，会使得动力学系统发散。而当rank(J _task)>k时，说明可能存在破坏约束条件的任务需求。当rank(J _tank)＝k，例如能够求取最终的判据。

基于上述，在满足上述动力学方程及摩擦约束的情况下，可以确定该机器人的操作空间(其中进行机器人运动控制)与该机器人的关节运动空间(其中机器人各关节进行相应的关节运动)之间的对应关系，由此，在该机器人的操作空间中基于轮腿部目标运动状态能够经由该对应关系转换至该机器人的关节运动空间中，同样地，该机器人的目标运动加速度也能够由该机器人在关节运动空间中的关节加速度来表示。

接下来将结合前述的关节等式约束子函数、关节不等式约束子函数、关节阈值约束子函数，对前述求取该机器人的目标关节加速度的过程进行更具体地描述。

首先，在得到该机器人的目标运动加速度后，例如基于如前所述的动力学方程和接 触约束方程，确定该机器人的目标运动加速度估计量，该目标运动加速度估计量例如具有如下的表达式：

其中，

为该机器人的目标运动加速度估计量，J _t,i为对应于该机器人各关节的雅克比矩阵，

为该机器人在目标时刻下的关节加速度，

为该机器人的当前关节速度。

基于该机器人的目标运动加速度的估计量

及该机器人的目标运动加速度a _t+1，能够进一步得到该机器人的误差函数，该误差函数fw例如具有如下的表达式：

则例如可以联立该误差函数及前述的关节控制约束函数，其中该关节控制约束函数例如包括公式(9-8)-(9-10)，调整其中的变量参数

F _c,t+1、F _λ,t+1、τ _t+1，各参数量的含义如前所示出的。其中，参数F _c,t+1、F _λ,t+1、τ _t+1与参数

相关联。当调节该参数量

F _c,t+1、F _λ,t+1、τ _t+1使得能够满足该关节控制约束函数且使得该误差函数取得最小值时，将此时的关节加速度确定为目标关节加速度。由此，实现了所述机器人的实际运动参数向目标运动参数回归。

通过同时解算该误差函数与关节控制约束函数，使得不仅仅依靠机器人运动信息与关节运动信息之间的关联关系经由雅克比矩阵直接将机器人在操作空间中解算得到的目标运动加速度简单置换至关节空间(由于关节空间通常被定义为无界空间，而操作空间由于受到实际运动学方程及机器人自身结构约束为有界空间，这样的简单置换将会导致映射得到的关节空间中的目标关节加速度虽然能够满足控制要求，但明显偏离或违背机器人正常运动的运动原理与机器人的物理约束条件)，还依靠关节控制约束函数所提供的机器人运动信息和关节运动信息之间的约束关系来保证在将该机器人的目标运动加速度置换至关节空间获得的关节空间加速度仍旧能够满足机器人运动学模型及接触约束方程所限定的物理约束及阈值条件，从而有利于生成具有更高可靠性及精确度的目标关节加速度，且有效地避免了无效控制的情况。

基于上述，本公开中，通过对该机器人设置如前所述的关节等式约束子函数、关节不等式约束子函数、关节阈值约束子函数，使得能够良好地实现限定该机器人运动信息和关节运动信息之间的等式约束关系，该机器人运动信息和关节运动信息之间的不等式约束关系，及该机器人运动过程中机器人各关节的极限位置或极限姿态，从而有利于提高所生成的目标关节加速度的精确度及可靠性，实现对该机器人的灵活控制。

根据本公开的另一方面，提出了一种机器人。该机器人包括：轮腿部、所述轮腿部包括左轮腿部和右轮腿部，且所述左轮腿部和所述右轮腿部中的每一个包括至少一个关节。且该机器人还包括控制器，该控制器设置在该机器人上，且能够执行如前所述的机器人控制方法，具有如前所述的功能。

所述控制器例如包括处理装置。处理装置可以包括微处理器、数字信号处理器(“DSP”)、专用集成电路(“ASIC”)、现场可编程门阵列、状态机或用于处理从传感器线接收的电信号的其他处理器件。这种处理器件可以包括可编程电子设备，例如 PLC，可编程中断控制器(“PIC”)、可编程逻辑器件(“PLD”)、可编程只读存储器(“PROM”)、电子可编程只读存储器等。

且根据实际需要，该机器人例如还可以包括连接至该轮腿部的基座部、设置在该基座部上的附加部件(例如尾部部件)、总线、存储器、传感器组件、通信模块和输入输出装置等。本公开的实施例不受该机器人的具体组成部分的限制。

总线可以是将该机器人的各部件互连并在各部件之中传递通信信息(例如，控制消息或数据)的电路。

传感器组件可以用于对物理世界进行感知，例如包括摄像头、红外传感器超声波传感器等。此外，传感器组件还可以包括用于测量机器人当前运行及运动状态的装置，例如霍尔传感器、激光位置传感器、或应变力传感器等。

通信模块例如可以通过有线或无效与网络连接，以便于与物理世界(例如，服务器)通信。通信模块可以是无线的并且可以包括无线接口，例如IEEE 802.11、蓝牙、无线局域网(“WLAN”)收发器、或用于接入蜂窝电话网络的无线电接口(例如，用于接入CDMA、GSM、UMTS或其他移动通信网络的收发器/天线)。在另一示例中，通信模块可以是有线的并且可以包括诸如以太网、USB或IEEE 1394之类的接口。

输入输出装置可以将例如从用户或任何其他外部设备输入的命令或数据传送到机器人的一个或多个其他部件，或者可以将从机器人的一个或多个其他部件接收的命令或数据输出到用户或其他外部设备。

多个机器人可以组成机器人系统以协同地完成一项任务，该多个机器人通信地连接到服务器，并且从服务器接收协同机器人指令。

根据本公开的另一方面，提出了一种机器人控制系统，所述机器人包括轮腿部和连接至所述轮腿部的基座部，所述轮腿部包括至少一个关节，所述系统包括：运动指令接收模块，用于接收运动指令；控制模块，用于根据运动指令，控制所述至少一个关节的力矩，以使得机器人进行空翻运动，其中，在所述空翻运动的起跳阶段，所述轮腿部质心低于所述基座部质心，在所述空翻运动的腾空阶段，存在所述轮腿部质心高于所述基座部质心的时刻，在所述空翻运动的落地阶段，所述轮腿部质心低于所述基座部质心。

根据本公开实施例的一个方面，提供了一种轮腿式机器人，所述轮腿式机器人包括处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集，所述至少一条指令、所述至少一段程序、所述代码集或指令集由所述处理器加载并执行以实现上述方法。

根据本公开实施例的一个方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集，所述至少一条指令、所述至少一段程序、所述代码集或指令集由处理器加载并执行以实现上述方法。

利用本公开提供的控制机器人进行空翻运动的方法、装置、机器人及计算机可读存储介质，可以良好实现机器人的空翻运动控制，从而使得机器人在稳定平滑地完成空翻运动，避开障碍物。

技术中的程序部分可以被认为是以可执行的代码和/或相关数据的形式而存在的“产品”或“制品”，通过计算机可读的介质所参与或实现的。有形的、永久的储存介质可以包括任何计算机、处理器、或类似设备或相关的模块所用到的内存或存储器。例如，各种半导体存储器、磁带驱动器、磁盘驱动器或者类似任何能够为软件提供存储功能的设备。

所有软件或其中的一部分有时可能会通过网络进行通信，如互联网或其他通信网络。此类通信可以将软件从一个计算机设备或处理器加载到另一个。因此，另一种能够传递软件元素的介质也可以被用作局部设备之间的物理连接，例如光波、电波、电磁波等，通过电缆、光缆或者空气等实现传播。用来载波的物理介质如电缆、无线连接或光缆等类似设备，也可以被认为是承载软件的介质。在这里的用法除非限制了有形的“储存”介质，其他表示计算机或机器“可读介质”的术语都表示在处理器执行任何指令的过程中参与的介质。

本公开使用了特定词语来描述本公开的实施例。如“第一/第二实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本公开至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本公开的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

此外，本领域技术人员可以理解，本公开的各方面可以通过若干具有可专利性的种类或情况进行说明和描述，包括任何新的和有用的工序、机器、产品或物质的组合，或对他们的任何新的和有用的改进。相应地，本公开的各个方面可以完全由硬件执行、可以完全由软件(包括固件、常驻软件、微码等)执行、也可以由硬件和软件组合执行。以上硬件或软件均可被称为“数据块”、“模块”、“引擎”、“单元”、“组件”或“系统”。此外，本公开的各方面可能表现为位于一个或多个计算机可读介质中的计算机产品，该产品包括计算机可读程序编码。

除非另有定义，这里使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本公开所属领域的普通技术人员共同理解的相同含义。还应当理解，诸如在通常字典里定义的那些术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。

上面是对本公开的说明，而不应被认为是对其的限制。尽管描述了本公开的若干示例性实施例，但本领域技术人员将容易地理解，在不背离本公开的新颖教学和优点的前提下可以对示例性实施例进行许多修改。因此，所有这些修改都意图包含在权利要求书所限定的本公开范围内。应当理解，上面是对本公开的说明，而不应被认为是限于所公开的特定实施例，并且对所公开的实施例以及其他实施例的修改意图包含在所附权利要求书的范围内。本公开由权利要求书及其等效物限定。

Claims (20)

1. 一种控制机器人进行空翻运动的方法，所述机器人包括轮腿部和连接至所述轮腿部的基座部，所述轮腿部包括至少一个关节，所述方法包括：

   接收运动指令；

   根据运动指令，控制所述至少一个关节的力矩，以使得机器人进行空翻运动，其中，

   在所述空翻运动的起跳阶段，所述轮腿部质心低于所述基座部质心，

   在所述空翻运动的腾空阶段，存在所述轮腿部质心高于所述基座部质心的时刻，

   在所述空翻运动的落地阶段，所述轮腿部质心低于所述基座部质心。
2. 如权利要求1所述的方法，其中，所述轮腿部包括左轮腿部和右轮腿部，所述左轮腿部和所述右轮腿部中的每一个包括所述至少一个关节，且所述左轮腿部及所述右轮腿部均为单轮腿式构型。
3. 如权利要求2所述的方法，其中，所述控制所述至少一个关节的力矩，以使得机器人进行空翻运动，还包括：

   在所述空翻运动的腾空阶段，控制所述轮腿部中与基座部连接的关节，以使得所述机器人向起跳方向对应的旋转方向旋转，所述旋转的过程中存在所述轮腿部质心高于所述基座部质心的时刻。
4. 如权利要求3所述的方法，其中，所述控制所述至少一个关节的力矩，以使得机器人进行空翻运动，还包括：

   在所述空翻运动的腾空阶段，

   控制所述轮腿部中与基座部连接的关节，以使得所述轮腿部质心和所述基座部质心之间的距离缩短，以及

   在完成所述距离缩短后，控制所述轮腿部中与基座部连接的关节，以使得所述轮腿部质心和所述基座部质心之间的距离增加。
5. 如权利要求3所述的方法，其中，所述控制所述至少一个关节的力矩，以使得机器人进行空翻运动，还包括：

   在所述空翻运动的起跳阶段，

   控制所述轮腿部中与基座部连接的关节及所述轮腿部的主动轮，以使得所述机器人的中轴线向起跳方向对应的水平方向倾斜；

   控制所述轮腿部的主动轮，以使得所述机器人向所述起跳方向对应的水平正方向加速；

   控制所述轮腿部中与基座部连接的关节，以使得所述机器人垂直向上加速并向所述起跳方向对应的水平正方向加速。
6. 如权利要求3所述的方法，其中，所述机器人还包括附加部件，所述附加部件与所 述基座部连接于附加关节，

   所述根据运动指令，控制所述至少一个关节的力矩，使得所述机器人进行空翻运动，还包括：

   控制所述附加关节，以使得所述附加部件向起跳方向对应的旋转方向旋转。
7. 如权利要求6所述的方法，其中，所述附加部件包括通过附加主动连接的附加连杆，在所述附加部件旋转的过程中，所述附加连杆的中轴线与基座部的中垂线之间的夹角沿旋转方向逐渐增加后再逐渐减小。
8. 如权利要求3所述的方法，其中，所述控制所述至少一个关节的力矩，以使得机器人进行空翻运动，还包括：

   在所述空翻运动的落地阶段，控制所述轮腿部中与基座部相连的关节和所述轮腿部的主动轮，以使得所述机器人进入平衡直立状态。
9. 如权利要求1所述的方法，其中，所述控制所述至少一个关节的力矩，以使得机器人进行空翻运动，还包括：控制所述轮腿部中与基座部相连的关节，以使得所述轮腿部的主动轮的中心与基座部的中心之间的连线与所述基座部的中垂线相交。
10. 如权利要求2所述的方法，其中，所述左轮腿部包括：第一左腿连杆、第二左腿连杆、第三左腿连杆和第四左腿连杆，所述第一左腿连杆的第一端部与基座部连接，所述第一左腿连杆的第二端部与所述第二左腿连杆的第一端部铰接以形成第一左腿转动副，所述第二左腿连杆的第二端部与左主动轮连接，所述第三左腿连杆的第一端部与左主动轮连接，所述第三左腿连杆的第二端部与所述第四左腿连杆的第一端部铰接以形成第二左腿转动副，所述第四左腿连杆的第二端部与所述基座部连接；

    所述右轮腿部包括：第一右腿连杆、第二右腿连杆、第三右腿连杆和第四右腿连杆，所述第一右腿连杆的第一端部与基座部连接，所述第一右腿连杆的第二端部与所述第二右腿连杆的第一端部铰接以形成第一右腿转动副，所述第二右腿连杆的第二端部与右主动轮连接，所述第三右腿连杆的第一端部与右主动轮连接，所述第三右腿连杆的第二端部与所述第四右腿连杆的第一端部铰接以形成第二右腿转动副，所述第四右腿连杆的第二端部与所述基座部连接。
11. 如权利要求3所述的方法，其中，所述运动指令包括所述机器人在空翻运动中对应不同时刻的目标运动参数。
12. 如权利要求11所述的方法，其中，所述运动指令是根据全身动力学规划得到的，所述全身动力学规划对应于所述机器人的动力学模型及约束方程组，所述机器人的动力学模型及约束方程组与所述机器人的空翻初始目标状态及空翻终末目标状态相关联。
13. 如权利要求11所述的方法，其中，根据运动指令，控制所述至少一个关节的力矩， 使得所述机器人进行空翻运动，包括：

    根据所述机器人在空翻运动中的实际运动参数与目标运动参数的参数差值，基于全身动力学控制确定用于控制所述至少一个关节的实际控制信号，使所述机器人的实际运动参数向目标运动参数回归。
14. 如权利要求13所述的方法，其中，所述全身动力学控制基于对应于所述机器人的动力学模型，所述动力学模型等效于以下各项中的任意一项：

    变腿长轮式倒立摆模型对应的动力学模型，所述变腿长轮式倒立摆模型包括：腿长可变的虚拟腿、与所述虚拟腿的第一端连接的虚拟主动轮，以及与所述虚拟腿的第二端连接的虚拟基座部，其中，所述虚拟腿等效于所述轮腿部的关节和连杆，所述虚拟主动轮等效于所述轮腿部的主动轮，所述虚拟基座部等效于所述基座部；或

    平面带浮动基全身动力学模型对应的动力学模型，所述平面带浮动基全身动力学模型包括虚拟前腿、虚拟后腿、与所述虚拟前腿的第一端和所述虚拟后腿的第一端连接的虚拟主动轮、以及与所述虚拟前腿的第二端和所述虚拟后腿的第二端连接的虚拟基座部、所述虚拟前腿和虚拟后腿等效于所述轮腿部的关节和连杆，所述虚拟主动轮等效于所述轮腿部的主动轮，所述虚拟基座部等效于所述基座部。
15. 如权利要求14所述的方法，其中，所述变腿长轮式倒立摆模型和平面带浮动基全身动力学模型还包括虚拟尾巴，所述虚拟尾巴等效于所述附加部件。
16. 如权利要求14所述的方法，其中，

    所述变腿长轮式倒立摆模型对应的动力学模型是基于以下各项中的至少一项构建的：所述虚拟基座部的中心位置、所述虚拟主动轮的转动角度、所述虚拟腿的腿长、所述虚拟基座部的俯仰角度、所述虚拟主动轮的执行力矩、所述虚拟腿的腿长变化的力、承载面对于所述变腿长轮式倒立摆模型的摩擦力和支撑力；

    所述平面带浮动基全身动力学模型对应的动力学模型是基于以下各项中的至少一项构建的：所述虚拟基座部的中心位置、所述虚拟主动轮的转动角度、虚拟前腿的姿态、虚拟后腿的姿态、所述虚拟基座部的俯仰角度、所述虚拟主动轮的执行力矩、所述虚拟腿与所述虚拟基座部连接处的转动力矩、承载面对于所述平面带浮动基全身动力学模型的摩擦力和支撑力。
17. 如权利要求14所述的方法，其中，所述全身动力学控制进一步基于对应于所述机器人的约束方程组，所述约束方程组包括以下各项中的至少一项：

    运动状态方程，用于约束在起跳阶段和落地阶段所述机器人与所述承载面之间的运动为纯滚动，以及用于约束在腾空阶段所述机器人与承载面无相互作用力；

    摩擦约束方程，用于约束所述承载面反作用力满足摩擦锥；

    防碰撞约束方程，用于约束所述机器人除所述主动轮之外的机构不与所述承载面发生碰撞；

    边界约束方程，用于约束所述机器人的状态量的上限值和下限值，以及所述机器人的控制量的上限值和下限值，状态量约束用于约束所述机器人的状态量；

    连续性约束方程，用于限制所述机器人在所述落地阶段中与所述承载面之间为非弹性碰撞。
18. 如权利要求13所述的方法，其中，所述全身动力学控制基于对应于所述机器人的约束方程组，所述约束方程组包括：关节控制约束，用于约束所述机器人对应的运动状态和所述机器人的各个关节的运动状态之间的约束关系。
19. 一种机器人，该机器人包括：

    轮腿部，包括多个关节；

    基座部，其连接至该轮腿部；

    控制器，该控制器设置在该机器人上，且能够执行如权利要求1-18中任一项所述的方法。
20. 一种控制机器人进行空翻运动的装置，所述装置包括处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集，所述至少一条指令、所述至少一段程序、所述代码集或指令集由所述处理器加载并执行以实现如权利要求1-18中任一项所述的方法。

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