申请/专利权人：中兵智能创新研究院有限公司

申请日：2022-05-09

公开（公告）日：2024-06-28

公开（公告）号：CN114734445B

主分类号：B25J9/16

分类号：B25J9/16

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.28#授权;2022.07.29#实质审查的生效;2022.07.12#公开

摘要：本发明属于机器人运动控制技术领域，具体涉及一种四足机器人动态适应负载的控制方法。该方法包括：针对机器人的负载参数进行估计，所述机器人的负载参数包括机器人的机身质量及机身质心位置；基于估计获取的机器人的负载参数，建立机器人的虚拟伺服力与力矩；将虚拟伺服力与力矩优化分配至各支撑腿，并通过关节映射实现负载的动态适应。本发明通过建立机器人负载自适应稳定控制器实现对外界负载的抗扰动，从而提升机器人在复杂路面下的通过性能。

主权项：1.一种四足机器人动态适应负载的控制方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤1：针对机器人的负载参数进行估计，所述机器人的负载参数包括机器人的机身质量及机身质心位置；步骤2：基于估计获取的机器人的负载参数，建立机器人的虚拟伺服力与力矩；步骤3：将虚拟伺服力与力矩优化分配至各支撑腿，并通过关节映射实现负载的动态适应；其中，所述步骤1包括：步骤11：在机器人的机身原点处建立动力学方程；步骤12：在机器人站立平衡条件下，建立力平衡方程，估计机器人的机身质量；步骤13：在机器人站立平衡条件下，建立力矩平衡方程，采用最小二乘法估计机器人的机身质心位置；其中，所述步骤2中，包括：步骤21：根据估计的负载参数建立机器人高度方向的虚拟伺服力；步骤22：根据估计的机身质心位置建立机器人转动方向的虚拟伺服力矩；其中，所述步骤3中，将虚拟伺服力与力矩优化分配至各支撑腿，并通过关节映射实现负载的动态适应；具体包括：步骤31：建立虚拟伺服力力矩与足端力之间的映射关系；步骤32：建立虚拟伺服力力矩力分配的目标优化函数，求解满足约束的一组最优解；步骤33：建立底层柔顺伺服控制器；其中，所述步骤11中，以机器人为研究对象，在机身原点处建立动力学方程，具体如下： 其中，式中，Fi为第i条腿的地面作用力矢量，Gi,j为第i条腿第j个关节连杆的重力矢量，mi,j为第i条腿第j个关节连杆的质量，Ii,j为第i条腿第j个关节连杆的转动惯量，为第i条腿第j个关节连杆质心的平动加速度，为第i条腿第j个关节的角加速度，Gt为含负载的机身重力矢量，mt为含负载的机身质量，It为含负载的机身转动惯量，为机身姿态角加速度，为含负载的机身平动加速度，FG为作用在机身原点的合力矢量，MG为作用在机身原点的合力矩矢量，ri为足相对机身原点的位置矢量，rb_com为机身质心相对机身原点的位置矢量，ri,j_com为腿足各关节连杆质心相对机身原点的位置矢量；其中，所述步骤12中，在机器人站立平衡条件下，合力为零，即FG＝0，估计负载质量以及含负载的机身质量，得到： mL＝Gt_zg-mbGt_zg＝mL+mb式中，Gt_z为Gt的z元素，g＝-9.812为重力加速度，mb为不含负载的机身质量，mL为机身质量，Gt_zg为含负载的机身质量；其中，所述步骤13中，在机器人站立平衡条件下，合力矩为零，即MG＝0，机器人的机身质心位置表达如下： 式中，R为机身姿态变换矩阵，rb_com_b为含负载机身质心相对机身原点的位置矢量；选取N组不同姿态下的站立平衡状态，采用最小二乘法求解rb_com_b，计算如下： 其中，所述步骤21中，根据估计的负载参数建立机器人虚拟伺服力，机身在平动方向被简化为具有弹簧和阻尼的虚拟元件，在相同的阻尼比和自然频率下，平动刚度、阻尼与质量成正比，将负载重力作为前馈，考虑了负载的虚拟力建立如下： 式中，Fm为机体虚拟力矢量；kpp为位置正定增益矩阵；p为机身实际的位置矢量；pd为机身期望的位置矢量；kpd为位置正定微分系数矩阵；为机身实际的平动速度矢量，为机身期望的平动速度矢量；其中，所述步骤22中，根据估计的机身质心位置建立机器人虚拟伺服力矩，机身在转动方向被简化为具有弹簧和阻尼的虚拟元件，在相同的阻尼比和自然频率下，旋转刚度、阻尼与转动惯量成正比，将负载重力产生的力矩作为前馈，考虑了负载的虚拟力矩建立如下： 其中， 式中，Mm为机体虚拟力矩矢量；为姿态正定增益矩阵；为机身实际的姿态矢量；为机身期望的姿态矢量；为姿态正定微分系数矩阵；为机身实际的转动速度矢量，为机身期望的转动速度矢量，为不含负载的机身旋转刚度、阻尼系数矩阵；其中，所述步骤31中，建立虚拟伺服力力矩与足端力之间的映射关系，建立如下： 所述步骤32中，建立虚拟伺服力力矩力分配的目标优化函数，求解满足约束的一组最优解，目标优化函数如下：minFx＝Ax-bTSAx-b+αxTWx+β||x-x*||；其中， 式中，S为加权矩阵,W为半正定对称矩阵,α、β为整定因子.x*为上一时刻的优化解；约束条件如下： 上式中，为第i接触点的法向力；为第i接触点的切向力；μ为滑动摩擦系数；所述步骤33中，以分配足部的力作为输入，建立关节柔顺伺服控制器，设计如下所示： 式中：Kpθ、Kvθ为控制器刚度、阻尼系数矩阵；θd为期望的关节角度向量；θ为实际的关节角度向量；为期望的关节角速度向量；为实际的关节角速度向量；τff＝-JTFd为关节力前馈项；Fd为足端期望力；J为关节力雅可比矩阵；u为关节柔顺伺服控制器输入。

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