專利名稱：一種輪腿式機器人的耦合優(yōu)化控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及自動化領(lǐng)域，特別涉及一種輪腿式機器人的耦合優(yōu)化控制方法。
背景技術(shù)：
輪腿式機器人具有較高機動性、一定的越障能力和環(huán)境適應能力，更由于其姿態(tài) 可控性可以滿足穩(wěn)定的視覺系統(tǒng)、操作臂準確作業(yè)等的作業(yè)需求，使其得到廣泛的應用，特 別是面臨著復雜、未知、多變的非結(jié)構(gòu)環(huán)境，具有良好的機動性、環(huán)境適應性和運動靈活性。 所以被廣泛應用于軍事偵察、探測、攻擊作業(yè)以及星球表面探索、救災、消防等方面，已成為 機器人中的一種重要類型。對機器人來說，其運動能力是最基本、最重要的首要前提。以機器人能夠具有較高 的運動能力和機動性并確保整個系統(tǒng)運動中的安全性為目標，通過對輪腿式機器人基本運 動控制問題中的穩(wěn)定性、驅(qū)動牽引特性進行研究，實現(xiàn)其耦合優(yōu)化控制，使得自主機器人的 總體性能可以通過最大程度的提高機構(gòu)的運動特性能力來實現(xiàn)，并在一定程度上可以彌補 系統(tǒng)智能方面的不足。但是目前還沒有一種耦合優(yōu)化控制方法，能夠使機器人在運動過程 中盡量保持機器人車體始終處于水平穩(wěn)定的姿態(tài)，而且使機器人在運動過程中盡量減小滑 行，提高運動能力，以便有效完成作業(yè)任務(wù)。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明提供了一種輪腿式機器人的耦合優(yōu)化控制方法，能夠盡量保持 機器人車體始終處于水平穩(wěn)定的姿態(tài)，而且使機器人在運動過程中盡量減小滑行，提高運 動能力。該輪腿式機器人的耦合優(yōu)化控制方法，包括首先定義輪腿式機器人坐標系R = (G，X，Y，Z)和輪地接觸點的局部坐標系Ri = (Pi, Ui, Vi, Wi) ；G為機器人重心，X、Y軸的方向分別與機器人車體的長度和寬度方向一致，Z 軸垂直向上A是輪腿i的車輪與地面的接觸點，i取1到η之間的整數(shù)，η為輪腿式機器 人的輪腿數(shù)量A是垂直與接觸平面切線方向的法向方向杣是第i個輪腿的車輪的切線 方向A = WiXUi, Wi, Ui和Vi滿足右手法則；接觸點Pi的接觸力向量為fi;沿局部坐標系 Ri的三個坐標軸方向?qū)佑|力向量A進行分解得到fi = (fui，fvi，fwi) ； α i為第i個輪腿 擺臂的關(guān)節(jié)角變量，定義為從擺臂旋轉(zhuǎn)中心沿擺臂長度方向與X軸正向的夾角，并且逆時 針方向為正；順次連接連每兩個相鄰接觸點構(gòu)成各條傾覆軸線，連接重心G到各傾覆軸線中點 構(gòu)成各單位向量Ii ;fr代表輪腿式機器人上的合外力，單位向量Ii與合外力f；形成夾角 θ i，作為各個傾覆軸的穩(wěn)定角度；θ i越大輪腿式機器人越穩(wěn)定；定義穩(wěn)定性函數(shù)代=min說,/ = 1,2,···, }，當代<0時機器人發(fā)生傾倒；滑行率公式兄二 ^fm +人’；
耦合優(yōu)化函數(shù)
權(quán)利要求
一種輪腿式機器人的耦合優(yōu)化控制方法，其特征在于，該方法包括首先定義輪腿式機器人坐標系R＝(G，X，Y，Z)和輪地接觸點的局部坐標系Ri＝(Pi，Ui，Vi，Wi)；G為機器人重心，X、Y軸的方向分別與輪腿式機器人的車體長度和寬度方向一致，Z軸垂直向上；Pi是輪腿i的車輪與地面的接觸點，i取1到n之間的整數(shù)，n為輪腿式機器人的輪腿數(shù)量；Wi是垂直與接觸平面切線方向的法向方向；Ui是第i個輪腿的車輪的切線方向；Vi＝Wi×Ui，Wi、Ui和Vi滿足右手法則；接觸點Pi的接觸力向量為fi，沿局部坐標系Ri的三個坐標軸方向?qū)佑|力向量fi進行分解得到fi＝(fui，fvi，fwi)；αi為第i個輪腿擺臂的關(guān)節(jié)角變量，定義為從擺臂旋轉(zhuǎn)中心沿擺臂長度方向與X軸正向的夾角，并且逆時針方向為正；順次連接每兩個相鄰接觸點構(gòu)成各條傾覆軸線，連接重心G到各傾覆軸線中點構(gòu)成各單位向量Ii；fr代表輪腿式機器人上的合外力，單位向量Ii與合外力fr形成夾角θi，作為各個傾覆軸的穩(wěn)定角度；θi越大輪腿式機器人越穩(wěn)定；定義穩(wěn)定性函數(shù)當時機器人發(fā)生傾倒；滑行率公式耦合優(yōu)化函數(shù)其中，Ks為穩(wěn)定性加權(quán)系數(shù)，Kf為牽引特性加權(quán)系數(shù)；Ks+Kf＝1；在進行耦合優(yōu)化控制時，先獲取輪腿式機器人上各個傾覆軸的穩(wěn)定角度θi，將各θi代入所述穩(wěn)定性函數(shù)進行穩(wěn)定性判斷，當時，進行穩(wěn)定性控制，當時，進行驅(qū)動牽引特性控制；所述穩(wěn)定性控制包括根據(jù)輪腿式機器人的姿態(tài)信息進行逆運動學求解得到各輪腿的當前關(guān)節(jié)角，并與預設(shè)的穩(wěn)定狀態(tài)下各輪腿的關(guān)節(jié)角進行比較，根據(jù)差值對各輪腿的關(guān)節(jié)角進行控制，使各輪腿的關(guān)節(jié)角向穩(wěn)定狀態(tài)變化，直到φs≥0；所述輪腿的關(guān)節(jié)角為從該輪腿的擺臂旋轉(zhuǎn)中心沿擺臂長度方向與X軸正向的夾角，并且逆時針方向為正；所述驅(qū)動牽引特性控制包括根據(jù)所述滑行率公式計算各接觸點Pi的滑行率Si，并從中找出滑行率最大值Simax對應的接觸點Pimax，將Pimax處的輪腿關(guān)節(jié)作為被控輪腿，通過調(diào)節(jié)被控輪腿的關(guān)節(jié)角使得Pimax處的耦合優(yōu)化函數(shù)值Φ最小。FSA00000298475600011.tif,FSA00000298475600012.tif,FSA00000298475600013.tif,FSA00000298475600014.tif,FSA00000298475600015.tif,FSA00000298475600016.tif
2.如權(quán)利要求1所述的輪腿式機器人的耦合優(yōu)化控制，其特征在于，該方法進一步包 括預先設(shè)置對應關(guān)系表，用于存儲輪腿式機器人的不同車體姿態(tài)信息對應的KdPKf ；在耦 合優(yōu)化控制過程中，輪腿式機器人定期利用感知系統(tǒng)獲取車體姿態(tài)信息，根據(jù)獲取的車體 姿態(tài)信息查找對應關(guān)系表，得到Ks和Kf，作為當前使用的加權(quán)系數(shù)代入所述耦合優(yōu)化函數(shù)。
3.如權(quán)利要求1所述的輪腿式機器人的耦合優(yōu)化控制，其特征在于，所述對應關(guān)系表 的設(shè)置規(guī)則包括當車體姿態(tài)中的橫滾角和俯仰角均小于預設(shè)角度下限時，令Ks小于一預 設(shè)小值但不能為0，當橫滾角和俯仰角之一大于預設(shè)角度上限時，令Kf = 0。
4.如權(quán)利要求3所述的輪腿式機器人的耦合優(yōu)化控制，其特征在于，當Kf= 0時，在進 行耦合優(yōu)化控制時，只進行穩(wěn)定性控制。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種輪腿式機器人的耦合優(yōu)化控制方法，屬于自動化領(lǐng)域。定義輪腿式機器人的穩(wěn)定性函數(shù)定義為θi為傾覆軸的穩(wěn)定角度，當時機器人發(fā)生傾倒；輪腿式機器人的牽引力函數(shù)以滑行率Si表示為為提高牽引力就是要使所有Si中的最大值取得極小。本發(fā)明綜合了穩(wěn)定性和牽引力，取二者的加權(quán)均方根之和作為耦合優(yōu)化標準函數(shù)?？刂圃搩?yōu)化標準函數(shù)使其達到最小，從而保證θi的最大化和Si的最小化，也就是最大化機器人的穩(wěn)定性，最小化整個機器人的運動滑行。本發(fā)明不僅考慮了機器人的穩(wěn)定性，同時也考慮了機器人運動中的驅(qū)動牽引特性，有效的改善了輪腿式機器人的運動特性。
文檔編號B25J5/00GK101982809SQ20101050335
公開日2011年3月2日 申請日期2010年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月30日
發(fā)明者于華濤, 段星光, 王興濤, 趙洪華, 黃強 申請人:北京理工大學