【技術實現步驟摘要】
本申請屬于機器人，尤其涉及一種帶機械臂的四足機器人協同運動控制方法。
技術介紹
1、四足機器人相較于傳統的輪式和履帶式移動機器人在復雜環境下具有更好的運動能力和更高的機動性，然而它并不具有抓取物體的能力。機械臂與四足機器人本體的組合，可有效提高四足機器人的靈活性，可模擬人類手臂的活動，實現抓取、搬運以及其他復雜動作。這種靈活性使得四足機器人在倉儲、物流和醫療等領域的應用變得更為廣泛。目前大多數帶機械臂的四足機器人，僅能夠將四足機器人和機械臂作為獨立的硬件單元分別進行控制，沒有充分考慮四足機器人和機械臂之間的相互影響，尤其是相互作用力的影響。對每個單元獨立控制的方法并不能發揮足式機器人本體的六自由度運動優勢，且極有可能產生機械臂活動導致得機器人整體重心失穩的問題，這將極大地削弱機械臂末端的靈活工作空間、可達性和精準性，嚴重時甚至導致機器人傾倒。因此，對四足機器人本體和機械臂進行整體優化控制以實現對機械臂末端執行器高精度、高魯棒性、高穩定性的協同運動控制是非常有必要的。
2、目前最具影響力的帶機械臂的四足機器人協同運動控制方法是由蘇黎世聯邦理工學院(eth)提出的基于多剛體全身動力學模型的全身控制(whole-body?control，wbc)優化方法。該方法首先構建機械臂和四足機器人本體的多剛體全身動力學模型，然后采用wbc優化控制方法，實現對機械臂本體6個關節電機力矩和四足機器人本體12個關節電機力矩的控制。該方法構造了完整的機械臂和四足機器人多剛體動力學模型，通過wbc控制器計算出18個電機的輸出力矩，再通過各電機
3、帶機械臂的四足機器人wbc控制方法需構造完整的多剛體全身動力學模型。帶機械臂的四足機器人為18個自由度的超冗余度復合機器人，使用多剛體動力學建模需要已知四足機器人本體和機械臂各活動桿件的質量、轉動慣量、各桿長度、各桿件之間關系等，故其整體的多剛體全身動力學模型構造復雜、建模困難、需已知信息多且運算量大。此外，該方法需采用提供力矩控制模式的機械臂系統。然而，市場大多機械臂僅能夠提供位置控制模式，且提供力矩控制模式的機械臂價格高昂，整機開發難度大。
技術實現思路
1、本專利技術的主要目的在于提供一種帶機械臂的四足機器人協同運動控制方法，以解決現有技術中多剛體全身動力學模型構造復雜、建模困難的、需已知信息多且運算量大的問題。
2、為了解決上述問題，根據本專利技術的一個方面，提供了一種帶機械臂的四足機器人協同運動控制方法，帶機械臂的四足機器人包括機械臂和四足機器人本體，其中，控制方法包括：步驟s1，構造四足機器人本體的單剛體動力學模型和帶機械臂的四足機器人整體運動學模型；步驟s2，對單剛體動力學模型和整體運動學模型，設計未來n個時刻的模型預測矩陣；步驟s3，構造變權重代價函數、四足機器人本體足端受力條件和對機械臂關節轉速的約束條件；步驟s4，將變權重代價函數、約束條件轉化為二次規劃問題，計算出地面對四足機器人本體足端作用力和機械臂期望關節角速度；步驟s5，計算出四足機器人本體單腿關節電機期望力矩和機械臂各關節的期望位置指令。
3、進一步地，上述步驟s1包括：使用六維力傳感器檢測機械臂對四足機器人本體的作用力和力矩，構造四足機器人本體的單剛體動力學模型和帶機械臂的四足機器人整體運動學模型。
4、進一步地，上述四足機器人本體的單剛體動力學模型和帶機械臂的四足機器人整體運動學模型包括：
5、
6、m0和g0為：
7、
8、其中，分別為四足機器人本體質心在世界系下的位置、歐拉角、線速度和角速度向量，分別為機械臂末端執行器在世界系的位置、歐拉角、線速度和角速度向量，為控制周期，為3×3的單位矩陣，為3×3的零矩陣，為3×6零矩陣，為四足機器人本體簡化的角速度到歐拉角速度的旋轉矩陣，為機械臂末端執行器的角速度到歐拉角速度的旋轉矩陣，為四足機器人本體的質量，為四足機器人本體在世界系下的轉動慣量，為四足機器人本體四個足端到四足機器人本體質心的位置向量，分別為四足機器人本體質心坐標系到世界系和基座坐標系到四足機器人本體質心坐標系的旋轉矩陣，分別為機械臂末端執行器到機械臂基座的位置雅可比矩陣和旋轉雅可比矩陣，為六維力傳感器坐標系到四足機器人本體質心坐標系的平移向量，為六維力傳感器坐標系下的機械臂對四足機器人本體的作用力，為六維力傳感器坐標系到四足機器人本體質心坐標系的旋轉矩陣，為重力加速度矢量，分別為機械臂末端執行器在機械臂基座坐標系的位置和角速度，為機械臂基座坐標系到四足機器人本體質心坐標系的平移向量，為四足機器人本體四個足端對地面的反作用力，機械臂選自六自由度機械臂，為六自由度機械臂關節角速度向量。
9、進一步地，上述步驟s2中，未來n個時刻的模型預測矩陣包括被控量在未來n個步長與控制量的關系。
10、進一步地，上述將步驟s1中構造的模型簡化為：
11、
12、其中，xi+1為被控量，ui為控制量；對簡化模型進行n次迭代，設計如下模型預測矩陣：
13、
14、其中，n為模型預測控制計算步長，
15、預測模型矩陣可簡化為：
16、
17、其中，
18、進一步地，上述構造變權重代價函數的過程包括：使機械臂末端執行器期望位姿與機械臂末端執行器當前位姿差、四足機器人本體期望質心位姿與四足機器人本體初始質心位姿的差的范數與控制量范數之和最?。?/p>
19、
20、其中，為期望位姿向量，和為能夠調整的控制權重，均為對角正定矩陣，q權重關于四足機器人本體期望質心位姿與四足機器人本體初始質心位姿的差的部分為變權重設置，設置機械臂末端執行器位姿誤差的權重遠大于四足機器人本體質心位姿誤差的權重，當四足機器人本體期望質心位姿與初始質心位姿的差較小時，設置q權重較小；當四足機器人本體期望質心位姿與四足機器人本體初始質心位姿的差較大時，設置q權重逐漸增大。
21、進一步地，上述四足機器人本體四個足端對地面的反作用力f1,f2,f3,f4以摩擦錐為受力條件，機械臂關節角速度以最大轉速構造約束條件。
22、進一步地，上述步驟s4中，將變權重代價函數和約束條件轉化為二次規劃問題包括：
23、
24、h和g分別為：
25、
26、其中，h和g為常值，u為控制量。
27、進一步地，上述使用二次規劃求解器計算得u，u為n個步長控制量ui的向量，取第一個步長的ui作為控制量，得到四足機器人本體四個足端對地面的反作用力f1,f2,f3,f4和六自由度機械臂關節角速度向量
28、進一步地，上述利用四足機器人本體各條腿的雅可比矩陣和f1,f2,f3,f4，計算得到四足機器人本體單腿關節電機期望力矩；對機械臂各關節期望角速度積分，計算得到機械臂各關節的期望位置指令。
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【技術保護點】
1.一種帶機械臂的四足機器人協同運動控制方法，所述帶機械臂的四足機器人包括機械臂和四足機器人本體，其中，所述控制方法包括：
2.根據權利要求1所述的帶機械臂的四足機器人協同運動控制方法，其特征在于，所述步驟S1包括：
3.根據權利要求2所述的帶機械臂的四足機器人協同運動控制方法，其特征在于，所述四足機器人本體的單剛體動力學模型和所述帶機械臂的四足機器人整體運動學模型包括：
4.根據權利要求3所述的帶機械臂的四足機器人協同運動控制方法，其特征在于，所述步驟S2中，所述未來n個時刻的模型預測矩陣包括被控量在未來n個步長與控制量的關系。
5.根據權利要求4所述的帶機械臂的四足機器人協同運動控制方法，其特征在于，將所述步驟S1中構造的模型簡化為：
6.根據權利要求1所述的帶機械臂的四足機器人協同運動控制方法，所述步驟S3中，構造變權重代價函數的過程包括：
7.根據權利要求6所述的帶機械臂的四足機器人協同運動控制方法，其特征在于，四足機器人本體所述四個足端對地面的反作用力f1,f2,f3,f4以摩擦錐為所述受力條件，機
8.根據權利要求1所述的帶機械臂的四足機器人協同運動控制方法，其特征在于，所述步驟S4中，將所述變權重代價函數和所述約束條件轉化為二次規劃問題包括：
9.根據權利要求8所述的帶機械臂的四足機器人協同運動控制方法，其特征在于，使用二次規劃求解器計算得U，U為n個步長控制量ui的向量，取第一個步長的ui作為控制量，得到所述四足機器人本體四個足端對地面的反作用力f1,f2,f3,f4和所述六自由度機械臂關節角速度向量
10.根據權利要求1所述的帶機械臂的四足機器人協同運動控制方法，所述步驟S5包括，利用所述四足機器人本體各條腿的雅可比矩陣和f1,f2,f3,f4，計算得到所述四足機器人本體單腿關節電機期望力矩；對所述機械臂各關節期望角速度積分，計算得到所述機械臂各關節的期望位置指令。
...【技術特征摘要】
1.一種帶機械臂的四足機器人協同運動控制方法，所述帶機械臂的四足機器人包括機械臂和四足機器人本體，其中，所述控制方法包括：
2.根據權利要求1所述的帶機械臂的四足機器人協同運動控制方法，其特征在于，所述步驟s1包括：
3.根據權利要求2所述的帶機械臂的四足機器人協同運動控制方法，其特征在于，所述四足機器人本體的單剛體動力學模型和所述帶機械臂的四足機器人整體運動學模型包括：
4.根據權利要求3所述的帶機械臂的四足機器人協同運動控制方法，其特征在于，所述步驟s2中，所述未來n個時刻的模型預測矩陣包括被控量在未來n個步長與控制量的關系。
5.根據權利要求4所述的帶機械臂的四足機器人協同運動控制方法，其特征在于，將所述步驟s1中構造的模型簡化為：
6.根據權利要求1所述的帶機械臂的四足機器人協同運動控制方法，所述步驟s3中，構造變權重代價函數的過程包括：
7.根據權利要求6所述的帶機械臂的四足機器人協同運...
【專利技術屬性】
技術研發人員：楊譜，王勇，賀昱，胡海東，劉大勇，周忠達，李帆，
申請(專利權)人：中國空間技術研究院杭州中心，
類型：發明
國別省市：
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