本發(fā)明屬于變形機器人運動控制的，具體涉及一種變形機器人重構(gòu)過程中調(diào)整質(zhì)心機構(gòu)滑塊的運動控制方法。

背景技術(shù)：

1、變形機器人是以汽車結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)研制的一種新型重構(gòu)機器人，其擁有多種運動模式，既可以在結(jié)構(gòu)路面上以汽車態(tài)實現(xiàn)高速穩(wěn)定行駛，在遇到非結(jié)構(gòu)路面（臺階、樓梯等）時，也能以腿足支撐實現(xiàn)類人態(tài)跨步行走，該車可以廣泛應(yīng)用于工程勘測、軍事偵察、反恐防暴以及星際探測等領(lǐng)域。

2、變形機器人在由汽車態(tài)重構(gòu)為類人態(tài)的過程中，質(zhì)心位置變化很大，支撐域由四輪圍成的區(qū)域縮小為兩足圍成的區(qū)域，支撐面積大大減少，因此在重構(gòu)過程中變形機器人易發(fā)生傾倒失穩(wěn)。目前，針對機器人運動穩(wěn)定性控制大多是根據(jù)零力矩點理論對調(diào)整質(zhì)心機構(gòu)中滑塊的運動位移進行規(guī)劃和調(diào)整，通過控制滑塊運動位移來調(diào)整系統(tǒng)質(zhì)心位置，然后基于倒立擺模型對機器人的各個腿部關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角運動規(guī)律進行設(shè)計，通過調(diào)整各個關(guān)節(jié)的角度實現(xiàn)機器人的運動姿態(tài)的控制，從而提高機器人的運動穩(wěn)定性。但是在進行穩(wěn)定性控制的過程中，調(diào)整質(zhì)心機構(gòu)滑塊的快速運動也會帶來運動沖擊，對機器人的穩(wěn)定性造成影響。傳統(tǒng)的運動平順性控制主要是針對已知運動路徑進行速度控制，而在變形機器人的重構(gòu)過程中，滑塊的運動軌跡是實時變化的，因此，如何在滿足穩(wěn)定性控制的前提下，實現(xiàn)滑塊的快速無沖擊運動成為當(dāng)前亟需解決的難題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處，提供一種變形機器人重構(gòu)過程中調(diào)整質(zhì)心機構(gòu)滑塊的運動控制方法，以期能對滑塊運動的位移及速度進行多目標綜合控制，使滑塊在無沖擊的前提下快速到達期望位置，從而能有效提高變形機器人重構(gòu)的穩(wěn)定性。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、本發(fā)明一種變形機器人重構(gòu)過程中調(diào)整質(zhì)心機構(gòu)滑塊的運動控制方法，是應(yīng)用于變形機器人的汽車態(tài)與類人態(tài)之間支撐態(tài)的重構(gòu)過程中，所述變形機器人包括：前、后車身和調(diào)整質(zhì)心機構(gòu)，在所述后車身的底板上布置有2條機械腿、調(diào)整質(zhì)心機構(gòu)、舉升機構(gòu)；其中，每條機械腿包括：大腿、小腿、支撐足；所述調(diào)整質(zhì)心機構(gòu)包含：滑軌、沿水平和豎直方向上雙自由度移動的滑塊、滾珠絲杠以及驅(qū)動電機；其特點在于，所述運動控制方法包括如下步驟：

4、步驟一、建立調(diào)整質(zhì)心機構(gòu)的機電動力學(xué)模型；

5、步驟1.1、在變形機器人的腳底板所在的水平面上建立基礎(chǔ)坐標系，所述基礎(chǔ)坐標系的原點設(shè)置在腳底板的中間位置，基礎(chǔ)坐標系的軸的正方向為變形機器人的前進方向，基礎(chǔ)坐標系的軸的正方向垂直水平面向上，基礎(chǔ)坐標系的軸的正方向垂直于軸和軸所在平面并指向車外側(cè)；

6、步驟1.2、根據(jù)式(1)建立所述調(diào)整質(zhì)心機構(gòu)的機電動力學(xué)模型；

7、????(1)

8、式(1)中，表示調(diào)整質(zhì)心機構(gòu)的等效電流常數(shù)；表示調(diào)整質(zhì)心機構(gòu)的等效扭矩常數(shù)；為調(diào)整質(zhì)心機構(gòu)的等效轉(zhuǎn)動慣量；為調(diào)整質(zhì)心機構(gòu)的等效黏性阻尼系數(shù)；為比例系數(shù)；為調(diào)整質(zhì)心機構(gòu)的電機角加速度，為調(diào)整質(zhì)心機構(gòu)的滑塊速度；為調(diào)整質(zhì)心機構(gòu)的控制電壓；

9、步驟二、將變形機器人在重構(gòu)過程中時刻的期望零力矩點位置與實際零力矩點位置的偏差和偏差變化率輸入到fuzzy-pid控制器中進行處理，并輸出滑塊在時刻的期望位移；

10、步驟三、對步驟二中得到的滑塊期望位移進行防沖擊快速運動規(guī)劃，得到時刻滑塊規(guī)劃后的期望速度，其中，,?為滑塊運動規(guī)劃的時間；

11、步驟四、計算時刻滑塊規(guī)劃后的期望速度與時刻的實際速度的偏差，并輸入到積分滑?？刂破髦?，從而輸出調(diào)整質(zhì)心機構(gòu)在時刻的控制電壓；

12、步驟五、將輸入到所述機電動力學(xué)模型中，并得到滑塊在時刻的實際速度，將賦值給后，返回步驟四順序執(zhí)行，直到為止，從而實現(xiàn)變形機器人內(nèi)環(huán)平順性控制的閉環(huán)反饋；

13、步驟六、對滑塊在時刻的實際速度積分后，得到滑塊在時間內(nèi)的實際位移，用于計算基礎(chǔ)坐標系下的變形機器人在時刻的零力矩點；

14、步驟七、將賦值給后，返回步驟二順序執(zhí)行，直到零力矩點偏差為零為止，從而實現(xiàn)變形機器人外環(huán)穩(wěn)定性控制的閉環(huán)反饋。

15、本發(fā)明所述的一種變形機器人重構(gòu)過程中調(diào)整質(zhì)心機構(gòu)滑塊的運動控制方法的特點也在于，所述步驟四包括：

16、步驟4.1、利用式(2)構(gòu)建時刻的滑模面函數(shù)；

17、????(2)

18、式(2)中，為滑模面的第一參數(shù)，且，為滑模面的第二參數(shù)，且；為滑塊運動規(guī)劃的時間；為的導(dǎo)數(shù)；

19、步驟4.2、利用式(3)構(gòu)建時刻的指數(shù)趨近律；

20、????(3)

21、式(3)中，為趨近律的第一參數(shù)，為趨近律的第二參數(shù)，表示符號函數(shù)；

22、步驟4.3、對式(2)進行求導(dǎo)后代入式(3)，從而根據(jù)式(4)得到積分滑?？刂破髟跁r刻的控制電壓；

23、????(4)

24、式(4)中，為的二階導(dǎo)。

25、進一步的，所述步驟六中是將作為滑塊在基礎(chǔ)坐標系下的軸坐標，并代入式(5)中，從而利用式(5)計算基礎(chǔ)坐標系下的變形機器人在時刻的零力矩點；

26、????(5)

27、式(5)中，為舉升機構(gòu)、滑塊、2條機械腿的大腿、2條機械腿的小腿以及2條機械腿的支撐足中任意第個構(gòu)件的質(zhì)量，為構(gòu)件的數(shù)量，且；分別為時刻變形機器人的第個構(gòu)件的軸方向和軸方向的質(zhì)心加速度，為重力加速度，分別為時刻變形機器人的第個構(gòu)件質(zhì)心在基礎(chǔ)坐標系下的軸坐標和軸坐標。

28、本發(fā)明一種電子設(shè)備，包括存儲器以及處理器的特點在于，所述存儲器用于存儲支持處理器執(zhí)行所述運動控制方法的程序，所述處理器被配置為用于執(zhí)行所述存儲器中存儲的程序。

29、本發(fā)明一種計算機可讀存儲介質(zhì)，計算機可讀存儲介質(zhì)上存儲有計算機程序的特點在于，所述計算機程序被處理器運行時執(zhí)行所述運動控制方法的步驟。

30、與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在：

31、1.?本發(fā)明以安裝在變形機器人后車身上的調(diào)整質(zhì)心機構(gòu)為控制對象，設(shè)計了應(yīng)用于調(diào)整質(zhì)心機構(gòu)中滑塊的運動控制方法。其中外環(huán)fuzzy-pid控制器作為調(diào)整質(zhì)心機構(gòu)中滑塊運動的位置控制器，通過控制滑塊的位移實時調(diào)整系統(tǒng)零力矩點，保證重構(gòu)過程的穩(wěn)定性；內(nèi)環(huán)積分滑?？刂破髯鳛榛瑝K運動的速度控制器，根據(jù)外環(huán)穩(wěn)定性控制器得到的位移進行防沖擊快速運動規(guī)劃，實現(xiàn)了滑塊運動的平順性，減小了快速運動帶來的沖擊。

32、2．本發(fā)明將變質(zhì)心控制方法引入到變形機器人的重構(gòu)運動穩(wěn)定性控制研究中，對調(diào)整質(zhì)心機構(gòu)中滑塊運動的位移及速度進行多目標綜合控制，實現(xiàn)了基于調(diào)整質(zhì)心機構(gòu)的運動穩(wěn)定性及平順性，使滑塊在平穩(wěn)無沖擊運動的前提下，滿足了穩(wěn)定性控制的實時性要求。

技術(shù)特征：

1.一種變形機器人重構(gòu)過程中調(diào)整質(zhì)心機構(gòu)滑塊的運動控制方法，是應(yīng)用于變形機器人的汽車態(tài)與類人態(tài)之間支撐態(tài)的重構(gòu)過程中，所述變形機器人包括：前、后車身和調(diào)整質(zhì)心機構(gòu)，在所述后車身的底板上布置有2條機械腿、調(diào)整質(zhì)心機構(gòu)、舉升機構(gòu)；其中，每條機械腿包括：大腿、小腿、支撐足；所述調(diào)整質(zhì)心機構(gòu)包含：滑軌、沿水平和豎直方向上雙自由度移動的滑塊、滾珠絲杠以及驅(qū)動電機；其特征在于，所述運動控制方法包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種變形機器人重構(gòu)過程中調(diào)整質(zhì)心機構(gòu)滑塊的運動控制方法，其特征在于，所述步驟四包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種變形機器人重構(gòu)過程中調(diào)整質(zhì)心機構(gòu)滑塊的運動控制方法，其特征在于，所述步驟六中是將作為滑塊在基礎(chǔ)坐標系下的軸坐標，并代入式(5)中，從而利用式(5)計算基礎(chǔ)坐標系下的變形機器人在時刻的零力矩點；

4.一種電子設(shè)備，包括存儲器以及處理器，其特征在于，所述存儲器用于存儲支持處理器執(zhí)行權(quán)利要求1-3中任一所述運動控制方法的程序，所述處理器被配置為用于執(zhí)行所述存儲器中存儲的程序。

5.一種計算機可讀存儲介質(zhì)，計算機可讀存儲介質(zhì)上存儲有計算機程序，其特征在于，所述計算機程序被處理器運行時執(zhí)行權(quán)利要求1-3中任一所述運動控制方法的步驟。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種變形機器人重構(gòu)過程中調(diào)整質(zhì)心機構(gòu)滑塊的運動控制方法，包括：1建立變形機器人模型，2將期望零力矩點與實際零力矩點的偏差輸入到Fuzzy?PID控制器，計算并輸出滑塊期望位移，3對期望位移進行防沖擊快速運動規(guī)劃，得到滑塊期望速度，4將期望速度和實際速度的偏差輸入到積分滑模控制器，計算并輸出滑塊控制電壓，5將控制電壓輸入到機電動力學(xué)模型得到實際速度，并反饋到積分滑?？刂破鲗崿F(xiàn)平順性閉環(huán)控制，6對速度積分得到位移，利用位移計算零力矩點并反饋到Fuzzy?PID控制器構(gòu)成穩(wěn)定性閉環(huán)控制。本發(fā)明能對滑塊運動的位移及速度進行多目標綜合控制，使滑塊在無沖擊的前提下快速到達期望位置，從而能有效提高變形機器人重構(gòu)穩(wěn)定性。

技術(shù)研發(fā)人員：劉俊,劉宏勛
受保護的技術(shù)使用者：合肥工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15