CN116985113B 控制足式机器人的方法和装置及足式机器人 （腾讯科技（深圳）有限公司）

UniversityLibraryinIthaca,NY,USA.2021,控制足式机器人的方法和装置及足式机器人本公开的实施例提供一种控制足式机器人应于确定所述足式机器人的各条机械腿均下落轨迹指示所述足式机器人的质心在重力方向上移动的期望轨迹以及所述足式机器人的倾斜角述足式机器人对应的动力学模型以及所述第一2所述第一期望轨迹指示所述足式机器人的质心在重力方向上移动的期望轨迹以及所所述第二期望轨迹指示各条机械腿远离所述基座的一端的基于所述足式机器人对应的动力学模型以及所述第一期望轨迹和第二其中，所述控制所述足式机器人与平面接触后各个关节的推力和第二推力形成的扭矩向所述单刚体提供质心角第一约束条件，其指示所述足式机器人接触平面的第一个第二约束条件，其指示所述足式机器人受到的冲击力小于所在各条机械腿均与平面接触的瞬时时刻，确定各条机械腿远基于各条机械腿与平面接触时的倾倒趋势以及所述足端初始位置，3基于所述足端初始位置和所述足端终末位置，使用三次样条差值确定机械腿与平面接触后，所述足式机器人的质心在重力方向上的高度逐渐降低然后逐渐上且所述动力学模型还指示所述单刚体的角加速度与第一推力和第二推力之间述第一期望轨迹和第二期望轨迹，控制所述足式机器人与平面接触后各个关节的动作包基于所述足式机器人对应的动力学模型，确定在各个时间步所迹以及所述足式机器人的倾斜角变化的实际轨迹均符合所述述第一期望轨迹和第二期望轨迹，控制所述足式机器人与平面接触后各个关节的动作包基于所述足式机器人对应的动力学模型以及所述在各个时间步所述平面与所述足式使得所述各条机械腿远离所述基座的一端的轨迹符合所述第二期基于所述足式机器人在当前时刻的状态信息，控制所述足式机器基于所述足式机器人的当前状态信息，确定接触信息，所述接触信基于所述足式机器人对应的动力学模型以及在各个时间步所述平面与所述足式机器4规划计算设备，被配置为响应于确定所述足式机器人的各条机械腿所述第一期望轨迹指示所述足式机器人的质心在重力方向上移动的期望轨迹以及所所述第二期望轨迹指示各条机械腿远离所述基座的一端的控制电机，被配置为基于所述足式机器人的质心对应的动力学模机器人的基座的高度不变且所述足式机器人的倾斜角方向的其中，所述控制所述足式机器人与平面接触后各个关节的控制器，所述控制器设置在所述足式机器人上，且能够执行如权利要求1_5至所述足式机器人的基座的高度不变且所述足式机器人的倾斜角方向器人的质心在重力方向上移动的期望轨迹以及所述足式机器人的倾斜角的变化的期望轨6为基于所述足式机器人的质心对应的动力学模型以及所述第一期望轨迹和第二期望轨迹，[0012]本公开的实施例对自由落体运动下的足式机器人的建立在保证落地功能的同时对足式机器人形成了良好的抗冲击保[0016]图3A是示出根据本公开的实施例的足式机器人进行简化所得到的二维平面模型[0017]图3B是示出根据本公开的实施例的足式机器人在空翻过程中的各个阶段的示意[0019]图4是示出根据本公开的实施例的足式机器人落地过程中的质心的位置姿态的变[0020]图5是示出根据本公开的实施例的足式机器人落地过程中的机械腿与平面接触的7[0028]虽然本公开对根据本公开的实施例的装置中的某些模块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[0029]本公开中使用了流程图用来说明根据本公开的实施例的方法和装置所执行的操人对各种环境(包括结构化环境(诸如公路、铁器人的当前运动状态设计足式机器人的后续运动轨迹8关节角编码器可以实时地提供足式机器人的各个关节的关节机器人的自由落地的过程中以及在足式机器人与平面接触的过程不对足式机器人进行控[0039]目前工业界和学界已经提出了一些控制方案来对足式机器人的自由下落过程进轴和z轴方向上的两个虚拟弹簧的作用过程，如果利用PD控制方案来调整虚拟弹簧的刚度人的质心在重力方向上移动的期望轨迹以及所述足式机器人的倾斜角的变化的期望轨迹；9[0045]图2是示出根据本公开的实施例的用于足式机器人的控制方法20的流程图。根据本公开的实施例的用于足式机器人的控制方法200可以包括如图2所示的步骤S201_S202。[0046]在步骤S201中，响应于确定所述足式机器人的各条机械所述足式机器人的质心在重力方向上移动的期望轨迹以及所述足式机器人的倾斜角的变面等)之间的接触情况会发生变化，使得足式机器人在与平面接触的过程中可具有多种运时通常具有一定的倾斜角，导致足式机器人可能存在前后倾的角速度或左右倾的角速度。置、足式机器人的倾斜角(pitch)、足式机器人的偏航角(yaw)以及足式机器人的滚动角[0054]所述足式机器人对应的动力学模型用于表征所述足式机器人运动过程中的各关[0055]从所述足式机器人从下落至与平面接触的瞬间到所述足式机器人在平面上稳定所述足式机器人之间的接触力，还可以确定各个关节电机在各个时间步提供的电机力矩，以使得所述各条机械腿远离所述基座的一端的轨迹符合所述第二施例只需要实际轨迹和期望轨迹之间的差异足得到使得所述足式机器人的机械腿在各个时间步达到所述第二期望轨迹所指示的位姿所[0060]学界和工业界现有对移动机器人的控制方案都没有考虑足式机器人的质心轨迹[0061]图3A是示出根据本公开的实施例的足式机器人进行简化所得到的二维平面模型[0062]参考图3A，图1中的足式机器人可以近似是在一个二维平面(x轴(水平轴)和z轴拟机器人在空中质心的姿态旋转接近360度的过程，到虚拟机器人的某一条腿或几条腿接触平面为止。在第三阶段中，二维平面模型中的虚拟机器人与平面的虚拟接触点数量为0[0068]本公开的实施例主要针对第四阶段中虚拟前腿和虚拟后腿均落在平面上然后逐[0070]在具体实现中，可调用足式机器人中的IMU传感器来确定所述足式机器人的当前关节角编码器确定足式机器人的各个关节在当前时刻的关节状态空间观测器可基于加速度信息和历史得到的足式机器人在当前时刻的状态估计结果[0071]例如，还可将位置信息和位置观测结果作为扩展卡尔曼滤波(ExtendedKalman[0072]以上仅是获得当前状态信息的一些示例，本公开之后还参考图8进一步描述了获之间的接触信息的方式包括：从当前状态信息中获取机械腿对应的当前足底触觉反馈值；若获取到的当前足底触觉反馈值为第一数值，则确定任一机械腿在当前时刻与平面接触；若获取到的当前足底触觉反馈值为第二数值，则确定任一机械腿在当前时刻未与平面接[0086]应理解的是，上述只是示例性地阐述了确定机械腿的接4是示出根据本公开的实施例的足式机器人落地过程中的质心的位置姿态的变化及足式机[0092]例如，质心速度曲线指示足式机器人在落地过程中的质心在重力方向上(z方向所述足式机器人的质心在竖直方向上的速度逐渐升高然后逐渐二推力形成的扭矩向所述单刚体提供质心角加[0098]例如，足式机器人可以被近似为一个质量为m的单刚体并且其绕着倾斜角对应的斜角方向的转动角的角加速度与第一推力和第二推力之间的关[0099]fi十f十mg=miz(1)刚体的倾斜角方向的转动角的角加速度。θ指示所述单刚体的倾斜角方向的转动角的角度[0105]i=AU(3)[0106]其中，对应地，将第三[0108]令Ad＝AcΔt+I，Bd＝BcΔt。基于模型预测控制0为初始时刻对应的由质心竖直方向高度、质心竖qpxo+Bapu-xrerIf,可以作为所述足式机器人的[0118]Z函数的第2项可以作为所述足式机器人受到的冲击力总量的一种表现形[0119]Z函数的第3项||h_x||2Q表示在整个下落过程当中足式机器人质心的最低点与静[0120]Z函数的第4项表示相邻时间步之间平面向足式机器人提供的反作[0126]例如，第三约束条件为第三约束条件指示足式机器人xo+Ilxrerf-2A,PXOLxrer+hQh中不含变量U，其px+Ilxrerf-[0144]接下来，参考图5和图6进一步描述如何确定足式机器人的第二期望轨迹的实施例。图5是示出根据本公开的实施例的足式机器人落地过程中的机械腿与平面接触的示意[0145]由于执行空翻任务的足式机器人往往在下落至各条机械腿均与平面接触的瞬时腿远离所述基座的一端的运动轨迹作为第二期座的一端在初始时刻的足端位置坐标，将所述初始时刻的足端位置坐标作为足端初始位位置向量在水平轴方向上的分量，以及三维位置向量在水平轴方向上的分量进行融合处的足端位置坐标在最后一条机械腿与平面接触的时刻在世界坐标系的x轴方向上的分量为足式机器人的前腿的足端位置坐标的期望值在世界坐标系的x轴方向上的分量可以是8cm设足式机器人的前腿的足端位置坐标在最后一条机械腿与平面接触的时刻在世界坐标系应于所述稳定时刻，所述足式机器人的前腿的足端位置坐标的期望值在世界坐标系的x轴如，假设足式机器人的前腿的足端位置坐标在初始时刻在世界坐标系的y轴方向上的分量足式机器人的前腿的足端位置坐标的期望值在世界坐标系的y轴方向上的分量可以是8cm对应于所述稳定时刻，所述足式机器人的前腿的足端位置坐标的期望值在世界坐标系的y初始时刻和结束时刻的位置的三次样条差值(CubicSplineInterpolation)实现。同理，足式机器人的质心的x和y方向数值序列使用初始时刻和结束时刻的位置的三次样条差值学模型以及所述第一期望轨迹和第二期望轨迹来控制所述足式机器人与平面接触后各个[0160]基于本公开的足式机器人的动力学方程及上述的第一期望轨迹对所述足式机器方程进一步结合第二期望轨迹对各个关节的控制方案又称全身动力学(Whole_Body[0161]在本公开的实施例将MPC和WBC相结合实现了执行空翻任务的足式机器人在落地[0164]第十四方程(14)的前6行(如以下的第十五方程(15)所示)即足式机器人的质点动pppp的质心在重力方向上移动的实际轨迹以及所述足式机器人的倾斜角变化的实际轨迹均符[0167]第十四方程(14)的下半部分(如以下的第十六方程(16)所示)即足式机器人的关机器人各个关节力矩τ。d和由第二期望轨迹确定(其分别指示各条机械腿的足端期望位置和各条机械腿的足端期望速度)，x和则是各条机械腿足式机器人的各条机械腿之间的接触力，确定各个关节电机在各个时间步提供的电机力p关节角度的对比以及关节角度变化的趋势，确定每条机械腿是在被压缩还是回弹的状态。间为t20的比例控制反馈系数的三次样条差值或四次样条差值(g1或g2)，可以进一步获得其余中间p本公开的实制器需要追踪(tracking)的目标序列，并按照实际观测情况调节控制器的相关权重数值。器人实际的状态值与和第一期望轨迹的终末值做线性或三次样条差值以得到上述的质心完成足式机器人在第二阶段的控制。本阶段由于开始时刻机器人状态的差异，可能在z方分的权重数值可能与第一阶段的控制器的权重数值存轨迹。但同时在机器人本体高度回弹的过程中不会让机器人的足端高度从平面反弹起来，证落地功能的同时对足式机器人形成了良好的抗冲击保护器人对应的动力学模型以及所述在各个时间步所述平面与所述足式机器人的各条机械腿sz以及psy的维度均为4维。于当前姿态信息计算旋转矩阵(可采用R表计计算得到位置计算结果(y)的方式可参见第二十方示相应机械腿的足端在机器人基坐标系下的三维速度；psx包括了每条机械腿对应的x子方条机械腿对应的z子方向位置向量，任一z子方向位置向量用于指示相应机械腿在z轴方向[0200]在第二十一方程(21)中，p0和v0分别代表足式机器人的基座质加速度信息，A、B和C这三个矩阵的形式可以如第二十五方程(25)至第二十七方程(27)所p4等向量在x轴方向和z轴方向上的分量选择出来以构成ym。文=km(29)[0219]在上述第二十八方程(28)至第三十方程(30)中，ye表示位置计算结果y和