CN119024875B 轮腿式机器人的平衡控制方法、装置、设备及存储介质 （腾讯科技（深圳）有限公司）

TransformationoftheWhInternationalConferenceonRobo连杆和n个转动关节，第一连杆是轮腿式机器人两个腿部机构分别连接的移动轮对应的等效移2转动关节之外的n_1个转动关节串行连接，所述第一连杆是所述轮腿式机器人的至少两个获取所述轮腿式机器人在第一时刻的实际状态量，所述实际状态量用于表征n_1个连对所述第一时刻的实际状态量进行处理，得到所述第一时刻的等效部机构的长度和偏转角度确定的，所述等效状态量中所述n_1个连杆的偏转角度为所述实所述实际状态量中的所述n_1个连杆的角速度，所述轮子的角速度是对所述实际状态量中根据所述第一时刻的等效状态量，建立滑模面，所述等效状态量在所根据所述滑模面、所述第一时刻的等效状态量和所述轮腿式机器定关于所述轮腿式机器人的全身关节的力和力矩指令，所述全身关节包括所述n个转动关根据所述动力学方程和所述滑模面，计算所述第二时刻的转动根据所述动力学方程和所述第二时刻的转动力矩，确定所述轮腿式机根据所述第二时刻的角加速度，确定所述轮腿式机器人在所述第二时刻的任务加速3根据所述第一时刻的等效状态量和所述第二时刻的角加速度，确根据所述期望增量位置和期望增量速度，确定所述轮腿式机器人在根据所述轮腿式机器人的动力学方程和所述第一时刻的等效状态将所述第一时刻的等效状态量代入所述动力学方程，确定所述第一时刻的惯性矩阵、偏向力矩阵和重力矩阵，所述惯性矩阵用于表征所述n个转动关节在所述第一时刻的质量重力矩阵用于表征所述轮腿式机器人在所述使用选择矩阵分别对所述惯性矩阵的逆矩阵与所述偏向力阵用于从所述动力学方程提取所述n个转动关对于所述n个滑模面中的第i个滑模面，确定至少两个滑模参数，i为小9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述对于所述n个滑模面中的第i个滑模4从第2i_1个预测参数集中确定所述至少两个滑模参数中的第一滑模参数个预测参数集中确定所述至少两个滑模参数中的其中，所述第2i_1个预测参数集和所述第2i个预测参数集分别包根据所述至少两个滑模参数中的第二滑模参数，对所述轮子的角速度进行根据所述第i个连杆的处理结果、所述轮子的处理结果和对于所述至少两个腿部机构中的直线电机，根据所述全身关节的力和力一转动关节之外的n_1个转动关节串行连接，所述第一连杆是所述轮腿式机器人的至少两状态量获取模块，用于获取所述轮腿式机器人在第一时刻的实际个连杆为所述n个连杆中除了所述第一连杆之外的其状态量处理模块，用于对所述第一时刻的实际状态量进行处理是根据所述至少两个腿部机构的长度和偏转角度确定的，所述等效状态量中所述n_1个连杆的偏转角度为所述实际状态量中的所述n_1个连杆的偏转角度，所述等效状态量中的所是对所述实际状态量中的所述至少两个移动轮的角速度进行指令确定模块，用于根据所述滑模面、所述第一时刻5指令计算单元，用于根据所述第二时刻的转动力矩，计第一速度子单元，用于根据所述动力学方程和所述第二腿式机器人在所述第二时刻的角加速度，所述第二时刻的角加速度包括所述n个连杆在所第二速度子单元，用于根据所述第二时刻的角加速度，根据所述第一时刻的等效状态量和所述第二时刻的角加速度，确根据所述期望增量位置和期望增量速度，确定所述轮腿式机器人在参数确定子单元，用于根据所述轮腿式机器人的动力学方程和述第二时刻的转动力矩之间的映射关系；所述第一时刻的角加速度包括所述n个连杆的角将所述第一时刻的等效状态量代入所述动力学方程，确定所述第一时刻的惯性矩阵、偏向力矩阵和重力矩阵，所述惯性矩阵用于表征所述n个转动关节在所述第一时刻的质量重力矩阵用于表征所述轮腿式机器人在所述6使用选择矩阵分别对所述惯性矩阵的逆矩阵与所述偏向力阵用于从所述动力学方程提取所述n个转动关滑模建立单元，用于根据所述至少两个滑模参数和所述第一时从第2i_1个预测参数集中确定所述至少两个滑模参数中的第一滑模参数个预测参数集中确定所述至少两个滑模参数中的其中，所述第2i_1个预测参数集和所述第2i个预测参数集分别包根据所述至少两个滑模参数中的第二滑模参数，对所述轮子的角速度进行根据所述第i个连杆的处理结果、所述轮子的处理结果和中存储有计算机程序，所述计算机程序由所述处理器加载并执行以实现如权利要求1至12程序，所述计算机程序由处理器加载并执行以实现如权利要求1至12任一项所述的轮腿式算机程序由处理器加载并执行以实现如权利要求1至12任一项所述的轮腿式机器人的平衡7节，所述轮子和所述n个连杆中的第一连杆通过所述n个转动关节中的第一转动关节连接，[0007]获取所述轮腿式机器人在第一时刻的实际状态量，所述实际状态量用于表征n_1[0010]根据所述滑模面、所述第一时刻的等效状态量和所述轮腿式机器人的动力学方8节，所述轮子和所述n个连杆中的第一连杆通过所述n个转动关节中的第一转动关节连接，所述n_1个连杆为所述n个连杆中除了所述第一连杆之外的其9[0043]人工智能(ArtificialIntelligence，AI)是利用数字计算机或者数字计算机控器可以是独立的物理服务器，也可以是多个物理服务器构成的服务器集群或者分布式系确定出基于机器人抽象得到n阶倒立摆模型对应的等效状态量，并根据等效状态量逐步计人103根据第一时刻的等效状态量逐步计算得到机器人的全身关节的力和力矩指令，通过[0052]轮腿式机器人包括至少2个腿部机构，至少一个腿部机构中的任一个腿部机构都在至少两个腿部机构分别位于轮腿式机器人的中轴线两侧，外侧腿部机构和内侧腿部机侧腿部机构对应的髋关节的旋转中心和内侧腿部机构对应的髋关节的旋转中心位于同一[0060]四个腿部机构的另一个末端各自连接一个髋关节204，各个腿部机构可绕各自的204的旋转中心位于同一竖直平面205，且四足轮腿式机器人200对应的各个腿部机构的旋转平面平行。两条内侧腿部机构202对应的髋关节204位于两条外侧腿部机构201对应的髋2个内侧腿部机构202对应的髋关节204，与2个外侧腿部机构201对应的髋关节204不同轴。501的关节力矩信息，控制机器人501的外侧腿部机构组502(即第一腿部机构组)和内侧腿的运动状态。也可以将整个运动过程中机器人的运动阶段分为单腿支撑阶段(Single[0073]图6所示的第一状态为单腿支撑阶段，机器人的第一腿部机用第二腿部机构602保持机器人的平衡，直到第一腿部机构601与第二腿部机构602在竖直[0074]机器人再向上运动一个台阶的过程中，支撑腿部机构和摆动腿部结构会发生互[0077]2个外侧移动腿由同一个旋转电机驱动，该旋转电机用于调整外侧移动腿与与垂内侧移动腿由同一个旋转电机驱动，该旋转电机用于调整内侧移动腿与与L1之间的夹角，示旋转电机的转动速度和转动方向，转动力矩用于指示转动电机转动过程需要达到的力[0082]旋转电机和直线电机的转动和移动改变了机器人的姿态和机器人在三维空间中IMU传感器得到轮腿式机器人的当前姿态和各电机关节编码器的角度信息进行融合，并结如：LQR(LinearQuadraticRegulator，线性二次型调节器)、MPC(ModelPredictive控制器的PID控制(ProportionalIntegralDerivativeControl，比例积分微分控制)来杆和轮腿式机器人中的其他机构可以简化成为n阶倒立摆模型，通过这种方法得到的控制[0098]示例性地，这些任务还可以作为全身运动控制模块(WholeBodyController，[0099]本申请中提供的轮腿式机器人的平衡控制方法主要由图8控制系统中的鲁棒控制[0101]请参考图9，其示出了本申请一个实施例提供的轮腿式机器人的四轮运动模态的等效得到n阶倒立摆模型中的第一连杆1026，使得能够将多轮运动模态下的轮腿式机器人[0106]图10中仅以两个移动轮沿前进方向不重合为例，示出了等效获得轮子和第一连方法对应的动力学模型的建立方法进行介绍。为了方便对本申请涉及的n阶倒立摆模型的绍内容可知，通过将轮腿式机器人的不重合的移动轮和不重合的腿部机构进行等效之后，距离为x，轮子相对于世界坐标系转过的角度定义为pα,逆时针方向为正。躯干机构对应的第二连杆(n个连杆中除了第一连杆之外的另一个连杆)1130相对于世界坐标系转过的角度定义为β,将逆时针方向作为轮子转动角度的正方[0113]轮子相对于世界坐标系转过角度由第一转动关节(相当于图11中的1120)上的关[0114]第二连杆相对于世界坐标系转过角度由第二转动关节(相当于图11中的1140)的BPWBP杆B与轮子的交点到连杆P几何中心的连线长度用连杆B的总动能TB和连杆P的总动能TP的动能计算中均包含平动动能和[0171]M(α,β)中的各个元素my(ie(p,a,B),je(p,a,B))是惯性矩阵中的各关节刚体的质量与转动惯量，以及各个连杆在相互影响下的等效惯性物理量。[0174]本示例中采用的世界坐标系与图11对应部分的实施例内容采用世界坐标系的定[0176]n阶倒立摆模型的n个连杆中两个相邻的连杆通过转动关节相连，n个连杆的偏转在本推导过程中第一连杆的偏转角度是指第一连杆相对于世界坐标系中的z轴的偏转角二连杆与接触面之间的距离l2<…<第n连杆与接触面之间的距离ln腿部机构通过真实转动[0179]在了解n阶倒立摆模型后，采用与构造二阶倒立摆模型对应的动力学方程相似的[0181]对于在广义坐标系下的多个自由度中的任一个自由度(包括各个连杆的偏转角=[q1q2…qn]，mppER1x1,MpqER1xn,mqpERnx1,mgqERnxno是指是指偏向力矩阵，用于表征轮腿式受到的重力。[0186]下面对将轮腿式机器人抽象成n阶倒立摆后的平衡控制方法进行介绍说明。该方流程图。该方法各步骤的执行主体可以是计算机设备。轮腿式机器人简化为n阶倒立摆模包括如下步骤(1310～1350)中的至少[0194]示例性地，n个连杆中包括至少一个由m个通过关节相连的独立连杆组成组合连[0195]在一些实施例中，第一连杆是指与n阶倒立摆模型中与轮子通过第一转动关节相性地，在n等于4的情况下，n个连杆分别对应与腿部机构的第一子机构(腿部机构为直线构等效得到。个在前进方向上不重合的移动轮分别连接的第一时刻的实际状态量由轮腿式机器人的传感度qt、qf、…，(n_1)个连杆的偏转角度q2、…、qn，至少两个移动轮分别对应的角速度构的偏转角度是指腿部机构相对于世界坐标系中的z轴的偏转角度，n_1个连杆中第i个连度是指腿部机构相对于世界坐标系中的z轴的偏转角度的变化速度；第i连杆的角速度机编码器确定至少两个腿部机构的偏转角度qt、qf、…，以及n_1个连杆的偏转角度q2n；通过电机编码器确定移动轮的角速度至少两个腿部机构的角速度n个T表示向量q的转置向量，qT＝[q1q2…qn]，表示向量的转置向量，态量之间存在高阶映射关系的滑模面。考虑到实际应用过程中减轻鲁棒控制器的计算压模块与全身动力学控制器建立有连接，观测模块从鲁棒控制器中获取n个转动关节的转动动关节之外的其他转动关节，由于这些转动关节与轮腿式机器人中的转动关节一一对应，器确定出全身关节的力和力矩指令之后，从全身关节的力和力矩指令确定出n个转动关节机器人调整至平衡状态，还有助于提升机器人在不同扰动力作用下恢复至平衡状态的能个滑模面中需要使用的剩余的状态参数与滑模参数为：第i个连杆的偏转角度对应的滑模参数、移动轮的角速度对应的滑模参数以及第(i+m)％n个连杆的偏转角度对应的滑模参数。需要说明的是，与滑模面相关的状态参数的数案中创建滑模面使用的滑模参数数量不等于第二滑模创建方案中创建滑模面需使用的滑建方案选择目标创建方案，并根据目标创建方案确定需要创建第i个滑模面需要使用的滑杆的偏转角度进行处理的方法包括但不限于：使用第一滑模参数和第i个机构的偏转角度[0283]通过这种方式建立n个滑模面，在保证能够后续能够根据滑模面和动力学模型参数能够计算出确定的n个转动关节的转动力矩的同时，控制了创建画面面过程中使用的滑[0290]在一些实施例中，第一时刻的角加速度是指将轮腿式机器人抽象成n阶倒立摆模型之后，n个连杆的转动加速度(也可以理解成为n矩阵用于表征第一时刻的角加速度与n个转动关节的转动力矩之间的比例关系，偏移参数[0307]通过动力学模型参数能够确定轮腿式机器人的加速度与n个转动关节的转动力矩之间的转动关系，后续根据动力学模型参数和滑模面能够较为快速的确定出n个转动关节矩阵用于从动力学方程提取n个转动关节的转在鲁棒控制器的设计过程中还需对上述公式1进行调整，使用选择矩阵对公式1进行处理，表示比例[0320]在一些实施例中，上述机器人的动力学方程是基于轮腿式机器人抽象成n阶倒立[0322]在对动力学模型参数和n个滑模面在鲁棒控制器中的设计方法进行说明之后，对矩阵f[]中的f,(q,p,q,q),fq是上文中公式2中偏移参数矩阵f[]中的f,(p,o,g,4),是上文中公式2中比例参数矩阵g[]中的g,(p,p,q,⃞),gq上文中公式2中比例参数矩[0329]s"s=-k,lslk,ER"*"为常数矩阵，sT为包括n个滑模面的滑模矩[0333]s=Dq+AP+q=0[0335]q=-Dq-AP转角度)，令β表示也即β包括n个连杆中除了第一连杆之外的其他连杆的偏转示惯性矩阵M中的Tpq之中与第一连杆有关惯性量；mpp表示示n个连杆中除了第一连杆之外的其他连杆分别受到的重力；τ1表示第一转动关节的转动力矩；τ2表示n个转动关节中除了第一转动关节之外的其他转动关节分别对应的转动[0356]9u-9p,I为单位矩阵。[0357]可选地，系统稳定性判据与根据动力学方程以及滑模面确定出的状态方程有[0358]的特征根均分布在复平面的中确定出动力学模型参数并创建出n个滑模面，且滑模面中的滑模参数满足系统稳定性条于公式4计算n个转动关节的转动力矩τ。到创建滑模面的过程中需要的滑模参数的实际数值；鲁棒控制器将滑模参数带入滑模面[0362]示例性地，在本申请提供的平衡控制方法先在某个数值范围内任选n个滑模面分别对应的滑模参数，使用这些滑模参数构建n个滑模面并通过公式4计算n个转动关节的转n个滑模参数不满足上述矩阵不等式约束的情况下，则确定出的n个转动关节的转动力矩τ预测参数集和第2i个预测参数集分别包括的滑模参数满足稳定性判据的[0366]在创建第i个滑模面的过程中，从第(2i_1)个预测参数集中确定至少两个个滑模模参数计算得到的n个转动关节的转动力矩无法控制轮腿式机器人的平衡，提升确定出的转动关节的转动力矩的可用性，有助于避免计算机设备重新确定转动力矩时进行的计算，器人的躯干机构(也可以称为躯体机构)在世界坐标完整的轮腿式机器人收到的科氏力、向心力、重力之和；se表示选择矩阵；表示接触点雅克比矩阵；r=R";f=R"c表示接触力向量，包括轮腿式f第二时刻的角加速度包括n个连杆在第二时刻的角加速度以及移动轮在第二时刻的角加速拟接触点是指上述至少两个移动轮与接触面的征腿式机器人的质心相对于轮腿式机器人的位置增量是指轮腿式机器人的质心的相对速度在[0412]可选地，轮腿式机器人在第二时刻的任务加速度可以通过以下公式进行计[0423]根据全身动力学方程：与期望关节到了全身关节的力和力矩指令τ。机器人的多个真实轮子在第一方向上不重合的场景中，也能够实现对至少一个真实轮子，s速度恒等于0；支撑轮的期望加速度可以表示为若轮腿式机[0439]轮腿式机器人中的摄像头通过拍摄视线范围中接触面的高度变化得到多个未来表达公式，并根据该表达公式确定出躯干机构竖直方向参考位置ouse速度加即轮腿式机器人基于IMU传感器的观测结果根据正运动学公式计算得到实际的欧拉角角度角速度euere通过躯干姿态任务对应的PD反uer-euer)上、下楼梯迈步过程中支撑轮腿和摆动轮腿存在切换等场景存在对应的第四加速度[0446]通过样条曲线插值的方法规划出摆动轮在操作空间下的参考位置速度动学计算摆动轮实际的位置速度通过构建摆动轮任务对应的PD反馈[0449]可选地，通过启发式或基于模型的方法规划出质心沿前进方向的参考位置[0457]在另一些实施例中，在IMU传感器检测到如轮腿式机器人中的某些连杆的偏转角转动关节和第一转动关节对应的真实第一关节根据n个转动关节的转动力矩确定出轮腿式机器人的任务加速度，获得平衡控制过程中全[0484]公式b可以在轮腿式机器人抽象为二阶倒立摆模型建模之后预先设计得到，在平面需要状态量中的至少3个状态参数和至少2个滑模参数；其中，等效状态量写为中的第2个元素β,ξ3表示等效状态量5=lo,p.wa,i"中的第3个元素ξ4表示等效状态量中的第4个元素i:ξ5表示等效状态量中的第5个元素B.kmn[0510]将第一滑模面s1关于时间的一阶导数公式和第二滑模面s2关[0520]有关该内容的具体介绍请参考上文n阶倒立摆模型中的相关内容，在此不进行赘[0522]下面通过一个实施例对计算的第一转动关节的转动力矩和第二转动关节的转动m1表示-A12(mpa+maa+mag),m2表示m3表示状态方程可以写为：[0557]鲁棒控制器在进行平衡控制的过程中，根据公式d计算第一关节的转动力矩τ1和的转动力矩τ1和第二关节的转动力矩τ2可以使用；在四个滑模参数不满足数计算得到的第一关节对应的转动力矩和第二关节对应的转动力矩无法控制轮腿式机器