一种面向易滑地面的混合动力弹跳机器人及其控制方法

本发明涉及机器人，更具体地，涉及一种面向易滑地面的混合动力弹跳机器人及其控制方法。

背景技术：

1、在生活场景以及自然场景中有很多易滑倒的环境，例如湿漉的地面以及崎岖的山坡。有例如在太空、月球等低重力环境下。这些环境往往无法提供足够的摩擦力和支撑力。机器人触底时与地面的夹角没有被包裹在地面摩擦锥的内部时，机器人将会发生打滑。在发生严重打滑时机器人几乎没有能力再恢复平衡。在轻微打滑的情况下，机器人发生打滑之后跳起时的姿态不稳定，多次弹跳之后机器人会发生摔倒，最终导致机器人本体受到损坏，是灾难性的后果，因此如何防止打滑及时调整自身姿态以便更好的下次跳跃是至关重要的。

2、目前跳跃型机器人在易滑倒的环境下常常采取以下几种策略。1)改善脚底与地面的接触材料，使其之间的摩擦系数增大，例如在机器人的脚底装半球形橡胶脚趾。但这种方法对于极其平滑的地面还是无能为力。2)对质心加速度进行调节的方式，以用来在支撑相时防止滑倒。具体一般使用髋关节力矩来控制末端的地反力方向，以保证摩擦角处于地面摩擦锥范围之内。但是支撑相的时间极短，短时间的控制无法达到较好的控制效果。3)通过优化接触力的分布，来规划机器人不打滑的步态。但此类方法只适用于对地面进行建模的情况，无法对未知环境进行规划。从上述方法可以看出纯靠支撑相时使用关节力来避免机器人打滑存在很大的局限性。

技术实现思路

1、本发明为克服上述现有技术所述弹跳机器人在易滑地面上进行难以进行弹跳的缺陷，提供一种面向易滑地面的混合动力弹跳机器人及其控制方法。

2、本发明的首要目的是为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

3、本发明第一方面提供了一种面向易滑地面的混合动力弹跳机器人，包括：躯干、弹簧腿、最优控制器、惯性测量单元、髋关节、多个推进装置及其转动关节；所述躯干与弹簧腿通过髋关节进行连接，所述髋关节位于躯干的中心，所述弹簧腿为伸缩关节，所述惯性测量单元和最优控制器分别与躯干固定连接，所述推进装置与其对应的转动关节连接，所述转动关节与躯干连接，所述惯性测量单元、推进装置及其转动关节、弹簧腿和髋关节与最优控制器电连接；

4、所述推进装置用于提供辅助弹跳动力，所述转动关节用于控制所述推进装置的推进方向，所述惯性测量单元用于测量躯干姿态，所述最优控制器用于根据机器人当前状态计算推进装置所需提供的理论推力及各个关节的转角。

5、进一步地，所述多个推进装置及其转动关节包括第一推进装置、第一转动关节、第二推进装置和第二转动关节，所述第一推进装置和第一转动关节与第二推进装置和第二转动关节分别位于躯干的两侧；所述髋关节包括x轴关节和y轴关节，所述x轴关节与y轴关节正交，所述躯干与弹簧腿通过x轴关节和y轴关节进行连接；所述混合动力弹跳机器人还包括脚掌，所述脚掌与弹簧腿固定连接。

6、本发明第二方面提供了一种面向易滑地面的混合动力弹跳机器人的控制方法，包括：

7、利用惯性测量单元获取躯干姿态信息，根据躯干姿态信息和关节信息估算机器人的当前状态，所述当前状态包括机器人位置，与地面的接触状态，机器人末端滑动状态以及支撑相时的弹簧腿伸缩状态中的一种或多种；

8、在支撑相时，弹簧腿采用力矩控制实现弹跳，最优控制器控制髋关节施加力矩用于控制地面摩擦角，使腿角回到摩擦锥范围内,通过推进装置产生推力辅助调节躯干姿态及前向加速度，抑制机器人打滑；

9、在腾空相时，通过控制髋关节对机器人前向速度进行控制，然后最优控制器根据机器人跳起时的躯干姿态以及前向速度计算推进装置所需要的风力及其转动关节的转角，之后利用推进装置及其转动关节将机器人调整至预先设定好的状态，最后在即将着地时，推进装置产生风力用作机器人的落地缓冲。

10、进一步地，利用惯性测量单元获取躯干姿态信息，根据躯干姿态信息和关节信息估算机器人的当前状态，包括：

11、根据惯性测量单元测量躯干的速度信息vx,vy,vz，然后进行积分运算估算机器人在空中的位置x,y,z；根据弹簧腿的突变电流ic来确定机器人是否触地，当弹簧腿的电流突变时就代表机器人已经落地；惯性测量单元测量躯干的姿态信息，机器人躯干的动力学方程能够用来预测躯干的轨迹，通过与姿态信息的对比，判断机器人是否处于滑动状态；根据弹簧腿的伸缩长度δl来判断机器人处于压缩相或伸长相。

12、进一步地，所述弹簧腿采用力矩控制实现弹跳，包括：

13、弹簧腿采用力矩控制，力矩值与压缩量成正比，并且在支撑相中的伸长相时附加额外力矩，以保证弹跳高度达到期望值。

14、进一步地，所述最优控制器控制髋关节施加力矩用于控制地面摩擦角，使腿角回到摩擦锥范围内，包括：

15、控制机器人末端的地反力方向保持在地面摩擦锥范围之内，根据机器人腿角与地面摩擦角之间的关系，将机器人的运动状态分为进入时超出摩擦锥，未超出摩擦锥，离开时超出摩擦锥，再分别三种情况下根据实时腿角以及腿长数据计算每种状态下的施加在躯干的力矩边界，边界值计算如下：

16、1)当腿角超出摩擦锥范围时，τ存在边界值使地反力角度拉回摩擦锥范围，τ为髋关节施加的力矩，当腿角处于摩擦锥范围时，τ的边界为0，τ的边界与当前腿角与最大摩擦锥夹角有关，公式如下：

17、

18、其中，fτmin为最小的附加力，τmin为最小的附加力矩，lcur为当前的腿长，ff为弹簧腿弹力，θ表示腿角和最大摩擦锥角的差值，φ为当前的腿擦角，为最大摩擦锥角；

19、2)在摩擦锥内部时，τ存在边界值，避免摩擦角超过摩擦锥范围；公式如下：

20、

21、通过上述公式求出防止打滑所需控制髋关节施加的力矩。

22、进一步地，所述调整髋关节扭矩对支撑相的躯干姿态进行控制，包括：

23、获取机器人姿态的误差，使用髋关节对姿态进行pd力矩控制，从而实现支撑相的躯干姿态控制。

24、进一步地，所述通过控制髋关节对机器人前向速度进行控制，包括：

25、要实现前向速度的控制，采取的是控制前向方向的摆腿角度，即控制髋关节的角度；弹跳时落脚点在中性点时，机器人的前向速度不会改变，将该机器人的前向速度与期望速度的误差输入到最优控制器得到控制髋关节摆动的角度，从而实现对前向速度的控制；在三维空间弹跳时，同理侧向速度受到侧向髋关节摆腿的影响。

26、进一步地，所述最优控制器根据机器人跳起时的躯干姿态以及前向速度计算推进装置所需要的风力及其转动关节的转角，包括：

27、当推进装置的数量为2时，将两个推进装置的风力f1,f2沿垂直和水平方向进行分解，得到分解的三个控制量f_f1，f_b1，f_x，根据惯性测量单元测量反馈的数据，实时计算每一时刻的躯干姿态θpitch以及前向速度vx误差，将误差输入到最优控制器中，机器人的状态方程如下：

28、

29、其中，x,分别为躯干的位置，速度和加速度；φ,为躯干的pitch角度，角速度和角加速度；g为重力加速度；m为机器人重量；l为躯干前后推进装置离躯干质心的距离；j为躯干y轴方向的转动惯量；

30、求解出的三个控制量再通过公式反解出推进装置所需要的风力f1,f2以及转动关节的转角θfan。

31、进一步地，所述在即将着地时，推进装置产生风力用作机器人的落地缓冲，包括：

32、当机器人在空中已处于预先设定好的状态时，根据惯性测量单元测量的机器人下落速度vz估算着地时的地面冲击力fi，然后计算推进装置所需要的风力fz，利用垂直方向的风力fz实现落地缓冲。

33、与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

34、本发明所述一种面向易滑地面的混合动力弹跳机器人，躯干、弹簧腿、最优控制器、惯性测量单元、髋关节、多个推进装置及其转动关节，引入能够转动的推进装置作为辅助弹跳动力，增强了弹跳机器人的动态弹跳能力，在一定程度上能够防止在低摩擦系数的地面上打滑，使弹跳机器人能够在易滑的地面以更高的前向速度进行连续弹跳，在腾空相时能够克服轻微滑倒带来的影响，并且抗干扰能力增强，推进装置的缓冲力也使机器人弹跳更加平缓；所述躯干与弹簧腿通过髋关节进行连接，所述髋关节位于躯干的中心，所述弹簧腿为伸缩关节，所述惯性测量单元和最优控制器分别与躯干固定连接，所述推进装置与其对应的转动关节连接，所述转动关节与躯干连接，所述惯性测量单元、推进装置及其转动关节、弹簧腿和髋关节与最优控制器电连接。