一种可协同调控多足机器人的单腿操作和机体平移的遥操作系统及控制方法与流程

本发明属于足式机器人遥操作技术领域，具体涉及一种针对障碍环境下提升多足机器人遥操作系统可控性及适应性的新方法。

背景技术

多足机器人因其自身多自由度冗余的构型特点，在应用于非结构环境中时，依靠摆动腿与支撑腿相继切换的行走方式以及多足支撑下的高稳定裕度，使其较其他类型机器人具有更强的环境适应性以及任务可操作性。然而，在复杂多变的工作场景下，由于多足机器人在行走过程中可能遇到局部地形突变、失稳动作恢复以及目标物体交互等实际情况，此时需要制定具有针对性的遥操作策略，以此来保证多足机器人遥操作系统可具备良好的可控性以及环境适应性。由此，可将障碍环境的工况条件作为背景，设计多足机器人多目标多维度的遥操作系统。

针对上述问题，以保证机体稳定裕度的前提下最大化提升多足机器人的可操作能力为目标，设计可协同调控多足机器人的单腿操作和机体平移的遥操作方案。其中主要解决了机体平移过程中多自由度耦合作用对于系统稳定跟踪的影响以及单腿操作时未知的模型参数、多变的接触状态和不可测量的操作力对系统跟踪精度及力透明度的影响。所设计多足机器人遥操作系统采用多主单从的遥操作模式，并将整个遥操作系统分解成两个子系统：机体层和单腿层，分别提出了两套控制架构及算法：机体层采取基于位置跟踪的控制架构，单腿层则采用了融合非线性力估计算法以及自适应鲁棒控制策略的4通道控制架构。另外，基于多自由度耦合系统的绝对稳定性准则对机体层遥操作子系统的控制律参数进行合理化设计，并运用李雅普诺夫函数确定单腿层控制器参数的自适应律。

技术实现要素：

本发明是为了解决当多足机器人处于障碍环境（局部环境存在塌陷、障碍以及目标物体）时，常规多足机器人遥操作系统所存在的可控性及环境适应性不足的问题，为充分发挥多足机器人的运动潜力，克服复杂多变的环境约束对于多足机器人工作能力的影响，现提出一种可协同调控多足机器人的单腿操作和机体平移的遥操作系统及控制方法。

针对可协同调控多足机器人的单腿操作和机体平移的遥操作系统及控制方法，主要分为四部分：障碍环境下多足机器人遥操作方案的制定；障碍环境下多足机器人遥操作系统的建立；多足机器人机体层遥操作子系统建模，控制架构以及控制算法的设计；多足机器人单腿层遥操作子系统建模，控制架构以及控制算法的设计。

所述的一种可协同调控多足机器人的单腿操作和机体平移的遥操作系统及控制方法，具体包括以下步骤：

步骤1：根据多足机器人自身多自由度冗余的结构特点以及障碍环境下非结构接触条件的制约，为提升多足机器人遥操作系统的可控性以及适应性，设计基于机体平移与单腿操作协同调控的遥操作方案；

步骤2：根据步骤1所制定的遥操作方案，将多足机器人与环境交互过程中的从端系统看作是一个具有移动基座的可操作机械臂，以此构建障碍环境下多足机器遥操作系统的组成部分，具体包括：机体层遥操作子系统和单腿层遥操作子系统；

步骤3：根据步骤2所构建的遥操作系统，确定机体层遥操作子系统的控制架构，建立机体层遥操作子系统主从端的模型，在此基础上设计机体层遥操作子系统的控制算法，并通过多自由度耦合系统的绝对稳定性准则对控制律参数进行求解；

步骤4：根据步骤2所构建的遥操作系统，确定单腿层遥操作子系统的控制架构，建立单腿层遥操作子系统主从端的模型，在此基础上设计单腿层遥操作子系统的控制算法，并利用李雅普诺夫函数对控制律进行设计。

本发明有以下有益效果：

所述的一种可协同调控多足机器人的单腿操作和机体平移的遥操作系统及控制方法，一方面，通过设计单腿操作与机体平移协同调控的遥操作方案，将从端机器人的机体平移量与机体层主端机器人的位置指令进行跟踪匹配，同时将从端机器人可操作腿末端的位移量与单腿层主端机器人的位置指令进行跟踪映射，实现了在维持机体稳定裕度的同时最大程度的提升多足机器人的工作空间以及工作能力；另一方面基于位置跟踪模式设计多足机器人机体层遥操作子系统的双边控制架构，保证了存在多自由度耦合效应的机体稳定跟踪，同时基于力-位混合控制模式设计多足机器人单腿层遥操作子系统的双边控制模式，保证了系统具有较高的位置跟踪精度，且兼具较好的力透明度。

附图说明

图1为多足机器人遥操作系统组成示意图；

图2为多足机器人遥操作控制流程示意图；

图3为机体层主端机器人的结构示意图；

图4为从端机器人的本体结构示意图；

图5为单腿层主端机器人的结构示意图；

图6为从端机器人的单腿操作示意图；

图7为机体层遥操作子系统的控制架构示意图；

图8为单腿层遥操作子系统的控制架构示意图。

图9为协同调控多足机器人单腿操作和机体平移的遥操作架构示意图。

具体实施方式

具体实施方式1：本实施方式所述的一种可协同调控多足机器人的单腿操作和机体平移的遥操作系统，首先需要确定系统的遥操作方案，障碍环境下多足机器人的遥操作方案包括：设计遥操作系统的整体控制流程、映射方式以及力反馈模式，所述的遥操作系统的整体控制流程基于不同的工作场景和任务需求进行设计；所述系统的遥操作模式采用多主单从的控制方式，其中一个主端机器人负责控制从端机器人的机体平移量，另一个主端机器人负责控制从端机器人可操作腿末端的位移量，在此模式下遥操作系统可实现多足机器人的单腿操作和机体平移的协同调控。

具体实施方式2：本实施方式所述的一种可协同调控多足机器人的单腿操作和机体平移的遥操作系统，将多足机器人的遥操作系统分成两部分：机体层遥操作子系统和单腿层遥操作子系统；参照附图1所示多足机器人遥操作系统的组成，具体包括操作端1和环境端2，机体层主端机器人3，机体层主端控制器4，机体层从端控制器5，从端机器人的机体6，单腿层主端机器人7，单腿层主端控制器8，单腿层从端控制器9，从端机器人的可操作腿10和通信端口11。

具体实施方式3：本实施方式是针对具体实施方式1所述的一种可协同调控多足机器人的单腿操作和机体平移的遥操作系统的整体控制流程作进一步说明，本实施方案中，参照附图2所示多足机器人遥操作系统的整体控制流程，可按三种工作场景对所提出的控制流程进行描述：场景14：当从端机器人12的工作空间内出现局部可逾越障碍时，此时操作者可通过单腿层主端机器人对从端机器人的可操作腿进行人工干预，控制其按照操作者的意图与目标障碍13进行交互；场景15：当从端机器人的可操作腿在目标障碍13的表面踏实后，由于该腿已经远离了自主规划的目标落足点，此时从端机器人12需要在原定的运动方向上维持机体的稳定裕度，因此操作者可通过控制机体层主端机器人对从端机器人的机体平移量进行调控。场景16：此时从端机器人的机体以及可操作腿都已满足对目标障碍13的跨越条件，操作者可以再次调控单腿层主端机器人，从而完成单腿跨越局部障碍物，并寻找新的落足位置。

具体实施方式4：本实施方式是针对具体实施方式1所述的一种可协同调控多足机器人的单腿操作和机体平移的遥操作系统映射方式作进一步说明，本实施方案中，参照附图3所示机体层主端机器人的结构，其中机体层主端机器人的手柄17在其工作空间内具有3个自由度，分别为在手柄的工作空间内沿x轴方向的位置指令18，在手柄工作空间内沿y轴方向的位置指令19，在手柄的工作空间内沿z轴方向的位置指令20；

参照附图4所示从端机器人本体结构模型，其中从端机器人为电驱动六足机器人，六足机器人由机体及六条构型相同的腿所组成，当从端机器人处于机体平移的工作状态时，包括支撑腿的15个支撑关节21和可操作腿的3个操作关节22在内的全部18个关节负责联合推动从端机器人的机体完成平移运动，此时从端机器人机体的被控自由度包括：沿机体坐标系x轴方向的平移量23，沿机体坐标系y轴方向的平移量24，沿机体坐标系z轴方向的平移量25；

所设计机体层遥操作子系统的遥操作模式为：机体层主端机器人在手柄工作空间内沿x轴方向的位置指令18映射从端机器人的机体沿机体坐标系x轴方向的平移量23；机体层主端机器人在手柄工作空间内沿其y轴方向的位置指令19映射从端机器人的机体沿机体坐标系y轴的平移量24；机体层主端机器人手柄在手柄工作空间内沿z轴方向的位置指令20映射从端机器人的机体沿机体坐标系z轴的平移量25。

具体实施方式5：本实施方式是针对具体实施方式1所述的一种可协同调控多足机器人的单腿操作和机体平移的遥操作系统映射方式作进一步说明，本实施方案中，参照附图5所示单腿层主端机器人的结构，其中单腿层主端机器人具有3个自由度，末端26在其工作空间内可沿x轴方向移动输出位置指令27，沿y轴方向移动输出位置指令28，沿z轴方向移动输出位置指令29；

参照附图6所示从端机器人的单腿操作示意图，当从端机器人处于单腿操作的工作状态时，可操作腿末端30的被控自由度包括：沿末端坐标系x轴方向的位移量31，沿末端坐标系y轴方向的位移量32，沿末端坐标系z轴方向的位移量33；

所设计单腿层遥操作子系统的遥操作模式为：单腿层主端机器人末端26在其工作空间内沿x轴方向移动输出的位置指令27映射从端机器人可操作腿末端30沿末端坐标系x轴方向的位移量31；单腿层主端机器人末端26在其工作空间内沿y轴方向移动输出的位置指令28映射从端机器人可操作腿末端30沿末端坐标系y轴方向的位移量32；单腿层主端机器人末端26在其工作空间内沿z轴方向移动输出的位置指令29映射从端机器人可操作腿末端30沿末端坐标系z轴方向的位移量33。

具体实施方式6：本实施方式是针对具体实施方式1所述的一种可协同调控多足机器人的单腿操作和机体平移的遥操作系统力反馈模式作进一步说明，本实施方案中，假设可操作腿末端与目标物体之间的接触没有发生相对滑移，所设计的力反馈模式表现为：对从端机器人的机体平移量进行调控时，在机体层主端控制器内部模拟机体平移过程中的位置跟踪误差，并反馈给操作者相应的触觉引导力。在对从端机器人可操作腿末端的位移量进行调控时，由于可操作腿处于自由空间与约束空间相互切换的运动状态，因此需要将该腿在自由运动过程中的位置跟踪误差以及接触过程中作用在末端的环境力实时发送给单腿层主端控制器，通过这种方式让操作者能够更真实的感知到从端机器人可操作腿的工作状态。

具体实施方式7：本实施方式所述的一种可协同调控多足机器人的单腿操作和机体平移的遥操作控制方法，具体包括设计机体层遥操作子系统的控制架构及控制方法，操作者通过机体层主端机器人量化从端机器人机体的位置控制指令，机体层从端控制器将机体运动信息发送至机体层主端控制器形成触觉引导力并反馈给操作者；设计单腿层遥操作子系统的控制架构及控制方法，操作者通过单腿层主端机器人量化从端机器人可操作腿末端的位置控制指令，单腿层从端控制器将可操作腿的位置信息和力信息发送至单腿层主端控制器形成触觉引导力并反馈给操作者；设计多足机器人遥操作系统的底层控制器，实现从端机器人的电驱动关节所需输出的角速度自主跟踪机体的位置控制指令和可操作腿末端的位置控制指令。

具体实施方式8：本实施方式是针对具体实施方式7所述的一种可协同调控多足机器人的单腿操作和机体平移的遥操作控制方法中的底层控制器作进一步说明，本实施方案中，在底层控制器内设计关节控制算法；

所述底层控制器内嵌从端机器人单腿的运动学模型，根据机体层从端控制器所求解出的全部支撑腿关节的目标转角，再根据单腿层从端控制器所求解出的可操作腿末端的目标位置，通过逆雅克比矩阵运算获得可操作腿3个关节所需输出的目标转角，将求解出全部腿的关节转角进行整合，再通过所设计关节层的闭环pid反馈控制算法，实际驱动腿部关节内置的电机完成从端机器人所指定的工作任务。

具体实施方式9：本实施方式是针对具体实施方式7所述的一种可协同调控多足机器人的单腿操作和机体平移的遥操作控制方法中机体层遥操作子系统的控制架构作进一步说明，本实施方案中，参照图7所示，操作者控制机体层主端机器人在三个方向上输出位置指令，该指令经过机体层主端机器人的阻抗控制模型35进行转换，再结合机体层主端控制律36，将机体层主端机器人所发送的位置指令转换成机体期望的平移指令并发送给从端机器人的机体，期望平移量经过从端机器人机体-单腿耦合作用的运动学模型37转换成从端机器人机体的实际位置，在机体层从端控制律参数38的作用下，经过机体层环境端的阻抗模型39，将其转换成导致从端机器人机体出现位置跟踪差值的外部作用力，将此外部作用力在机体层主端控制器内进行模拟并转换成触觉力信息，经由操作者自身手臂在机体层的阻抗模型，将更新后的机体期望指令在机体层主端机器人3内进行迭代。

具体实施方式10：本实施方式是针对具体实施方式7所述的一种可协同调控多足机器人的单腿操作和机体平移的遥操作控制方法中机体层遥操作子系统的控制方法作进一步说明，该控制方法具体包括以下步骤：

步骤1：对机体层主端机器人进行动力学建模，从而建立机体层主端机器人的阻抗控制模型；

步骤2：通过分析从端机器人在障碍环境下协同调控单腿操作和机体平移的过程中所存在的耦合效应，建立考虑耦合作用下的从端机器人机体运动学模型；

步骤3：对机体层遥操作子系统的控制算法进行设计：

步骤3.1：基于电路学中双端口网络技术建立机体层遥操作子系统的阻抗控制模型，将机体层主端机器人的位置指令通过所设计的控制律参数与从端机器人机体的期望平移量进行映射，再通过步骤2中规划的从端机器人机体运动学模型，确定存在单腿耦合作用下从端机器人的机体沿机体坐标轴三个方向（横向、纵向、垂向）上的运动特性，将机体期望平移量转换成所有支撑腿和可操作腿在内全部关节的期望转角，通过各关节内的电机支撑机体平移，后经机体层环境端阻抗模型39即可得到机体的实际位置；

步骤3.2：在机体层从端控制器中将机体的实际平移量与期望平移量作差，再将导致位置跟踪过程出现差值的外部作用力在机体层主端控制器内进行模拟并形成触觉力信息，控制机体层主端机器人内的力反馈电机输出此触觉力，操作者经由机体层主端机器人感知到此力信息，再经由自身的阻抗特性，转换成新的位置指令重新输出给机体层主端机器人；

步骤4：分析多自由度机体层遥操作子系统的终端（操作端和环境端）以及主从控制律之间存在的耦合影响，通过多自由度耦合系统的绝对稳定性准则，对机体层遥操作子系统的控制律参数进行求解，确保所设计机体层遥操作子系统的稳定性。

具体实施方式11：本实施方式是针对具体实施方式7所述的一种可协同调控多足机器人的单腿操作和机体平移的遥操作控制方法中单腿层遥操作子系统的控制架构作进一步说明，本实施方案中，参照图8所示，操作者通过控制单腿层主端机器人的末端在三个方向上输出位置指令，基于单腿层主端控制器内所设计的非线性力观测器44对操作者施加在单腿层主端机器人上的操作力进行估计，在单腿层主端系统的操作力增益41的作用下，结合单腿层主端系统局部控制律41，将位置指令经过单腿层主端机器人的阻抗控制模型45进行转换，从而得到可操作腿末端的期望位移量并发送给单腿层从端控制器，再由单腿层从端控制器内所设计的自适应鲁棒控制器48，消除从端机器人可操作腿耦合动力学模型中的参数未知性和外界未知扰动的影响，在此基础上，将经由单腿层主端控制器内非线力估计器所估计得到的操作力在单腿层从端系统的操作力增益46的作用下，结合单腿层从端系统局部控制律47，形成单腿层从端控制器内的力-位置混合控制，将期望位移量通过从端机器人可操作腿的耦合动力学模型49以及单腿层环境端的阻抗模型50将其转换成从端机器人可操作腿末端的实际位置；由于从端机器人可操作腿在自由运动与接触约束两种状态下的相互切换可导致末端的位置跟踪和力跟踪出现波动，将力跟踪信息在单腿层遥操作子系统控制律43的作用下，发送至单腿层主端控制器，直接用于力闭环控制，再结合单腿层遥操作子系统的控制律42，对单腿层遥操作子系统主从两端的位置跟踪信息和力跟踪信息进行融合，在单腿层主端控制器内将所有用于闭环力控制的信息进行集中处理，对处理后的力反馈信息进行模拟并输出相应的触觉力信息，经由操作者自身手臂在单腿层的阻抗模型50，将更新后的可操作腿末端的期望指令在单腿层主端机器人7内进行迭代。

具体实施方式12：本实施方式是针对具体实施方式7所述的一种可协同调控多足机器人的单腿操作和机体平移的遥操作控制方法中单腿层遥操作子系统的控制方法作进一步说明，该控制方法具体包括以下步骤：

步骤1：对单腿层主端机器人进行动力学建模，从而建立单腿层主端机器人的阻抗控制模型；

步骤2：通过分析从端机器人在障碍环境下协同调控单腿操作和机体平移的过程中所存在的耦合效应，建立考虑耦合作用下从端机器人可操作腿的动力学模型；

步骤3：对单腿层遥操作子系统的控制算法进行设计：

步骤3.1：基于电路学中双端口网络技术建立单腿层遥操作子系统的阻抗控制模型，将单腿层主端机器人的位置指令通过所设计的控制律参数与从端机器人可操作腿末端的期望位置相映射，确定当存在机体平移和接触环境的耦合作用时从端机器人的可操作腿末端沿其工作空间三个方向（横向、纵向、垂向）上的运动特性，再通过步骤2中规划的从端机器人可操作腿的耦合动力学模型以及单腿层主端控制器内的操作力估计算法和单腿层从端控制器内的自适应鲁棒控制算法，将可操作腿末端的期望位移量转换成可操作腿3个关节的期望转角，通过关节内置的电机驱动可操作腿完成摆动和接触，后经由单腿层的环境端阻抗模型即可得到可操作腿末端的实际位置；

步骤3.2：在单腿层从端控制器中将可操作腿末端的位置跟踪差值和环境端作用在末端上的接触力进行融合，再将融合后的位置跟踪信息和力跟踪信息在单腿层主端控制器内进行模拟并形成触觉力信息，控制单腿层主端机器人内的力反馈电机输出此触觉力，操作者经由单腿层主端机器人感知到此力信息，再经由自身的阻抗特性，转换成新的位置指令重新输出给单腿层主端机器人；

步骤4：基于力-位置混合控制的4通道遥操作架构的属性设计单腿层遥操作子系统的控制律参数，并通过李雅普诺夫函数对单腿层遥操作子系统内的待估计参数的自适应律进行构造，确保所设计单腿层遥操作子系统的稳定性和透明性。