一种面向足地冲击抑制的分层耦合阻抗控制方法与流程

本发明属于双足机器人控制，具体涉及一种面向足地冲击抑制的分层耦合阻抗控制方法，适用于双足机器人的足地冲击缓冲与稳定控制，可广泛应用于高承载、强冲击工况下的机器人运动控制场景。

背景技术：

1、双足机器人在行走、奔跑等动态运动过程中，足端与地面接触时会产生瞬时冲击载荷，该冲击载荷若不能有效抑制，会通过腿部关节传递至机器人躯干，导致机器人运动姿态不稳定、关节驱动单元磨损加剧，严重时会影响机器人的运动安全性和使用寿命。

2、现有技术中，双足机器人的阻抗控制方法多采用单一阻抗控制策略，仅在腿部某一关节或足端设置阻抗模块，无法实现全关节、分层级的冲击缓冲，冲击抑制效果有限。同时，现有控制方法未考虑足端落地姿态对冲击缓冲的影响，足端多采用水平落地方式，落地瞬间冲击集中，进一步降低了冲击抑制的有效性。

3、此外，部分控制方法虽采用多关节阻抗控制，但未实现阻抗模块的耦合联动，各关节的阻抗控制相互独立，无法根据足端受力实时协同调整各关节的运动状态，导致机器人在高承载、强冲击工况下，难以兼顾冲击缓冲效果与运动稳定性。同时，现有方法缺乏针对性的动力学补偿机制，关节驱动单元的受力误差较大，进一步影响了控制精度和冲击抑制效果。

4、针对现有技术存在的足地冲击抑制效果差、控制精度低、运动稳定性不足等问题，亟需一种能够实现分层耦合控制、兼顾足端姿态调整与动力学补偿的阻抗控制方法，以提升双足机器人的足地冲击抑制能力和运动稳定性。

技术实现思路

1、（一）本发明要解决的技术问题

2、本发明要解决的技术问题是：如何克服现有技术中双足机器人足地冲击抑制效果差、控制精度低、运动稳定性不足的缺陷，如何提供一种面向足地冲击抑制的分层耦合阻抗控制方法，通过分层设置阻抗模块、实现各关节阻抗耦合联动，并结合足端姿态控制与动力学补偿，有效缓解足地冲击，提升机器人运动稳定性和控制精度。

3、（二）技术方案

4、为解决上述技术问题，本发明提供一种面向足地冲击抑制的分层耦合阻抗控制方法，所述分层耦合阻抗控制方法应用于具有三个关节的双足机器人，所述三个关节为髋关节、膝关节和踝关节；所述髋关节处设有第一驱动器，所述膝关节处设有第二驱动器，所述踝关节设置两个并列的第三驱动单元器和第四驱动器；

5、所述第一驱动器和第二驱动器分别设有第一、第二位置传感器和第一、第二力传感器，用于检测驱动器实时位置和实时力；所述第三驱动器和第四驱动器分别设有第三、第四转角传感器和第三、第四力矩传感器，用于检测驱动器实时转角和实时力矩；足端设有六维力传感器，用于检测足端与地面接触时的外干扰力；

6、所述控制方法采用分层耦合阻抗控制策略，分为三层阻抗控制模块，并增设动力学补偿模块，具体包括以下步骤：

7、步骤s1：足端轨迹规划与第一层阻抗控制实现；

8、对双足机器人的足端运动轨迹进行预设规划，得到实时的踝关节处给定位置值，确保足端运动符合机器人整体运动需求；六维力传感器检测足端外干扰力，通过二阶阻抗控制模块将外干扰力转换为外干扰位置量，与踝关节给定位置值作差得到踝关节目标位置值，实现第一层阻抗控制，实现足端的初步冲击缓冲；

9、步骤s2：第二层阻抗控制实现与关节驱动信号转换；

10、将步骤s1中得到的足端踝关节处的目标位置值，通过机器人运动学反解算法，将踝关节目标位置值反解至髋关节的第一驱动器和膝关节的第二驱动器，得到各自的给定位置值；将给定位置值分别与第一位置传感器和第二位置传感器检测到的实时位置值作差，通过pd控制器1和pd控制器2转换为第一驱动器和第二驱动器的给定力值，完成第二层阻抗控制；

11、步骤s3：髋关节和膝关节动力学补偿；

12、将六维力传感器检测到的外干扰力通过力学反解等效至第一驱动器和第二驱动器，与第一力传感器和第二力传感器检测到的实时受力作差得到受力差值，受力差值与给定力值叠加得到目标力值，完成动力学补偿；

13、步骤s4：髋关节与膝关节驱动控制；

14、将第一驱动器和第二驱动器目标力值通过pid控制器1和pid控制器2转换为给定驱动信号值，驱动髋、膝关节运动；

15、步骤s5：第三层阻抗控制实现与动力学补偿；

16、通过运动学反解将踝关节目标位置值分别反解至第三驱动器和第四驱动器，得到给定转角值；将给定转角值与第三转角传感器和第四转角传感器实时检测的转角值作差得到转角差值，通过pd控制器3和pd控制器4转换为给定力矩值；将足端受力等效至第三驱动器和第四驱动器得到等效干扰力矩，与第三力矩传感器和第四力矩传感器检测到的实时力矩作差后叠加给定力矩值得到目标力矩值，通过pid控制器3和pid控制器4转换为驱动信号，驱动踝关节运动，确保脚面与地面始终呈预设夹角，完成第三层阻抗控制和动力学补偿；

17、步骤s6、踝关节驱动控制；

18、将第三驱动器和第四驱动器的目标力矩值分别输入至pid控制器3和pid控制器4，将目标力矩值转换为第三驱动器和第四驱动器的给定驱动信号值；将给定驱动信号值输入至第三驱动器和第四驱动器，驱动踝关节运动，确保脚面与地面保持预设夹角，实现二次冲击缓冲；

19、步骤s7：各传感器实时反馈检测数据，控制核心动态调整各控制参数，形成闭环控制；

20、其中，所述第一驱动器和第二驱动器为直线驱动器或旋转驱动器，当第一驱动器和第二驱动器为旋转驱动器时，第一驱动器和第二驱动器设置力矩传感器和转角传感器，用于实时测量第一驱动器和第二驱动器所受的力矩和转角值；

21、所述第三驱动器和第四驱动器为旋转驱动器或双直线驱动器，第三驱动器和第四驱动器采用直线驱动器时，第三驱动器和第四驱动器设置力传感器和位置传感器，用于实时测量第三驱动器和第四驱动器所受的力和位置值；

22、所述髋关节具有至少一个自由度，膝关节具有至少一个自由度，踝关节具有至少两个自由度；

23、所述足端脚面与地面进行预设夹角，该夹角根据机器人运动速度、地面路况实时调整，确保脚尖先着地实现缓冲，避免足端整体撞击地面产生的瞬时大冲击。

24、其中，所述步骤s1中，当机器人运动过程中足端受到地面外干扰力时，六维力传感器实时检测该外干扰力，并将检测到的外干扰力输入至二阶阻抗控制模块，通过二阶阻抗控制模块将外干扰力转换为外干扰位置量；将该外干扰位置量与足端踝关节处的预设给定位置值作差，得到足端踝关节处的目标位置值，完成第一层阻抗控制，实现腿部的收缩缓冲动作，初步抑制足地冲击。

25、其中，所述步骤s2中，分别采集第一位置传感器和第二位置传感器检测到的实时位置值，将第一驱动器的给定位置值与其实时位置值作差，得到第一位置差值；将第二驱动器的给定位置值与其实时位置值作差，得到第二位置差值；将第一位置差值和第二位置差值分别输入至pd控制器1和pd控制器2，将位置差值转换为第一驱动器的给定力值和第二驱动器的给定力值，完成第二层阻抗控制。

26、其中，所述步骤s3中，增设动力学补偿模块，对第一驱动器和第二驱动器的受力进行补偿校准；将六维力传感器检测到的足端外干扰力，通过力学反解等效至髋关节的第一驱动器和膝关节的第二驱动器上，得到第一等效干扰力和第二等效干扰力；

27、分别采集第一力传感器和第二力传感器检测到的实时受力值，将第一等效干扰力与第一驱动器的实时受力值作差，得到第一受力差值；将第二等效干扰力与第二驱动器的实时受力值作差，得到第二受力差值；将第一受力差值与第一驱动器的给定力值进行叠加，得到第一驱动器的目标力值；将第二受力差值与第二驱动器的给定力值进行叠加，得到第二驱动器的目标力值，完成动力学补偿。

28、其中，所述步骤s4中，将步骤s3中得到的第一驱动器目标力值和第二驱动器目标力值，分别输入至pid控制器1和pid控制器2，将目标力值转换为第一驱动器和第二驱动器的给定驱动信号值；将给定驱动信号值分别输入至第一驱动器和第二驱动器，驱动髋关节和膝关节的关节运动，实现冲击缓冲与姿态稳定控制；

29、所述步骤s5中，为进一步提升足地冲击抑制效果，在第三层阻抗控制中实现足端姿态控制，确保脚面在运动过程中始终与地面保持预设夹角，使足端落地时脚尖先着地，形成二次缓冲；

30、将步骤s1中得到的足端踝关节处的目标位置值，通过运动学反解算法反解至第三驱动器和第四驱动器，得到第三驱动器和第四驱动器的给定转角值；分别采集第三转角传感器和第四转角传感器检测到的实时转角值，将第三驱动器和第四驱动器的给定转角值分别与其实时转角值作差，得到对应的转角差值，即为踝关节电机目标转角值。将两个踝关节电机目标转角值分别输入至pd控制器3和pd控制器4，将转角差值转换为第三驱动器和第四驱动器的给定力矩值，完成第三层阻抗控制；

31、将六维力传感器检测到的足端外干扰力，通过力学反解等效至第三驱动器和第四驱动器，得到第三驱动器和第四驱动器的等效干扰力矩；分别采集第三力矩传感器和第四力矩传感器检测到的实时力矩值，将第三驱动器和第四驱动器的等效干扰力矩与其实时力矩值作差，得到对应的力矩差值；将第三驱动器和第四驱动器的力矩差值与其给定力矩值进行叠加，得到第三驱动器和第四驱动器的目标力矩值，完成动力学补偿。

32、其中，所述步骤s7中，在机器人运动过程中，六维力传感器、各关节位置传感器、力传感器、力矩传感器实时采集检测数据，并将检测数据反馈至控制核心；控制核心根据反馈数据，实时调整各层阻抗模块的参数、pd控制器与pid控制器的参数，以及足端脚面与地面的夹角，确保足地冲击抑制效果和机器人运动稳定性，形成闭环控制。

33、其中，所述二阶阻抗控制模块的传递函数为：

34、

35、其中，k为阻抗刚度系数，m为等效质量，b为阻尼系数，根据足地冲击载荷的大小实时调整。

36、其中，所述pd控制器控制律为

37、

38、其中，kp为比例系数，kd为微分系数，e(t)为位置差值或转角差值；

39、所述pid控制器控制律为：

40、

41、其中，ki为积分系数，根据实时反馈数据动态调整各系数值。

42、此外，本发明提供一种双足机器人腿部结构，用于所述的控制方法，包括：

43、机身连接件、髋关节驱动单元、大腿支撑件、膝关节驱动单元、小腿支撑件、踝关节驱动单元、六维力传感器和脚部；

44、各关节驱动单元均设有相应的力/力矩传感器与位置/转角传感器。

45、（三）技术效果

46、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

47、（1）采用分层耦合阻抗控制策略，在六维力传感器处、髋关节与膝关节处、踝关节处分层设置阻抗模块，实现了足端冲击的分层缓冲与各关节的耦合联动，相比现有单一阻抗控制方法，冲击抑制效果显著提升，有效缓解了足地瞬时冲击对机器人的影响。

48、（2）增设足端姿态控制环节，通过第三层阻抗控制确保脚面与地面保持预设夹角，使足端落地时脚尖先着地，形成二次缓冲，进一步分散足地冲击载荷，避免冲击集中，提升了机器人落地时的稳定性。

49、（3）增设动力学补偿模块，通过力学反解将足端受力等效至各关节驱动单元，并与各关节实时受力作差补偿，有效降低了关节驱动单元的受力误差，提升了控制精度，同时避免了驱动单元因受力过载而损坏，延长了设备使用寿命。

50、（4）采用闭环控制模式，通过各传感器实时采集反馈数据，动态调整各控制参数和足端姿态，确保机器人在不同运动工况、不同地面路况下，均能保持良好的冲击抑制效果和运动稳定性，适配高承载、强冲击的应用场景。

51、（5）控制方法逻辑清晰、可操作性强，适配双足机器人的结构特点，各驱动单元的控制相互协同，兼顾了冲击缓冲、姿态稳定与控制精度，具有广泛的应用前景和实用价值。