一种重载四足机器人非硬质湿滑路面防滑控制系统及方法

本发明属于机器人运动控制，具体涉及一种重载四足机器人非硬质湿滑路面防滑控制系统及方法。

背景技术：

1、重载四足机器人在野外运输、应急救援、工程巡检、农林作业及复杂场地搬运等任务中，常需要携带较大载荷通过泥地、草地、覆雪地面、碎石土路、湿润坡面等非硬质路面。此类路面表面形貌和承载特性变化较大，足端接触过程中容易出现局部沉陷、泥水润滑、颗粒松动或剪切破坏，使足端实际抗滑能力明显低于普通硬质路面。尤其在重载起步、制动、转向、上下坡或受到外界扰动时，足端切向力需求明显增大，若足地接触不能提供足够抗滑裕度，容易造成足端打滑、落足点偏移、机身姿态波动和运动轨迹偏差。

2、当前技术存在以下亟待解决的缺陷：

3、非硬质湿滑路面足端抗滑能力不足问题：现有重载四足机器人在湿泥地、草地、覆雪地面、碎石土路及松软坡面等非硬质湿滑路面上运行时，足端与地面之间容易出现局部沉陷、泥水润滑、颗粒松动或剪切破坏，导致足端可用摩擦力和机械咬合能力不足，在重载起步、制动、转向及抗扰动过程中容易发生足端滑移、姿态扰动和轨迹偏移；

4、排刺类足端防滑能力不可按需调节问题：现有足端多采用橡胶垫、防滑纹理、固定齿形结构或外露式齿刺等方式提高抓地能力，其防滑效果主要依赖材料和固定结构形态，难以根据路面类型、滑移风险、支撑相位和滑移方向主动调节；尤其在普通硬质路面上，若排刺误展开或长期外露，容易造成微刺磨损、弯折或损坏，并影响足端落地平顺性；

5、双稳态排刺结构与防滑稳定控制协同不足问题：双稳态折叠排刺足端具有收拢和展开两个稳定状态，其执行过程呈离散切换特性，现有防滑控制方法多针对连续接触力或关节力矩进行控制，缺乏将足端滑移风险、地面可咬合性、排刺展开数量、展开方向以及摆动相前收回时机协同考虑的控制机制，难以在非硬质湿滑路面下同时兼顾足端防滑、结构保护和整机稳定性。

技术实现思路

1、为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供一种重载四足机器人非硬质湿滑路面防滑控制系统及方法，将路面可咬合性、足端滑移风险、支撑相位、排刺双稳态状态和机身稳定需求统一纳入控制过程，使机器人在普通硬质路面或防滑需求较低时保持排刺收拢，避免误展开和微刺损伤；在非硬质湿滑且存在滑移风险的支撑相内，按需控制排刺展开数量、展开方向和收回时机，从而提高重载四足机器人在复杂低附着路面下的防滑能力和运动稳定性。

2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

3、本发明提供一种重载四足机器人非硬质湿滑路面防滑控制系统，包括：

4、设置于各腿部单元末端的双稳态折叠排刺足端，所述双稳态折叠排刺足端，双稳态折叠排刺足端包括在足底沿周向分布的多组辅助压紧回弹组件，每个辅助压紧回弹组件上设置有至少一组排刺；在普通硬质路面或防滑需求低于预设阈值时保持排刺收拢于足底轮廓内，在非硬质湿滑路面且存在滑移风险时按需展开排刺；

5、设置于所述腿部单元的凸轮触发机构，用于驱动双稳态折叠排刺足端的辅助压紧回弹组件，使排刺在需要增附时获得辅助压紧作用，并在需要收回时获得辅助回弹条件；

6、控制器，与各腿部单元控制连接，控制器包括状态感知模块、可咬合支撑判断模块、滑移风险/防滑裕度计算模块、bdas-stsmc控制模块、排刺量化决策模块、排刺方向选择模块、双稳态排刺执行控制模块、足端总成执行模块以及状态反馈模块，用于根据路面可咬合性、足端滑移风险、支撑相位和排刺当前状态，控制排刺的展开数量、展开方向和收回时机。

7、进一步地，所述双稳态折叠排刺足端还包括接地联锁调节组件，所述接地联锁调节组件与所述辅助压紧回弹组件一一对应设置，用于在足底边缘接触地面后形成接地反力和预紧条件；所述接地联锁调节组件包括接地件、预压弹簧和接触位置切换件，所述接地件设置于足底边缘，所述预压弹簧分别与所述接地件和所述接触位置切换件配合设置，用于在所述接地件受到地面作用后产生预压力，所述接触位置切换件在所述预压弹簧作用下改变其与双稳态折叠弹片之间的接触位置。

8、进一步地，所述辅助压紧回弹组件包括独立凸轮触发件、中部触发压块、双稳态折叠弹片、固定支点、排刺承载臂、排刺和辅助压紧回弹件；所述排刺固定设置于所述排刺承载臂上，所述排刺承载臂与所述双稳态折叠弹片连接，所述双稳态折叠弹片能够在收拢形态和展开形态之间发生弹性弯曲和过中心翻转；所述中部触发压块与所述独立凸轮触发件配合设置，用于向所述双稳态折叠弹片提供状态切换所需的中部触发力；所述辅助压紧回弹件在常规状态下收拢于足底轮廓内，并在需要辅助压紧或辅助回弹时在所述凸轮触发机构驱动下旋转至预定位置。

9、进一步地，所述双稳态折叠排刺足端具有以下四种工作状态：

10、常规收拢支撑状态，所述排刺收拢于足底轮廓内，所述双稳态折叠弹片处于收拢稳态，适用于普通硬质路面或防滑需求低于预设阈值的工况；

11、接地联锁待触发状态，所述接地件与地面接触并提供接地反力，所述预压弹簧受压，所述接触位置切换件改变其与所述双稳态折叠弹片之间的接触位置，使所述双稳态折叠弹片获得预定的折叠和弯曲条件，所述排刺保持收拢；

12、排刺展开增附状态，所述独立凸轮触发件驱动所述中部触发压块使所述双稳态折叠弹片越过展开临界位置并切换至展开稳态，所述排刺随所述排刺承载臂移动至展开位置并刺入或咬合地面，所述辅助压紧回弹件旋转至辅助压紧位置；

13、回收复位状态，所述双稳态折叠弹片越过反向临界位置并恢复至收拢稳态，所述排刺收回至足底轮廓内，所述辅助压紧回弹件同步复位。

14、进一步地，所述状态感知模块用于获取机器人当前运行状态、双稳态折叠排刺足端接触状态和路面排刺状态；所述可咬合支撑判断模块用于根据路面可咬合性和足端接触相位判断是否允许排刺增附；所述滑移风险/防滑裕度计算模块用于根据足端切向接触力、法向支撑力、路面摩擦系数和当前排刺辅助锚固力计算滑移风险指标、防滑裕度和防滑裕度不足量；所述bdas-stsmc控制模块用于根据机器人运动误差、足端滑移速度和防滑裕度不足量构造滑移裕度耦合滑模面，并通过自适应超螺旋趋近律计算连续辅助锚固力需求；所述排刺量化决策模块用于将所述连续辅助锚固力需求转换为离散排刺展开数量和排刺展开集合；所述排刺方向选择模块用于根据足端预测滑移方向和各组排刺的有效抗滑方向确定目标排刺方向；所述双稳态排刺执行控制模块用于生成接地联锁触发指令、排刺展开指令、辅助压紧指令和回收复位指令；所述足端总成执行模块用于响应目标排刺指令，执行排刺的收拢、展开、辅助压紧和回收复位；所述状态反馈模块用于获取排刺展开与收回状态、足端滑移状态和异常卡滞状态，并将反馈信息输出至所述状态感知模块。

15、本发明同时提供一种重载四足机器人非硬质湿滑路面防滑控制方法，其通过所述的重载四足机器人非硬质湿滑路面防滑控制系统实现，包括以下步骤：获取机器人当前运行状态、双稳态折叠排刺足端接触状态、路面状态和排刺状态信息；

16、根据路面可咬合性和双稳态折叠排刺足端接触相位判断对应双稳态折叠排刺足端是否满足可咬合支撑条件，若当前路面为不适宜排刺刺入的路面，则禁止排刺展开；

17、对于满足可咬合支撑条件的双稳态折叠排刺足端，根据双稳态折叠排刺足端的切向接触力、法向支撑力和路面摩擦系数计算滑移风险指标和防滑裕度，并根据预设防滑安全裕度计算防滑裕度不足量；

18、采用bdas-stsmc 控制方法，将机器人运动误差、双稳态折叠排刺足端的滑移速度和防滑裕度不足量引入滑移裕度耦合滑模面，通过自适应超螺旋趋近律计算连续辅助锚固力需求；

19、将所述连续辅助锚固力需求转换为双稳态折叠排刺足端可执行的离散排刺展开数量和展开方向；

20、当双稳态折叠排刺足端处于支撑相、路面满足可咬合条件、滑移风险达到滑移风险展开阈值 且滑模面达到滑模面展开阈值时，控制排刺由收拢稳态切换至展开稳态并执行辅助压紧；

21、当双稳态折叠排刺足端即将进入摆动相或滑移风险解除时，降低双稳态折叠排刺足端切向载荷后控制排刺收回至足底轮廓内。

22、进一步地，所述滑移风险指标、防滑裕度和防滑裕度不足量分别表示为：

23、；

24、；

25、；

26、其中，为第个双稳态折叠排刺足端的切向接触力，为第个双稳态折叠排刺足端的法向支撑力，为第个双稳态折叠排刺足端对应的路面摩擦系数，为防止分母为零的正数，为第个双稳态折叠排刺足端已展开排刺所提供的辅助锚固力，为预设防滑安全裕度。

27、进一步地，所述滑移裕度耦合滑模面构造为：

28、；

29、其中，为与第个双稳态折叠排刺足端相关的机器人姿态、速度或轨迹跟踪误差，为误差变化率，为第个双稳态折叠排刺足端的滑移速度，、、为预设权重系数；所述自适应超螺旋趋近律为：

30、；

31、；

32、其中， 为边界层参数，为饱和函数，为超螺旋滑模的内部状态变量，和为自适应滑模增益；所述自适应滑模增益根据足端滑移风险、足端滑移速度和路面可咬合系数确定。

33、进一步地，所述排刺展开数量通过以下量化决策方式确定：

34、；

35、并满足：

36、；

37、其中，为排刺展开数量惩罚系数，为排刺状态变化惩罚系数，表示当前控制周期相对于上一控制周期排刺展开集合的变化量。

38、进一步地，所述排刺展开和收回采用双阈值滞回控制，滑移风险展开阈值为 ，滑模面展开阈值为，对应的收回阈值为滑移风险回收阈值和滑模面回收阈值，满足；当滑移风险指标且滑膜面 时允许排刺展开；当或 且排刺已满足最小保持时间时允许排刺收回。

39、本发明具有以下有益效果：

40、本发明通过在重载四足机器人足端设置双稳态折叠排刺足端，使足端在普通硬质路面或防滑需求较低时保持收拢状态，在非硬质湿滑且存在滑移风险时按需展开排刺，从而兼顾普通路面行走平顺性和低附着路面防滑能力；

41、本发明通过引入路面可咬合性和支撑相位判断，使排刺仅在适合机械咬合的支撑相内进入增附过程，避免排刺在普通硬质路面或摆动相中误展开，从而减少微刺磨损、弯折和损坏，提高足端结构可靠性；

42、本发明通过构建双稳态离散增附超螺旋滑模控制方法，将足端滑移速度和防滑裕度不足量引入控制过程，使控制器能够根据滑移风险主动计算辅助锚固力需求，提高非硬质湿滑路面下的防滑控制鲁棒性；

43、本发明通过将连续辅助锚固力需求转换为离散排刺展开数量和展开方向，使控制算法能够与双稳态排刺“收拢/展开”两种稳定状态相匹配，避免不必要的排刺展开和频繁切换；

44、本发明通过设置接地联锁、辅助压紧、回收复位和状态反馈机制，使排刺能够在支撑相内可靠展开并稳定咬合地面，在足端进入摆动相前及时收回，从而降低卡滞、带载硬拔和步态干扰风险，提高重载四足机器人在复杂低附着路面下的运动稳定性和作业安全性。