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龙图腾网获悉浙江大学申请的专利一种轮腿式机器人及其控制方法获国家发明授权专利权，本发明授权专利权由国家知识产权局授予，授权公告号为：CN116788383B 。

龙图腾网通过国家知识产权局官网在2026-05-05发布的发明授权授权公告中获悉：该发明授权的专利申请号/专利号为：202310549828.1，技术领域涉及：B62D57/028；该发明授权一种轮腿式机器人及其控制方法是由刘涛;黄鑫彦;何龙;易劲刚设计研发完成，并于2023-05-16向国家知识产权局提交的专利申请。

本一种轮腿式机器人及其控制方法在说明书摘要公布了：本发明公开了一种轮腿式机器人及其控制方法，属于机器人技术领域。该机器人采用轮腿结合结构，包括轮式部分、腿部分和硬件电路模块。轮式部分采用现有成熟的自行车框架，包括车架、前轮、后轮和转向结构部分。腿部分固定在车架两侧，有利于和地面环境进行物理交互，提高对复杂环境的适应性。本发明结合了轮式机器人与腿足机器人的优点，针对不同地形设计了不同控制器，使移动机器人能够同时在平地上快速平稳行驶和动态克服障碍，提高了移动机器人的机动能力。

本发明授权一种轮腿式机器人及其控制方法在权利要求书中公布了：1.一种利用轮腿式机器人的控制方法，其特征在于，所述轮腿式机器人，包括轮式部分、腿部分和硬件电路模块； 所述轮式部分包括安装于车架1上的前轮11、后轮10和转向部件；所述前轮11作为机器人的动力轮，通过轮毂电机9驱动；所述转向部件位于前轮11上方，包括转把5、同步带轮4和转向电机3，转向电机3通过同步带轮4将扭矩传递到转把5以使机器人转向； 所述腿部分包括左腿和右腿，每条腿上均设有由髋侧摆关节电机13、髋正摆关节电机14和膝关节电机15构成的电机模组； 所述硬件电路模块包括主控板、电机控制板、信息采集模块和电源模块；所述电源模块用于为整个电路系统及电机提供工作电压；所述轮毂电机9和转向电机3均与电机控制板相连，电机控制板与主控板相连并使用USART进行通信；所述信息采集模型采用USART与主控板通信； 所述控制方法具体如下： S1：针对平坦地形，为使机器人能快速高机动行驶，采用内外动态协调平衡控策略，具体如下： 设后轮10触地点的坐标为，则有 ； 式中，表示后轮10触地点速度，表示机器人在World坐标系下沿x轴方向的速度，表示机器人在World坐标系下沿y轴方向的速度；其中，World坐标系固定在地面上，Z轴竖直向上，X轴前进方向；表示后轮10外沿的线速度，表示机器人偏航角的余弦函数，表示机器人偏航角的正弦函数； 继续对求两次导，且假设机器人是匀速向前行驶，最终可得 ； 式中，表示中间控制量，表示机器人偏航角； 给定期望轨迹，为外动态设计线性控制器跟踪这个轨迹 ； 式中，表示机器人期望的x坐标，表示机器人期望的y坐标，期望的机器人位置，位置偏差，表示控制器的反馈增益变量； 将代入上式，可得外动态控制输入 ； 式中，表示后轮10外沿的线速度； 为考虑内部的动态平衡，不能直接使用上式作为系统的控制输入；要使机器人能够平衡，需满足倾斜角加速度为0，即 ； 式中，表示与偏航角相关的量； 将代入上式，并通过牛顿法可求解出，再对求全导数依次可求出、；对于求出的，代表能保证系统轨迹跟踪的期望倾斜角、倾斜角速度、倾斜角加速度； 为了能让系统跟踪期望倾斜角的轨迹，达到机器人既能保证平衡又能进行轨迹跟踪的目的，首先需要对整个系统进行部分反馈线性化，后面才能使用线性控制器进行跟踪及其导数； 因此设计一个内动态的反馈控制律 ； 代入动力学公式，可得 ； 自此系统的倾斜角加速度可以任意配置； 式中，，，；其中，表示机器人期望倾斜角加速度，表示机器人倾斜角加速度，表示机器人质量，表示从机器人重心到后轮10触地点的竖直距离；设机器人的前轮11和后轮10的触地点分别记为和，表示机器人绕的转动惯量；表示机器人倾斜角的余弦函数，表示机器人倾斜角的正弦函数，表示从机器人重心到后轮10触地点的水平距离，表示前轮11尾迹，表示转把转角在地面上的投影角，表示机器人前叉倾斜角的余弦函数，表示和的距离； 为了跟踪及其导数，令 ； 式中，表示轨迹跟踪参数； 只要，就能保证跟踪误差收敛到零； 最终，在平地行驶时的内外动态协调运动控制器为； S2：针对崎岖路面，采用将模型预测和内外动态协调融合的轮腿协同控制策略，具体如下： 轮腿协同控制策略将腿控制和内外动态协调控制整合在一起，通过由用户给定的期望状态轨迹和机器人反馈的传感信息，生成轮腿协同控制信号，分别驱动髋侧摆关节电机13、髋正摆关节电机14、膝关节电机15、转向电机3和轮毂电机9； 辅助腿控制由支撑相和摆动相组成，两个状态由步态生成器调度；支撑相采用MPC算法生成所需的关节电机力矩作为力矩前馈，同时加上反馈控制进行力位混控；摆动相采用位置和速度控制； 支撑相时腿末端着地，腿与地面产生交互力；MPC的作用就是根据期望状态轨迹和当前传感信息，计算出能使状态轨迹误差最小的系统输入，同时为节约能量系统输入应最小；MPC形式如下式： ； ； ； 其中是的控制序列，是模型预测控制的周期，表示预测时域，其中；状态向量的误差，表示系统的状态变量，表示系统期望的状态变量，和是对角权重矩阵；表示状态空间方程中状态变量的系数，表示状态空间方程中系统输入的系数，表示常数项，表示机器人重心投影到第i条腿末端的位移；表示控制输入，表示第i条腿末端的地反作用力，其中，i=0为左腿，i=1为右腿；分别表示摩擦力和电机力矩的上下限，下标表示向量的第个元素； 矩阵为 ； 其中表示腿和地面之间的静摩擦系数；之后通过离散化和利用qpOASES求解器求解上面优化问题； 当第i条腿触地时，的关节力矩可通过以下公式计算 ； 其中，表示从Body坐标系到World坐标系的旋转矩阵；表示雅可比矩阵的转置；由此即求出了腿关节的前馈力矩； 同时支撑腿应跟踪一个轨迹，以保证腿能够始终与地面同一点接触；设在某一时刻期望的关节角、关节角速度、关节角加速度分别为，则反馈控制量为 ； 式中，表示微分增益，表示比例增益，表示关节角速度，表示关节角度； 因此最终的关节电机力矩 ； 摆动相的关键是确定落脚点位置，采用启发式公式可计算期望的腿末端位置，达到速度调节的作用： ； 式中，表示期望的腿末端在x-y平面上的位置，是步态周期，是髋侧摆关节电机13在x-y平面上的位置，是机器人在x-y平面上的重心期望速度，是对应的重心速度，是增益； 在机器人行驶过程中，内外动态协调控制实现机器人的平衡和轨迹跟踪，辅助腿的周期性迈腿增强了机器人与地面的物理交互，在转把力矩有限的情况下大大提高了机器人的稳定性； S3：针对越障场景，采用基于腿力脉冲控制策略增强机器人越障和抗干扰能力，具体如下： 机器人在通过障碍物过程中，会触发碰撞检测程序，当系统失稳时，开始触发腿力脉冲，因此是通过给系统施加力脉冲，使系统重新回到之前的平衡位置，具体如下： 将腿-地面交互力表示为，则施加在机器人上的力矩为；设单条腿关节力矩向量为，则，其中是由Body坐标系变换到World坐标系的旋转矩阵，因此可以得到施加的力矩为 ； 其中能作用到机器人的脉冲平衡力矩是沿x轴的分量，即；出于平衡的目的，主要关注的控制设计，而y轴和z轴方向的扭矩分量和希望尽可能的小； 假设脉冲力矩在时刻经过极短时间，达到，那么在力矩脉冲的作用下，机器人的倾斜角速度将发生非连续跳变，而倾斜角度保持不变；根据动力学公式，得 ； 注意到由于倾斜角度在期间保持不变，因此；根据上式可得 ； 其中表示倾斜角速度变化量，和分别代表力矩脉冲作用前后的倾斜角度； 的求解可以转化为一个优化问题，即寻找一个合适的期望倾斜角速度，能使系统的平衡和轨迹跟踪误差和系统控制输入尽可能小；因此优化问题可描述为 ； ； ； 其中是误差向量，矩阵和均是对称正定矩阵，是预测时间段；目标函数表示在这段时间内机器人状态轨迹误差和控制输入的累积；此优化问题用于寻找最优的初始倾斜角速度，使得机器人能重新进行平衡和轨迹跟踪任务； 值应尽可能小，以保证腿和地面接触持续时间足够短；在这段时间内，假设保持不变；通过SQP算法可以求解出，则进一步可得 ； 为了生成，需要设计腿-地面交互力；当腿接触地面时，接触点位于，那么，其中，；同时，为了消除和产生的影响，增加了约束；在实际中，车轮和障碍物的碰撞通常会阻止机器人沿y轴和z轴方向旋转，因此和对系统影响很小，可以忽略不计；由此便可以得到： ； 其中，是最大垂直地面反作用力，而腿-地面接触点位置在实验中动态调整； 最终可得到所需的关节力矩 ； 其中，，，。

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