CN104527830A - 降低液压驱动六足机器人功率和流量消耗的运动规划方法 - Google Patents

Abstract

降低液压驱动六足机器人功率和流量消耗的运动规划方法，涉及足式机器人运动规划领域，针对六足机器人采用现有运动规划方法导致六足机器人的功率和流量需求过大的问题。本发明的运动规划方法包括如下步骤：步骤一、根据六足机器人的运动目标，确定足端在六足机器人机体前进方向的位置约束和速度约束；步骤二、根据六足机器人的运动要求和步骤一确定的约束条件，规划足端在支撑相的运动轨迹；步骤三、根据六足机器人的运动要求和步骤一确定的约束条件，规划足端在摆动相的运动轨迹。采用本发明的方法可降低液压驱动六足机器人功率和流量消耗，降低了整个六足机器人的体积和重量，从而提高了六足机器人的能量利用率。

Description

降低液压驱动六足机器人功率和流量消耗的运动规划方法

技术领域

本发明涉及足式机器人运动规划领域，具体涉及一种降低液压驱动六足机器人功率和流量消耗的运动规划方法。

背景技术

机器人应用正在向移动作业发展。地面移动方式主要有轮式、足式、履带式、蠕动式和震动式等。六足步行具有稳定性好、承载能力高、地形适应性强等优势，是复杂作业环境下的最佳选择，具有广阔的应用前景。目前足式机器人大多采用电机作为运动驱动源，但受电机输出力矩限制而无法承受较大负载，实际应用价值有限。液压驱动功率密度比高、输出力矩大，使足式机器人的高承载能力成为可能，同时具有响应快、跟踪能力强等优势，已成为足式机器人的发展趋势。

野外移动作业要求液压足式机器人必须自身携带动力源，并具有较高的续航能力，因此，功率和流量消耗在液压六足机器人研究及走向实用化过程中始终是一个重要问题，对于高速高承载的液压六足机器人而言更为突出。如何有效的降低系统的功率和流量需求是液压驱动足式机器人面临的焦点问题，但目前该方面的研究较少，而与这些问题密切相关的就是足端轨迹规划和行走步态。

通常采用初等函数进行足端轨迹规划，如一次函数、正弦函数、摆线、抛物线等，不可避免地造成加速度突变的现象，进而影响机器人行走过程中的稳定性。多项式插值的方法能满足轨迹一阶、二阶可导和连续，但由于采样过多，会造成多项式插值阶次过高，并因此而导致震荡。因此，目前迫切需要一种运动规划方法来降低液压驱动六足机器人的功率和流量消耗。

发明内容

本发明的目的在于针对六足机器人采用现有运动规划方法导致六足机器人的功率和流量需求过大的问题，提供了一种降低液压驱动六足机器人功率和流量消耗的运动规划方法。

本发明为解决上述问题，采取的技术方案是：

本发明的降低液压驱动六足机器人功率和流量消耗的运动规划方法，所述的运动规划方法包括如下步骤：

步骤一；根据六足机器人的运动目标，确定足端在六足机器人六足机器人机体前进方 向的位置约束和速度约束；

步骤二；根据六足机器人的运动要求和步骤一确定的约束条件，规划足端在支撑相的运动轨迹；

步骤三；根据六足机器人的运动要求和步骤一确定的约束条件，规划足端在摆动相的运动轨迹。

本发明相对于现有技术具有如下有益效果：

1、本发明提出了一种六足机器人足端轨迹规划方法，实现了六足机器人机体的连续平稳运动，消除了采用现有方法时存在的六足机器人机体不断加速与减速的现象，系统峰值功率较正弦函数规划方法降低了39％。

2、本发明提出的轨迹规划方法，系统峰值流量较正弦函数规划方法降低了12％。

3、基于上述两条有益效果，本发明可降低六足机器人的功率和流量配置，减小驱动器的体积和重量，进而降低整个六足机器人的体积和重量，提高六足机器人的能量利用率。

附图说明

图1是本发明的一种降低液压驱动六足机器人功率和流量消耗的运动规划方法应用的液压驱动六足机器人的结构示意图；

图2是六足机器人单腿运动过程示意图；

图3是六足机器人足端y方向的坐标曲线图，图中：A点是摆动相的起始点，B点是摆动相向支撑相的切换点，C点是支撑相向摆动相的切换点，D点是摆动相向支撑相的切换点，E点是支撑相的结束点；

图4是本发明规划的六足机器人足端轨迹曲线图；

图5是本发明得到的六足机器人机体重心在前进方向的位移和速度曲线图，图中：实线表示六足机器人机体的位移，虚线表示六足机器人机体的速度；

图6是本发明规划方法与正弦函数规划方法系统功率的对比曲线图，图中：实线表示本发明规划方法的系统功率曲线，虚线表示正弦函数规划方法的系统功率曲线；

图7是本发明规划方法与正弦函数规划方法系统流量的对比曲线图，图中：实线表示本发明规划方法的系统流量曲线，虚线表示正弦函数规划方法的系统流量曲线。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

结合图1，其为本发明所应用的液压驱动六足机器人，包括六足机器人机体1和六条相互独立的步行腿2。

针对上述的液压驱动六足机器人，本发明提供了一种降低液压驱动六足机器人功率和流量消耗的运动规划方法，包括以下步骤：

步骤一：根据六足机器人的运动目标，确定足端在六足机器人机体1前进方向的位置约束和速度约束，以实现六足机器人机体1的连续平稳运动；

六足机器人行走过程中，各腿在摆动相和支撑相之间来回切换，摆动相时单腿前摆，足端由后极限位置PEP运动到前极限位置AEP；支撑相时单腿后摆，足端由AEP位置回到PEP位置，如图2所示；

首先确定足端在六足机器人机体1前进方向的位置约束；令六足机器人一个步态周期为2T，则六足机器人摆动相和支撑相的时间各为T，为实现足端的周期性运动，每一个步态周期起始和结束时刻，足端应处于PEP位置，即足端的后极限位置；当摆动相向支撑相切换时，足端应处于AEP位置，即足端的前极限位置；足端y方向的坐标曲线如图3所示；因此，足端在六足机器人机体1前进方向的位置约束为：

$\left\{\begin{array}{c}y\left(0\right)=y_{\mathrm{PEP}}\\ y\left(T\right)=y_{\mathrm{AEP}}\\ y\left(2T\right)=y_{\mathrm{PEP}}\end{array}\right.$

其次，确定足端在六足机器人机体1前进方向的速度约束为：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\·}{y}\left(0\right)=-v\\ \stackrel{\·}{y}\left(T\right)=-v\\ \stackrel{\·}{y}\left(2T\right)=-v\\ \stackrel{\·}{y}\left(T^{+}\right)=\stackrel{\·}{y}\left(T^{-}\right)\\ \stackrel{\·}{y}\left({2T}^{+}\right)=\stackrel{\·}{y}\left({2T}^{-}\right)\end{array}\right.$

其中，T为摆动相和支撑相的周期；

步骤二：根据六足机器人的运动要求和步骤一确定的约束条件，规划足端在支撑相的运动轨迹，以实现六足机器人机体1的连续平稳运动，降低六足机器人的功率和流量需求；

首先规划足端x坐标；

x(t₁)＝S₁

其次，规划足端y坐标；

$y\left(t_1\right)=\frac{\mathrm{\λ}}{2}-{\mathrm{vt}}_1$

式中，v＝λ/T

再次，规划足端z坐标；

z(t₁)＝-H

其中，S₁表示支撑相时足端与六足机器人机体1的横向距离，单位mm；λ表示步长，单位mm；v表示六足机器人机体1前进速度，单位m/s；H表示六足机器人机体1离地高度，单位mm；t₁表示足端在支撑相时的运动时间，单位s；

步骤三：根据六足机器人的运动要求和步骤一确定的约束条件，规划足端在摆动相的运动轨迹，以实现六足机器人机体1的连续平稳运动，降低六足机器人的功率和流量需求；

首先，规划足端x坐标；

x(t₂)＝S₂

其次，规划足端y坐标；

y(t₂)＝a₀+a₁t₂+a₂cos(a₃t₂) 

式中，a₀为常数项，a₁为一次项系数，a₂为振幅，a₃为角频率； 

足端在y方向的速度为：

$\stackrel{\·}{y}\left(t_2\right)=a_1-a_2{a}_3\sin \left(a_3{t}_2\right)$

因此，在已经确定足端在六足机器人机体1前进方向的位置约束和速度约束条件下，能分别求出a₀、a₁、a₂和a₃的值为：

$a_0=\frac{\mathrm{\λ}}{2},a_1=-v,a_2=-\mathrm{\λ},a_3=\frac{\mathrm{\π}}{T}$

再次，规划足端z坐标；

$z\left(t_2\right)=\frac{1}{2}{h}_{\max }(1-\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}}{T}{t}_2\right))-H$

其中，h_max表示足端最大抬起高度，单位mm；S₂表示摆动相时足端与六足机器人机体1的横向距离，单位mm；t₂表示足端在摆动相时的运动时间，单位s。

从而得到的足端轨迹曲线如图4所示，摆动相时为连续平滑的弧形，支撑相时为直线。该规划方法得到的六足机器人机体1重心在前进方向的位移和速度曲线如图5所示，实现了六足机器人机体1的连续平稳运动。

本发明规划方法与正弦函数规划方法得到的六足机器人系统功率的对比如图6所示，系统流量的对比如图7所示，从图6和图7中可看出，本发明提出的规划方法可以降低六足机器人系统的功率和流量消耗。

虽然本发明已以较佳的具体实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明的，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其他变化，以及应用到本发明未提及的领域中，当然，这 些依据本发明精神所做的变化都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (4)

1.一种降低液压驱动六足机器人功率和流量消耗的运动规划方法，其特征是：所述的运动规划方法包括如下步骤：

步骤一；根据六足机器人的运动目标，确定足端在六足机器人机体(1)前进方向的位置约束和速度约束；

步骤二；根据六足机器人的运动要求和步骤一确定的约束条件，规划足端在支撑相的运动轨迹；

步骤三；根据六足机器人的运动要求和步骤一确定的约束条件，规划足端在摆动相的运动轨迹。

2.根据权利要求1所述的一种降低液压驱动六足机器人功率和流量消耗的运动规划方法，其特征是：所述的步骤一中，首先确定足端在六足机器人机体(1)前进方向的位置约束；令六足机器人一个步态周期为2T，则六足机器人摆动相和支撑相的时间各为T，为实现足端的周期性运动，每一个步态周期起始和结束时刻，足端应处于PEP位置；当摆动相向支撑相切换时，足端应处于AEP位置，因此，足端在六足机器人机体(1)前进方向的位置约束为：

其次，确定足端在六足机器人机体(1)前进方向的速度约束为：

其中，T为摆动相和支撑相的周期。

3.根据权利要求2所述的一种降低液压驱动六足机器人功率和流量消耗的运动规划方法，其特征是：所述的步骤二通过以下方式实现；

首先规划足端x坐标；

x(t₁)＝S₁

其次，规划足端y坐标；

式中，v＝λ/T

再次，规划足端z坐标；

z(t₁)＝-H

其中，S₁表示支撑相时足端与六足机器人机体(1)的横向距离，单位mm；λ表示步长，单位mm；v表示六足机器人机体(1)前进速度，单位m/s；H表示六足机器人机体(1)离地高度，单位mm；t₁表示足端在支撑相时的运动时间，单位s。

4.根据权利要求2或3所述的一种降低液压驱动六足机器人功率和流量消耗的运动规划方法，其特征是：所述的步骤三通过以下方式实现；

首先，规划足端x坐标；

x(t₂)＝S₂

其次，规划足端y坐标；

y(t₂)＝a₀+a₁t₂+a₂cos(a₃t₂) 

式中，a₀为常数项，a₁为一次项系数，a₂为振幅，a₃为角频率；

足端在y方向的速度为：

因此，在已经确定足端在六足机器人机体(1)前进方向的位置约束和速度约束条件下，能分别求出a₀、a₁、a₂和a₃的值为：

a₁＝-v，a₂＝-λ，

再次，规划足端z坐标；

其中，h_max表示足端最大抬起高度，单位mm；S₂表示摆动相时足端与六足机器人机体(1)的横向距离，单位mm；t₂表示足端在摆动相时的运动时间，单位s。