CN105468012A - 一种重型载人足式机器人线控转向系统的路感模拟方法 - Google Patents

Abstract

针对重型载人足式机器人线控转向系统的路感模拟方法，涉及一种增强其操纵临场感的方式。本发明是为了解决以电信号的方式操纵足式机器人转向过程中由于路感信息的缺失而造成操纵不准确的问题。本发明首先确定转向操纵方式；其次推导机器人转向过程中足-地力作用在重心处的理论力矩；然后通过腿部液压缸运动-力学模型解算各关节实际转矩并推导机器人转向过程中足-地力作用在重心处的解析力矩；最后采用滑模控制，使线控转向系统内的路感电机模拟出高保真的足-地接触力矩并反馈给驾驶员；利用本发明可以实时的还原出机器人与路面相互作用的接触信息，从而提高了驾驶员操纵机器人的稳定性及准确性。本发明适用于足式机器人的操纵技术领域。

Description

一种重型载人足式机器人线控转向系统的路感模拟方法

技术领域

本发明属于足式机器人的操纵技术领域，具体涉及一种针对驾驶员操纵重型足式机器人转向过程中的路感模拟方法。

背景技术

重型载人足式机器人因其大负重、高稳定、适应性强等特点已成为机器人领域内的研究热点之一，但现有针对足式移动机器人的自主智能控制算法还不能确保机器人在极其复杂地形的良好通过性，这就需要将人的决策元素融入到足式机器人的控制体系当中，因此开发出一套具有良好交互性的操纵系统已成为弥补足式机器人现有智能技术不足的有效途径。

由于重型载人足式机器人结构复杂，运动离散程度高等实际问题为操纵系统的设计增添了不小的难度，所以在实际应用过程中常采用线控的方式来搭建足式机器人的操纵系统。本发明所涉及的足式机器人线控操纵系统只面向转向环节，由于取消了操纵系统内机械连接的传动方式，这会造成路感信息反馈的缺失，导致驾驶员在驾驶过程中感受不到机器人与路面的接触信息，从而为重型足式机器人在驾驶还击中带来了失稳，误操作及调控不及时等操纵隐患。综上所述，对于重型载人足式机器人线控转向系统的路感模拟方法的研究是提升驾驶员操纵稳定性及准确性的不可或缺的条件。

发明内容

本发明是为了解决重型载人足式机器人由于采取了线控转向的模式而导致的路感缺失问题，现提供一种重型载人足式机器人线控转向系统的路感模拟方法。

针对重型载人足式机器人线控转向系统的路感模拟方法，首先要确定线控转向系统的结构及操纵方式。线控转向系统基于模块化的思想对该系统进行设计，主要分为三部分：方向盘模块、运动控制单元模块及转向执行模块。重型载人足式移动机器人线控转向系统的操纵方式可划分为四部分：驾驶员操控方向盘输出目标转角；方向盘转角经运动控制单元模块转换成机器人转向过程中支撑相的落足点坐标及摆动相的足端轨迹；将运动控制单元模块规划出的足端信息发送到单腿控制器通过对相应腿各关节的目标转角的解算，推导出腿部各液压缸活塞杆的目标伸缩量，从而支撑机器人完成转向动作；将重型载人足式移动机器人转向过程中的足-地接触信息通过路感电机输出相应的转矩来进行模拟，并将转矩通过转向轴及方向盘反馈给驾驶员。

所述的重型载人足式机器人线控转向系统的路感模拟方法，具体包括以下步骤：

步骤1：根据足式机器人的具体构型，建立运动学方程，规划出驾驶员操纵方向盘所输出的转角值与机体转向过程中转向半径之间的映射关系；

步骤2：在运动学方程基础上，建立机器人动力学方程，推导出足式机器人转向过程中的足-地接触力与关节转矩的关系，再通过腿部各液压缸运动-力学方程解析出各关节的实际转矩，从而求解出足-地接触力作用在机体重心处的解析力矩；

步骤3：建立足-地作用的力学理论模型，通过足端与机体重心的位置关系，推导出足-地接触力作用在机体重心处的理论力矩值；

步骤4：确定重载足式机器人进行路感模拟的控制方案，通过对足式机器人运动特性及线控转向系统的动力学分析，采取滑模理论对路感电机进行跟踪控制，最终实时模拟出机器人转向过程中足端与地面作用而产生的路感信息，再将此路感信息通过电机所输出的阻力矩形式反馈给驾驶员；

步骤5：通过建立李雅普诺夫正定函数，判定所设计的滑模控制器的稳定性。

本发明有以下有益效果：

所述的一种重型载人足式机器人线控转向系统的路感模拟方法，一方面，基于路感电机的状态参数设计出滑模控制系统的切换函数，从而提升了控制系统输出量的抗干扰能力，使路感电机能更快速的响应，并能更真实的反馈出路感信息；另一方面通过模拟出的高保真路感信息，使驾驶员能实时感受到机器人转向过程中足-地接触信息，从而指导驾驶员更稳定、更精确的操纵机器人完成指定任务。

附图说明

图1为重型载人足式机器人线控转向系统路感模拟的控制结构框图；

图2为足式机器人行进间转向模态切换的示意图；

图3为足式机器人足-地接触理论力学模型的示意图；

图4为足式机器人足端与机体重心的位置关系示意图；

图5为足式机器人单腿跟关节内部运动规划示意图；

图6为足式机器人单腿髋关节及踝关节内部运动规划示意图；

图7为路感模拟系统的控制结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式1：参照附图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的重型载人足式机器人线性转向系统的路感模拟方法，首先需要确定线控转向系统的基本组成，线控转向系统包括方向盘模块、运动控制模块及转向执行模块，所述的方向盘模块由方向盘、转向轴、扭矩传感器、转角传感器、路感电机、减速器及电机电流传感器组成；所述的运动控制单元模块由运动规划单元及运动控制器组成；所述的转向执行模块由单腿控制器、三自由液压驱动腿、旋转变压器、压力传感器及位移传感器组成。

具体实施方式2：本实施方式是基于具体实施方式1所述的重型载人足式机器人线控转向系统的结构，针对各个模块在路感模拟环节中的作用作进一步说明，本实施方案中，方向盘输出转角与机体转向半径在操控上成比例关系，本发明所使用的方向盘单侧正/反向转动范围在，而机器人转向半径的大小取值决定了机体转向的模态，当转向半径趋近于时，机器人进入原地转向模式，当转向半径趋近于无穷大时，机器人趋于直线行走模式。为保证操纵准确性及计算的便捷性，方向盘在单侧正/反向转过转角的范围内，规定机器人不执行转向运动，当超过这个角度阈值时，机器人才进入转向模式。因此将机器人转动半径的范围设定在，方向盘转角值与机体转过的半径值采用一一对应的方式并且两变量保持正比关系，即可规划出方向盘的角传动比为2:1。

具体实施方式3：本实施方式是基于具体实施方式1所述的重型载人足式机器人线控转向系统的结构，针对各个模块在路感模拟环节中的作用作进一步说明，本实施方案中，方向盘输出转角发送到运动控制单元模块，其内部的运动规划单元包括三部分内容：一方面通过所建立的运动学方程求解出机器人转向运动过程中支撑相的落足点坐标及摆动相的足端轨迹，并将足端信息发送到单腿控制器；另一方面，通过所建立的机器人动力学模型，推导出足-地接触力的解析值与各关节实际转矩的对应关系，再由单腿控制器通过接收到的足端信息，求解出各关节的实际转矩，并将实际转矩值发送到运动规划单元，通过运动学方程求解出的足端位置坐标实时求解出足-地接触力作用在重心处的解析力矩；最后一方面，通过滑模理论规划路感电机的控制算法，基于其内部已有的足-地接触力作用在机体重心处的理论力矩，将此理论力矩与解析力矩的差值定义为滑模面，使解析力矩能更真实的模拟出足-地接触信息。运动控制单元模块内的运动控制器负责将所要模拟出的路感信息通过线控转向系统的动力学方程转换成路感电机的控制指令，从而控制其输出相应的阻力矩，并将此力矩通过转向轴及方向盘反馈给驾驶员。

具体实施方式4：本实施方式是基于具体实施方式1所述的重型载人足式机器人线控转向系统的结构，针对各个模块在路感模拟环节中的作用作进一步说明，本实施方案中，单腿控制器包括两部分内容：一方面负责接收运动控制单元发送的足端信息，并通过内部的运动学方程将其转换成关节的目标转角，再通过几何关系及腿部各液压缸的运动-力学方程解算出各关节的实际转矩，将实际转矩值反馈到运动控制单元模块；另一方面，单腿控制器接收到运动控制模块发送的操控指令，按规划算法驱动指定腿的各液压缸内活塞杆的伸缩量，从而支撑机器人完成转向运动，最后将所采集到的各传感器信息经处理后发送到运动控制单元模块。

具体实施方式5：本实施方式是根据具体实施方式1、2、3、4所述的重型载人足式机器人线控转向系统的结构及各个模块在路感模拟环节中的作用，具体描述如何进行路感的模拟，该模拟方法包括以下步骤：

步骤1：对足式机器人进行间的转向过程进行运动规划：

步骤1.1：参考附图2对足式机器人进行间转向的模态进行分析，首先以三步态方式作为机器人转向过程中的行走步态，将整个转向过程分为两个阶段：第一阶段内摆动相摆动到下一时刻所规划的落足点位置，支撑相支撑机体在行进过程中转过一定的角度；第二阶段内摆动相着地进入支撑相并开始支撑机体再转过一定的角度，上一阶段内的支撑相结束支撑工作，开始进入摆动相；

步骤1.2：对足式机器人行进间转向的运动进行规划，首先采用D-H法建立相应坐标系，通过正逆运动学方程推导出足端与关节的映射关系，以机体转向过程中的转向半径为基础，通过齐次坐标变化，推导出机体转过的角度与足端位置坐标的关系，再通过运动学方程反推出各个关节所转过的角度，从而驱动机器人完成指定转向半径下的转向运动，建立方向盘与机体转向半径之间的对应关系，并在方向盘单向正反转过范围内，规定机器人不执行转向运动，当超过这个角度阈值时，机器人才进入行进间转向模式；

步骤2：足式机器人动力学及线控转向系统动力学建模：

步骤2.1：参考附图3，基于Bekker承压模型与Jason剪切模型来建立足-地接触力学的理论模型，参考附图4，通过确定足端位置与机体重心之间的几何关系，推导出足-地接触力作用在机体重心处的理论力矩值；

步骤2.2：基于拉格朗日动力学方程对足式机器人进行动力学建模，从而建立机器人足-地作用力与关节转矩之间的解析关系，参考附图5、6，通过腿部液压缸布置的几何关系及运动-力学模型，可推导出腿部各个关节的解析力矩，将力矩代到机器人动力学方程，求解其足-地作用力，再通过步骤1.2所实时求解出的实时足端位置坐标，推导出足-地接触力作用在机体重心处的解析力矩；

步骤2.3：参考附图7，建立路感电机的动力学模型及方向盘模块整体的动力学模型；

步骤3：对重型足式机器人行进过程中的路感进行模拟：

步骤3.1：参考附图1，建立重型载人足式机器人线控转向系统的路感模拟架构；

步骤3.2：采用滑模控制理论对路感电机进行控制，首先确定路感电机的状态方程，基于足-地接触力作用在机体重心处的解析力矩与理论力矩的差值定义滑模控制系统的切换函数，对该函数求导并使其值为零，从而使解析力矩能更真实的模拟出足-地接触信息，最后基于方向盘模块的动力学方程推导出路感电机所需输出的阻力矩，并将此力矩值反馈给驾驶员，完成对路感的模拟。采用滑模控制可以为系统输出量带来较强的鲁棒性，并且能够快速的反馈出系统实际想达到的状态，最后通过引入指数趋近律法来消除由于采用滑模控制而为系统带来的抖振现象；

步骤3.3：通过李雅普诺夫正定函数，判定本发明所建立的滑模控制系统的稳定性。

Claims (6)

1.一种重型载人足式机器人的线控转向系统的路感模拟方法，其特征在于，具体的模拟方法包括以下步骤：

步骤1：基于机器人运动学方程，驾驶员通过操控方向盘的输出转角从而控制机器人进行对应转向半径的转向运动；

步骤2：运动过程中通过单腿控制器对各个关节实际作用的力矩值进行求解，将关节力矩带回到运动控制单元模块内求解出足-地接触力的解析解，再根据运动学方程规划出的足端位置坐标可推导出足-地接触力作用在机体重心处的解析力矩；

步骤3：建立足-地接触力学的理论模型，根据机器人重心及足端的几何关系，推导出足-地接触力作用在机体重心处的理论力矩；

步骤4：建立滑模控制器，将足-地接触力作用在机体重心处的解析力矩与理论力矩的差值定义为滑模函数，对其进行跟踪控制，使解析力矩值能更真实的还原出机器人行走过程中与路面之间的相互作用信息；

步骤5：通过运动控制单元内的控制器将实时规划出的路感信息转换成控制指令，从而控制方向盘模块内的路感电机输出相应的转矩，再将此转矩信息通过转向轴及方向盘反馈给驾驶员，用来模拟足-地接触信息，从而指导驾驶员更好的驾驶重型足式机器人。

2.根据权利要求1所述的一种重型载人足式机器人的线控转向系统的路感模拟方法，其特征在于，步骤4中，所述滑模控制的具体方法如下：

步骤1：在机器人进行过程中只对作用在机体重心处最小的足-地接触力矩进行实时模拟，因为其他足与地面接触力矩不会影响到机器人行走过程中的稳定判断；

步骤2：建立路感电机的状态方程，定义滑模控制系统的切换函数，通过电机动力学方程即可推导出当足-地接触力作用在机体重心处的解析力矩与理论力矩其二者的差值变化率趋于零时，控制率（电流）的实际输出值，从而解析出路感电机所需模拟的转矩值；

步骤3：基于李雅普诺夫正定函数来判定所建控制器的稳定性。

3.根据权利要求1、2所述的一种重型载人足式机器人线控转向系统的路感模拟方法，其特征在于：需要对重型载人足式机器人线控转向系统的结构及操控方式进行设计，所述重型足式机器人线控转向系统包括方向盘模块、运动控制单元模块及转向执行模块，方向盘模块又包括方向盘、转角传感器、扭矩传感器、电机电流传感器、路感电机及减速器；运动控制单元模块又包括运动规划单元及运动控制器；转向执行模块又包括单腿控制器、三自由度液压驱动腿、旋转变压器、压力传感器及位移传感器。

4.根据权利要求1、2所述的一种重型载人足式机器人线控转向系统的结构及路感模拟方法，其特征在于：需要确定方向盘模块在路感模拟环节中的输出模式，本发面中方向盘输出转角与机体转向半径在操纵上成一定的比例关系，驾驶员通过转动方向盘从而确定机器人以多大的转向半径完成行进间的转向运动，为保证操纵准确性及计算的便捷性，方向盘在单侧正/反方向各转过范围内，规定此时机器人不执行转向运动，当超过这个角度阈值时，机器人才进入行进间转向模式。

5.根据权利要求1、2所述的一种重型载人足式机器人线控转向系统的路感模拟方法，其特征在于：需要确定运动控制单元在路感模拟环节中的信息交互方式及内嵌的功能函数，本发明中运动控制单元模块内的运动规划单元一方面内嵌机器人运动学及动力学方程，采集转向执行模块反馈的机器人状态信息，实时解算出机器人足-地接触力作用在重心处的解析力矩；另一方面运动规划单元内嵌滑膜算法，通过将足-地接触力作用在重心处的理论力矩与解析力矩之差定义为滑模函数并进行跟踪控制，实时的模拟出具有高保真度的路感信息，运动控制器则负责将运动规划单元解析出的路感信息转换成路感电机的控制指令，从而控制路感电机输出相应的转矩值。

6.根据权利要求1、2所述的一种重型载人足式机器人线控转向系统的路感模拟方法，其特征在于：需要确定单腿控制器在路感模拟环节中的具体操控方式，本发明中单腿控制器一方面通过控制腿部液压缸的伸缩量来驱动机器人的指定腿从而完成相应的动作；另一方面负责采集旋转变压器反馈的各关节转动角度、压力传感器反馈的两腔内压力差、位移传感器反馈的活塞杆位移量，通过内嵌的液压缸运动-力学模型解算出各关节的实际转矩值，并将其发送到运动控制单元模块用于求解机器人足-地接触力作用在重心处的解析力矩。