CN105608268B - 基于优化支撑比的足式机器人足端力分配方法 - Google Patents
基于优化支撑比的足式机器人足端力分配方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN105608268B CN105608268B CN201510958848.XA CN201510958848A CN105608268B CN 105608268 B CN105608268 B CN 105608268B CN 201510958848 A CN201510958848 A CN 201510958848A CN 105608268 B CN105608268 B CN 105608268B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- supporting leg
- power
- axis
- ratio
- leg
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/10—Geometric CAD
- G06F30/17—Mechanical parametric or variational design
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Geometry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Pure & Applied Mathematics (AREA)
- Mathematical Optimization (AREA)
- Mathematical Analysis (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Computational Mathematics (AREA)
- Manipulator (AREA)
Abstract
本发明涉及一种基于优化支撑比的足式机器人足端力分配方法,属于机器人足力分配优化技术领域。本发明(1)分析垂直载荷时,直接对支撑比进行优化分配。多足机器人足端力分配的重要目标之一是行走稳定性,本发明首先对支撑比进行优化,因此首先保证了行走稳定性。(2)在保证行走稳定性的情况下,继续分析水平方向分力,并直接对力的方向进行优化。传统方法的优化目标是总力矩最小或者功率消耗最低,这样的优化目标无法保证足端力最优,而本方法直接瞄准足端力及其方向进行优化,从更高层次上保证了优化结果。(3)在进行力分配时,每个环节都考虑了足端力位置,因此充分利用了力和力矩平衡的特点,进一步确保优化结果。
Description
技术领域
本发明涉及机器人足力分配优化技术领域,具体涉及一种基于优化支撑比的足式机器人足端力分配方法。
背景技术
对于多足机器人而言,至少有三条腿处于支撑状态,才能保持机身稳定。由于每个足端存在三个方向的分力,存在9个未知数,而移动机器人只能列出6个平衡方程,因此多足机器人足端力分配具有多种解法,而不同解法将导致不同的足端力分配结果。足端力分配解法主要分为两大类。第一种是伪逆法,采用螺旋理论列出多肢体系统的平衡方程和足端摩擦力约束方程,根据伪逆思想,推导足端支反力的求解公式,该方法得到的结果不能保证机器人关节的控制力矩最优。第二种是优化法,推导以关节力矩为变量的动力学方程,摩擦约束方程等,以关节力矩平方和最小、电机所需功率总和最小为目标函数,进行优化求解。第一种方法的不足在于,无法获得最优解;第二种方法的不足在于,需要考虑的因素较多,因此计算复杂,效率低下。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是:如何设计一种足式机器人足端力分配方法,对支撑比、力的大小以及力的方向进行优化,保证优化效果。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题,本发明提供了一种基于优化支撑比的足式机器人足端力分配方法,包括以下步骤:
S1、以机身坐标系为参考坐标系,将所有支撑腿简化为一条虚拟支撑腿,基于机身虚拟伺服力,建立机身力矩平衡方程,从而求取虚拟支撑腿期望零力矩点;
S2、采用最小二乘法设计支撑比的优化目标函数,求取各支撑腿的实际支撑比,并得到三条支撑腿在z方向的力;
S3、设计各支撑腿的水平方向分力为未知数,基于未知足端力方向和期望足端力方向,得到足端力方向的优化目标函数,从而获取各支撑腿在x和y方向的分力。
(三)有益效果
本发明在考虑足端位置的基础上,对支撑比、力的大小以及力的方向进行优化,直接保证了优化效果。具体为:(1)分析垂直载荷时,直接对支撑比进行优化分配。多足机器人足端力分配的重要目标之一是行走稳定性,本发明首先对支撑比进行优化,因此首先保证了行走稳定性。(2)在保证行走稳定性的情况下,继续分析水平方向分力,并直接对力的方向进行优化。传统方法的优化目标是总力矩最小或者功率消耗最低,这样的优化目标无法保证足端力最优,而本方法直接瞄准足端力及其方向进行优化,从更高层次上保证了优化结果。(3)在进行力分配时,每个环节都考虑了足端力位置,因此充分利用了力和力矩平衡的特点,进一步确保优化结果。
附图说明
图1是期望零力矩点分析示意图;
图2是各条腿支撑比分析示意图;
图3是各条腿作用力分析示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚,下面结合附图和实施例,对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本发明提出一种基于优化支撑比的足式机器人足端力分配方法,采用单腿虚拟腿模型,根据机身虚拟伺服力获取虚拟腿期望零力矩点;根据足端位置,采用非线性优化算法获取最小支撑比;根据机身虚拟伺服力、最小支撑比、以及足端位置对足端力方向进行优化。具体包括以下步骤:
如图1所示,步骤S1,以机身坐标系为参考坐标系,假设左后腿HL为摆动腿,其余三条腿右后腿HR、左前腿FL以及右前腿FR为支撑腿,求取虚拟支撑腿期望零力矩点。本步骤中,将所有支撑腿简化为一条虚拟支撑腿,基于机身虚拟伺服力,建立机身力矩平衡方程。根据该方程可以获取虚拟支撑腿期望零力矩点。具体包括:
步骤S11:求取期望零力矩点COP的y轴坐标。在yz平面上,机身质心受到绕x轴的力矩Mx,沿y轴和z轴的作用力Fy和Fz,期望零力矩点COP在该yz平面上受到相同方向和大小的y轴和z轴方向作用力Fy和Fz,期望零力矩点COP的z轴坐标zc等于机身估计高度H。由此可以基于Mx、Fy、Fz、zc,期望零力矩点COP的y轴坐标yc,列出yz方向的力矩平衡方程,最终获得yc:
-Fyzc+Fzyc=Mx (1)
步骤S12:求取期望零力矩点COP的x轴坐标。在xz平面上,机身质心受到绕y轴的力矩My,沿x轴和z轴的作用力Fx和Fz,期望零力矩点COP在该xz平面上受到相同方向和大小的x轴和z轴方向作用力Fx和Fz,期望零力矩点COP的z轴坐标zc等于机身估计高度H。由此可以基于My、Fx、Fz、zc,期望零力矩点x轴坐标xc,列出xz方向的力矩平衡方程,最终获得xc:
Fxzc-Fzxc=My (2)
如图2所示,步骤S2,求取各支撑腿的实际支撑比以及三条支撑腿在z方向的力。本步骤中,设计各支撑腿的期望支撑比,采用最小二乘法设计支撑比的优化目标函数,从而获取各支撑腿的实际支撑比。具体包括:
步骤S21:设计各条支撑腿的实际支撑比为未知数rfl,rfr,rhr,期望支撑比r'fl,r'fr,r′hr为已知数,得到关系式:
其中,Fz为虚拟支撑腿期望零力矩点COP在z方向所受的力,三个等式右边的分子分别表示对应三条支撑腿在z方向所受的力。
步骤S22:建立各支撑腿的足端坐标和实际支撑比,与期望零力矩点坐标的函数,即:
f(xj,rj)表示自变量为xj、rj的函数,f(yj,rj)表示自变量为yj、rj的函数,其中下标j=fl,fr,hr;xj、yj表示对应支撑腿的足端x、y轴坐标。
步骤S23:基于实际支撑比和期望支撑比,建立支撑比优化目标函数。
J=f(rfl,rfr,rhr,r'fl,r'fr,r′hr) (5)
步骤S24:基于步骤S22和步骤S23,求解实际支撑比,再根据公式(3)求得三条支撑腿在z方向的力。
如图3所示,步骤S3,求取各支撑腿在x和y方向的分力,从而得到了各支撑腿的足端力方向。本步骤中,设计各支撑腿的水平方向分力为未知数,基于未知足端力方向和期望足端力方向,可以得到足端力方向的优化目标函数,从而获取各支撑腿的足端力方向。具体包括:
步骤S31:设计各条支撑腿的水平、垂直方向实际分力为未知数,结合各条支撑腿的垂直载荷,获得水平、垂直两个方向的实际足端力之比dx、dy的计算公式,如公式(6)所示;根据各支撑腿的足端位置,即在x、y、z轴的坐标,设计水平、垂直两个方向的期望足端力之比dx’、dy’,如公式(7)所示。
步骤S32:基于各条支撑腿的实际支撑比和足端位置,以及利用步骤S31得到的各条支撑腿在x、y、z三个方向的实际分力,建立机身在x、y方向的力矩平衡方程,以及绕z轴的力矩平衡方程,由此建立非线性方程组。
步骤S33:基于未知的实际足端力之比和已知的期望足端力之比,建立足端力之比的优化目标函数(8),联立步骤S32所建立的非线性方程组得到实际足端力之比,然后根据公式(6)求解各支撑腿在x和y方向的分力。
J'=f(dxj,dyj,d'xj,d'yj),j=fl,fr,hr (8)
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变形,这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种基于优化支撑比的足式机器人足端力分配方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、以机身坐标系为参考坐标系,假设左后腿hl为摆动腿,其余三条腿右后腿hr、左前腿fl以及右前腿fr为支撑腿,将所有支撑腿简化为一条虚拟支撑腿,基于机身虚拟伺服力,建立机身力矩平衡方程,从而求取虚拟支撑腿期望零力矩点;
S2、采用最小二乘法设计支撑比的优化目标函数,求取各支撑腿的实际支撑比,并得到三条支撑腿在z方向的力;
S3、设计各支撑腿的水平方向分力为未知数,基于未知足端力方向和期望足端力方向,得到足端力方向的优化目标函数,从而获取各支撑腿在x和y方向的分力,即各支撑腿的足端力方向;
假设左后腿为摆动腿,其余三条腿为支撑腿,则步骤S1具体包括:
S11、求取期望零力矩点COP的y轴坐标:在yz平面上,机身质心受到绕x轴的力矩Mx,沿y轴和z轴的作用力Fy和Fz,期望零力矩点COP在该yz平面上受到相同方向和大小的y轴和z轴方向作用力Fy和Fz,期望零力矩点COP的z轴坐标zc等于机身估计高度H,由此基于Mx、Fy、Fz、zc,期望零力矩点COP的y轴坐标yc,列出yz方向的力矩平衡方程,最终获得yc:
-Fyzc+Fzyc=Mx (1)
S12:求取期望零力矩点COP的x轴坐标:在xz平面上,机身质心受到绕y轴的力矩My,沿x轴和z轴的作用力Fx和Fz,期望零力矩点COP在该xz平面上受到相同方向和大小的x轴和z轴方向作用力Fx和Fz,期望零力矩点COP的z轴坐标zc等于机身估计高度H,由此基于My、Fx、Fz、zc,期望零力矩点x轴坐标xc,列出xz方向的力矩平衡方程,最终获得xc:
Fxzc-Fzxc=My (2);
步骤S2具体包括:
S21:设计各条支撑腿的实际支撑比为未知数rfl,rfr,rhr,期望支撑比r’fl,r’fr,r’hr为已知数,得到关系式:
其中,Fz为虚拟支撑腿期望零力矩点COP在z方向所受的力,三个等式右边的分子分别表示对应三条支撑腿在z方向所受的力;
步骤S22:建立各支撑腿的足端坐标和实际支撑比,与期望零力矩点坐标的函数,即:
f(xj,rj)表示自变量为xj、rj的函数,f(yj,rj)表示自变量为yj、rj的函数,其中下标j=fl,fr,hr;xj、yj表示对应支撑腿的足端x、y轴坐标;
步骤S23:基于实际支撑比和期望支撑比,建立支撑比优化目标函数;
J=f(rfl,rfr,rhr,r’fl,r’fr,r’hr) (5)
步骤S24:基于步骤S22和步骤S23,求解实际支撑比,再根据公式(3)求得三条支撑腿在z方向的力。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤S3具体包括:
步骤S31:设计各条支撑腿的水平、垂直方向实际分力为未知数,结合各条支撑腿的垂直载荷,获得水平、垂直两个方向的实际足端力之比dx、dy的计算公式,如公式(6)所示;根据各支撑腿的足端位置,即在x、y、z轴的坐标,设计水平、垂直两个方向的期望足端力之比dx’、dy’,如公式(7)所示;
步骤S32:基于各条支撑腿的实际支撑比和足端位置,以及步骤S31中设计得到的各条支撑腿在x、y、z三个方向的实际分力,建立机身在x、y方向的力矩平衡方程,以及绕z轴的力矩平衡方程,由此建立非线性方程组;
步骤S33:基于未知的实际足端力之比和已知的期望足端力之比,建立足端力之比的优化目标函数(8),联立步骤S32所建立的非线性方程组得到实际足端力之比,然后根据公式(6)求解各支撑腿在x和y方向的分力;
J'=f(dxj,dyj,d'xj,d'yj),j=fl,fr,hr (8)。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201510958848.XA CN105608268B (zh) | 2015-12-17 | 2015-12-17 | 基于优化支撑比的足式机器人足端力分配方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201510958848.XA CN105608268B (zh) | 2015-12-17 | 2015-12-17 | 基于优化支撑比的足式机器人足端力分配方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN105608268A CN105608268A (zh) | 2016-05-25 |
CN105608268B true CN105608268B (zh) | 2019-03-08 |
Family
ID=55988200
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201510958848.XA Active CN105608268B (zh) | 2015-12-17 | 2015-12-17 | 基于优化支撑比的足式机器人足端力分配方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN105608268B (zh) |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN109500821B (zh) * | 2019-01-07 | 2020-11-24 | 深圳航天科技创新研究院 | 四足机器人着地足力分配方法、装置、终端及计算机可读存储介质 |
CN111506100B (zh) * | 2020-06-15 | 2020-10-02 | 深圳市优必选科技股份有限公司 | 多足机器人关节控制方法、装置和多足机器人 |
CN114889725B (zh) * | 2022-05-17 | 2023-03-28 | 中国科学院自动化研究所 | 四足机器人的平稳支撑方法及装置 |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5936967A (en) * | 1994-10-17 | 1999-08-10 | Lucent Technologies, Inc. | Multi-channel broadband adaptation processing |
-
2015
- 2015-12-17 CN CN201510958848.XA patent/CN105608268B/zh active Active
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5936967A (en) * | 1994-10-17 | 1999-08-10 | Lucent Technologies, Inc. | Multi-channel broadband adaptation processing |
Non-Patent Citations (3)
Title |
---|
Dynamic modeling,stability and energy consumption analysis of a realistic six-legged walking robot;Shibendu Shekhar Roy 等;《Robotics and Computer-Integrated Manufacturing》;20130430;第29卷(第2期);400-416 |
四足机器人动力学模型及脚力分配的研究;王新杰 等;《华中科技大学学报(自然科学版)》;20051231;第33卷(第12期);12-15 |
四足机器人行走决策研究初探;田源木 等;《兵工学报》;20141130;第35卷;57-61 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN105608268A (zh) | 2016-05-25 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN105608268B (zh) | 基于优化支撑比的足式机器人足端力分配方法 | |
CN104270513B (zh) | 一种移动终端调节屏幕亮度的方法及装置 | |
US10007348B2 (en) | Method and system for controlling virtual camera in virtual 3D space and computer-readable recording medium | |
CN108927801A (zh) | 一种机械臂末端姿态调整方法及装置 | |
CN204046972U (zh) | 一种可调节的机柜底座 | |
WO2021217977A1 (zh) | 多机器人的协作控制方法、装置及计算机设备 | |
CN204001784U (zh) | 一种三维调节拼装胎架 | |
CN202716171U (zh) | 多自由度调节装置 | |
CN208903481U (zh) | 一种教学用展示教具 | |
CN106485007B (zh) | 一种双吊钩吊装系统的安全性计算方法和计算装置 | |
CN203936645U (zh) | 木工机械工作台 | |
CN103653783B (zh) | 折叠式组合画板桌 | |
CN103942368B (zh) | 一种激光切割机床的结构设计方法 | |
CN104544955B (zh) | 一种适用于办公环境的可调高度的工作台 | |
CN104615578B (zh) | 基于变量及数学表达式的动态几何软件的实现方法 | |
CN205336697U (zh) | 理线架 | |
CN202580529U (zh) | 一种专业显示器多方向可调节通用挂钩 | |
CN204635423U (zh) | 一种适用于办公环境的可调高度的工作台 | |
CN205217211U (zh) | 喷塑工艺中使用的喷塑工件承载装置 | |
CN104102200B (zh) | 一种基于结构与控制集成优化的分动器设计系统 | |
CN203921033U (zh) | 自行车后货架改进 | |
CN204745576U (zh) | 一种可拆卸乒乓球桌 | |
CN204397234U (zh) | 改型改制平台 | |
CN103693568A (zh) | 一种小型粮食吊装机 | |
CN109367345A (zh) | 整车姿态控制方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |