CN108897318A - 液压四足机器人动力机构负载匹配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种液压四足机器人动力机构负载匹配方法，涉及机器人squat步态规划和最优负载匹配的思想，具体方法以液压四足机器人为研究对象，运用最优负载匹配的思想，在机器人squat步态下对动力机构的负载匹配问题进行了深入研究；首先建立机器人三维模型，并进行运动学分析，获取机器人squat步态下的关节驱动函数；运用Adams软件进行机器人动力学仿真分析，获取动力机构的关节轨迹；在关节轨迹的基础上建立最优负载匹配，得到机器人动力机构的最优匹配参数，该参数用于动力机构的优化设计，以使得动力机构工作效率高、节能效果好，并且响应速度快。
Description
技术领域：
本发明涉及机器人领域，特别是涉及一种液压四足机器人动力机构负载匹配方法。
背景技术：
近年来，随着科技水平的快速发展，机器人技术日趋成熟。其中，以液压作为驱动的仿生四足机器人，具有响应快、负载大、功率密度高等特点，吸引了国内外众多研究者的目光，特别是随着美国波士顿动力公司公布了Bigdog以后，更是掀起了一场对仿生液压四足机器人研究的热潮。
在液压四足机器人领域，领头大哥波士顿动力公司虽然先后公布了几款先进的液压四足机器人，但是对于动力机构的负载匹配方法并没有对外公布，然而在国内常用的机器人动力机构负载匹配方法有：(1) 按最大功率计算；(2)按最大负载计算，用这两种方法虽然能够满足液压缸负载的需要，但是容易造成功率损失，导致能源节省及工作效率欠佳。
因此，对于先进的机器人动力机构负载匹配方法的提出迫不及待。
发明内容：
本发明的目的在于，针对上述问题，提出了一种最优负载匹配的思想，根据关节轨迹来进行负载匹配，使得动力机构的输出特性曲线和负载特性曲线之间所夹的包围面积最小，使得动力机构的效率和响应速度达到最优，用以达到节约能耗和成本的目的，是液压四足机器人领域中的关键技术。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案共分为机器人squat步态规划和最优负载匹配两大部分，具体方法以液压四足机器人为研究对象，运用最优负载匹配的思想，在机器人squat步态下对动力机构的负载匹配问题进行了深入研究，包括以下步骤：
步骤一：建立机器人三维模型，并根据机器人单腿结构简图进行运动学分析，规划机器人squat步态下的关节驱动函数，运用Adams软件结合关节驱动函数进行机器人动力学仿真分析，获取动力机构的关节轨迹；
步骤二：在关节轨迹的基础上建立最优负载匹配，得到机器人动力机构的最优匹配参数；该参数用于动力机构的优化设计，以使得动力机构工作效率高、节能效果好，并且响应速度快，达到设计的目的。
优选的，步骤一进一步包括为：
步骤一中所述机器人三维模型每条腿分别有三个主动自由度和一个被动自由度，三个主动自由度分别由三个相同型号的电液伺服作动器组成，被动自由度由弹簧组成；
步骤一中所述机器人squat步态下的关节驱动函数表示为：
q2＝arccos(K)
式中：H是足端与髋关节之间的距离，A为幅值，T为下蹲周期，l0为连杆1长度，l1为连杆2长度，l2为连杆3长度，l3为足端到坐标原点的距离。
步骤一中所述动力机构的关节轨迹包括squat步态膝关节速度曲线和力矩曲线。
优选的，步骤二进一步包括为：
步骤二中所述最优负载匹配是使动力机构的输出特性曲线能够包围负载特性曲线，并且使输出特性曲线与负载特性曲线之间的包围面积最小，使得动力机构的输出能够满足负载的需要，工作效率达到最优；
其中负载特性曲线是由关节轨迹转换而成，输出特性曲线是根据负载特性曲线进行多组的匹配而成；
步骤二中所述最优匹配参数是根据负载特性曲线和输出特性曲线组成的最优匹配图计算得出，计算公式表示为：
供油压力：
ps＝F/A
服阀空载流量为：
并由公式对活塞直径进行效验；
式中：Q0为空载流量，Cq为流量系数，pL＝0为负载力；
附图说明：
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1为液压四足机器人动力机构负载匹配方法的方案图。
图2为液压四足机器人三维模型图。
图3为液压四足机器人单腿结构简图。
图4为squat步态膝关节力矩曲线图。
图5为squat步态膝关节速度曲线图。
图6为squat步态下负载特性曲线。
图7为动力机构力-速度输出特性曲线。
图8为动力机构的负载匹配图。
图2中：5、横摆关节；6、髋关节；7、膝关节；8、作动器1；9、作动器2；10、作动器3；11、机架； 12、弹簧；
图3中：l0为连杆1长度，l1为连杆2长度，l2为连杆3长度，l3为足端到坐标原点的距离，q1为髋关节转动变量，q2为膝关节转动变量；
图8中：1、输出特性曲线1；2、输出特性曲线2；3、输出特性曲线3；4、负载特性曲线。
具体实施方式：
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
参见附图1，首先建立与分析机器人的三维模型，如图2所示机器人整机结构大致分为机架和腿部两部分。机架主要是用于负载以及连接机器人的腿部；机器人的四条腿采用了前膝后肘式结构，使得机器人在运动的过程中更加稳定，每条腿分别有三个主动自由度和一个被动自由度，这三个自由度分别由横摆关节5、髋关节6和膝关节7这三个关节组成，每个关节都有一个相同型号的电液伺服作动器来提供动力，分别是作动器1、作动器2和作动器3，被动自由度采用弹簧，用以缓冲足端的接触力，这样的结构设计，其优点在于运动关节少、运动空间大且机器人运行稳定。
参见附图1，其次进行运动学分析及squat步态规划，在分析机器人三维模型的基础上，结合图3机器人单腿简图，建立机器人运动学并进行分析，得出机器人关节变量q1和q2，在此基础上进行步态规划，并最终得出机器人关节驱动函数。
参见附图1，然后运用Adams软件结合关节驱动函数进行仿真分析，并得出机器人关节轨迹，关节轨迹如图4squat步态膝关节力矩曲线和图5squat步态膝关节速度曲线所示。
参见附图1，接着在关节轨迹的基础上建立最优负载匹配，最优负载匹配的旨意在于使得动力机构的输出特性曲线和负载特性曲线之间所夹的包围面积最小，其中负载特性曲线是由关节轨迹转换而成如图6 所示，输出特性曲线是根据负载特性曲线规划而成如图7所示，并最终建立了最优负载匹配模型如图8所示，为了更具有说服性，该模型使用输出特性曲线曲线1、2、3分别与负载特性曲线4相交、相切、相离，曲线1、2、3分别代表着一个伺服阀，曲线2远离曲线4说明伺服阀2提供的流量远远超过负载的需要，造成功率损失，因此，不符合要求；曲线3与曲线4相交，说明伺服阀2提供的流量不能满足负载的需要，因此，也不符合要求；曲线1为经过多组匹配选定好的最优曲线，如图所示与曲线4正好相切，既能满足负载的需要，包围面积又最小，因此，曲线1为目标曲线。
参见附图1，最后通过最优负载匹配模型并结合计算公式得出最优匹配参数，该参数用于动力机构的优化设计，以使得动力机构工作效率高、节能效果好，并且响应速度快，以达到本发明的目的。
Claims (6)
1.一种液压四足机器人动力机构负载匹配方法，涉及机器人squat步态规划和最优负载匹配的思想，具体方法以液压四足机器人为研究对象，运用最优负载匹配的思想，在机器人squat步态下对动力机构的负载匹配问题进行了深入研究，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：建立机器人三维模型，并根据机器人单腿结构简图进行运动学分析，规划机器人squat步态下的关节驱动函数，运用Adams软件结合关节驱动函数进行机器人动力学仿真分析，获取动力机构的关节轨迹；
步骤二：在关节轨迹的基础上建立最优负载匹配，得到机器人动力机构的最优匹配参数；通过AMEsim软件结合最优匹配参数进行仿真效验。
2.根据权利要求1所述的一种液压四足机器人动力机构负载匹配方法，其特征在于：步骤一中所述机器人三维模型每条腿分别有三个主动自由度和一个被动自由度，三个主动自由度分别由三个相同型号的电液伺服作动器组成，被动自由度由弹簧组成。
3.根据权利要求1所述的一种液压四足机器人动力机构负载匹配方法，其特征在于：步骤一中所述机器人squat步态下的关节驱动函数表示为：
q2＝arccos(K)
式中：H是足端与髋关节之间的距离，A为幅值，T为下蹲周期，l0为连杆1长度，l1为连杆2长度，l2为连杆3长度，l3为足端到坐标原点的距离。
4.根据权利要求1所述的一种液压四足机器人动力机构负载匹配方法，其特征在于：步骤一中所述动力机构的关节轨迹包括squat步态膝关节速度曲线和力矩曲线。
5.根据权利要求1所述的一种液压四足机器人动力机构负载匹配方法，其特征在于：步骤二中所述最优负载匹配实质上是使动力机构的输出特性曲线能够包围负载特性曲线，并且使输出特性曲线与负载轨迹之间的包围面积最小，使得动力机构的输出能够满足负载的需要，工作效率达到最优；
其中负载特性曲线是由关节轨迹转换而成，最终的输出特性曲线是根据负载特性曲线进行多组的匹配而成。
6.根据权利要求1所述的一种液压四足机器人动力机构负载匹配方法，其特征在于：步骤二中所述最优匹配参数是根据负载特性曲线和输出特性曲线组成的最优匹配图计算得出，计算公式表示为：
供油压力：
ps＝F/A
服阀空载流量为：
并由公式对活塞直径进行效验。
式中：Q0为空载流量，Cq为流量系数，pL＝0为负载力。
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