CN109324624A - 一种基于可操作度分析的崎岖地形六足机器人操纵方法 - Google Patents

Abstract

一种基于可操作度分析的崎岖地形六足机器人操纵方法。为解决六足机器人通过崎岖地形过程中产生的灵活性降低的问题。本发明实现方式可归纳为，六足机器人以二步态通过崎岖地形，位姿产生变化，当变化后的位姿不满足约束条件时，通过当前时刻支撑腿各关节角度计算符合约束条件的理想位姿，并计算两个位姿的偏差，建立虚拟悬挂模型将位姿偏差转换维力和力矩，通过力反馈操纵杆将力和力矩反馈给操纵者，操纵者参考力和力矩调整六足机器人位姿。本发明应用于六足机器人。

Description

一种基于可操作度分析的崎岖地形六足机器人操纵方法

技术领域：

本发明涉及一种基于可操作度分析的崎岖地形六足机器人操纵方法。

背景技术：

近年来，六足机器人一直是足式机器人中研究的热点，六足机器人行对于双足机器人和四足机器人有着更高的稳定性，同时也有着比轮式机器人更好的环境适应性。多足支撑可以保证行走过程中不容易失稳，冗余多自由度结构也可以保证完成大多数复杂地形条件下的行走。灵活性作为机器人的重要性质并不受到众多研究学者的重视，过往的研究中往往因为保证稳定性而使灵活性降低，这样便使得机器人运动过程变得缓慢且应急调整能力大大降低。对于大多数的机器人，半自主的控制方式仍然是机器人控制的主流。因此，一种保证稳定前提的提高灵活性的机器人操纵方法变得十分重要。

发明内容：

本发明的目的是提供一种基于可操作度分析的崎岖地形六足机器人操纵方法。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种基于可操作度分析的崎岖地形六足机器人操纵方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：六足机器人以二步态通过崎岖地形，位姿发生变化，操纵者参考位姿偏差对机器人位姿进行调整；

步骤2：根据可操作度分析结果解得六足机器人灵活性最佳的位姿作为最优位姿，再根据足端位置求解各关节角度与当前位姿，判断该状态下各关节角度是否满足约束条件(1)，若满足，则无需调整，若不满足，则进行步骤3；

步骤3：判断最优位姿是否满足约束条件(1)和约束条件(2)，若满足，直接进行步骤4，如不满足，则重新求解最优位姿再进行步骤4；

步骤4：计算当前位姿与最优位姿的差作为位姿偏差，建立虚拟悬挂模型，将位姿偏差的距离和角度转化为相应的力和力矩，并通过力反馈操纵杆反馈给操纵者；

步骤5：操纵者以操纵杆反馈的力为参考，移动操纵杆调整位姿，从而使得机器人在运动过程始终维持灵活性较高的状态。

所述的基于可操作度分析的崎岖地形六足机器人操纵方法，该方法涉及的求解位姿方法包括：

通过机器人单腿运动学分析求得雅可比矩阵，利用雅可比矩阵求解可操作度表达式，通过可操作度分析结果确定六足机器人灵活性最优位姿对应关节角度，同时求得机体坐标系足端位置；

已知世界坐标系足端位置和机体坐标系足端位置条件下，利用机体运动学求得机器人位姿。

所述的基于可操作度分析的崎岖地形六足机器人操纵方法，该方法涉及的约束条件包括：

约束条件(1)

通过安装在机器人腿部关节的传感器可获得机体位置和足端位置，并通过逆运动学计算出机器人腿部关节角度，再通过可操作度分析结果规定机器人高灵活性对应关节角度范围，若腿部关节角度满足关节角度范围，则位姿满足约束条件(1)，反之不满足约束条件(1)；

约束条件(2)

定义SM为质心在支撑平面上的投影到支撑多边形距离的最小值，并作为稳定裕度表示机器人稳定性，当六足机器人SM>0时满足约束条件(2)，反之不满足约束条件(2)。

本发明的有益效果：

1.本发明针对六足机器人通过崎岖地形的灵活性问题，提出一种基于可操作度分析的操纵方法，通过建立六足机器人运动学模型，获得了六足机器人单腿速度的雅可比矩阵，得到了单腿可操作度与关节转角的关系；建立驾驶员操纵模型，并且结合六足机器人的稳定裕度制定操纵策略，通过修正机体位姿的方式提高了六足机器人通过崎岖地形的灵活性；通过实物力反馈设备提供力和力矩，辅助驾驶员完成位姿修正；利用多体动力学软件搭建的半物理仿真实验平台进行仿真，通过对比有无操纵方法的仿真结果，证明了基于可操作度分析的崎岖地形六足机器人操纵方法在不影响机器人稳定运动的前提下提高了通过崎岖地形的灵活性。

2.本发明通过对六足机器人单腿可操作度进行计算，得到可操作度的解析表达式，同时通过分析可操作度随关节转角变化规律。确定灵活性最优位型，选取最优转角区间作为约束范围，同时结合稳定裕度的分析，以保证在稳定条件下尽可能提高灵活性，提出一种操纵方法，由驾驶员操纵六足机器人，完成行走过程中六足机器人的位姿调整。

3.本发明通过对六足机器人进行运动学建模，求得其雅可比矩阵和单腿可操作度，并以此讨论机体可操作度结合可操作度和稳定性提出一种操纵策略，并通过力反馈设备辅助完成对机器人的操纵过程，采用该操纵方法可以明显提高机器人运动中的灵活性。

附图说明：

附图1是本发明的六足机器人构型示意图；

附图2时位姿调整流程图；

附图3时操纵者操纵机器人位姿调整模型示意图。

具体实施方式：

实施例1：

当支撑腿足端不在同一平面时，选取1，3，5腿足端或是2，4，6腿足端构建平面，另一点为其余足端在该平面投影(三步态3、6号腿为摆动腿时选择任意三条支撑腿)。

当SM取最大值时，质心O_G在支撑平面投影O′_G即为支撑多边形最大内切圆圆心，点O′_G到支撑多边形各边垂足的向量表示为O′_m表示位姿满足约束条件(1)的机器人质心O_m在支撑平面投影，点O′_m到支撑多边形各边垂足的向

量表示为其中：

当和满足

时，SM>0。(2)、(3)、(6)步态支撑多边形，j为支撑多边形各边序号，j＝1,2,3,4,5因为稳定裕度SM>0是机器人正常行走的充分必要条件，所以约束条件(2) 优先级高于约束条件(1)，当无法同时满足约束条件(1)、(2)是，要保证位姿满足约束条件(2)。

实施例2：

机体运动学分析

由于支撑腿足端相对于地面静止，所以足端在世界坐标系下位置不变，在机体坐标系下位置发生变化，只需通过机体正运动学解算求出目标位姿便可计算目标位姿与当前位姿偏差量。

已知

由于机器人支撑状态为至少三腿支撑，当多于三腿支撑时选择二步态时的两种情况(三步态3、6号腿为摆动腿时选择任意三条支撑腿)——1，3，5支撑或2，4，6支撑建立方程，以1，3，5腿支撑为例：

设

当|B|≠0，存在

将式(8)代入式(9)可求得(фx,фy,фz,Xb,Yb,Zb)。

实施例3：

虚拟悬挂模型

本方法旨在通过力反馈设备提供的有位姿偏差决定的牵引力引导驾驶员完成操纵过程，因此需要建立虚拟悬挂模型来体现出牵引力/力矩随位姿偏差的变化。通过之前分析得知，理想位型中跟关节角α_i并未发生变化，因此其偏航并未受到影响，有Δф_zd＝0，所以在虚拟悬挂模型中只涉及5个自由度，即为机体的前后，左右，上下，俯仰和翻滚，则牵引力/力矩为：

其中F_x、F_y、F_z、M_φx、M_φy为力和力矩，k_x、k_y、k_z、k_φx、k_φy为刚度系数，C_x、C_y、C_z、C_φx、C_φy为阻尼系数。

由于复杂环境下地形环境复杂多变，需要操纵者根据实际情况控制位姿状态。因此，操纵者需要在感受反馈的牵引力同时对操纵杆施加操纵力/力矩，通过合力大小决定机器人位姿是否发生调整及调整的幅度。操纵力/力矩为F′_x、 F′_y、F′_z、M′_φx、M′_φy。则其合力/力矩为有效力/力矩：

ΔF_x＝F_x+F'_x

ΔF_y＝F_y+F'_y

ΔF_z＝F_z+F'_z

ΔM_φx＝M_φx+M'_φx

ΔM_φy＝M_φy+M'_φy

通过式(10)中力和力矩与刚度系数和阻尼系数之间的关系，可以得到位姿的实际调整量为：

由于机器人行走过程支撑腿不断交替变化，且位姿的调整过程也是动态过程，因此无法保证最终的位姿完全符合理想位姿，但同时也保证在工况允许条件下使可操作度得到了优化。

实施例4：

操纵模型

操纵模型主要是由操纵者、两个基于力反馈的操纵杆(位置操纵杆和姿态操纵杆)、运动控制计算机和六足机器人组成，其模型如图3，操纵者通过视觉和力觉同时获取位置和姿态信息。

实施例5：

单腿可操作度分析

由于六足机器人存在结构限位，因此我们规定单腿的关节活动空间为：

α∈[-45°,45°]；β∈(-45°,90°)；γ∈(0°,120°]

通过可操作度与关节角度变化规律为不同位型下单腿可操作度划分等级，并制定表格如表1所示：

表1将六足机器人单腿可操作度分为5个等级，分别为极佳、好、一般、差和极差。因此，规定可操作度等级为极佳、好和一般的角度区间为灵活区间，当各关节角处于该区间内时单腿位型为灵活位型。

Claims (3)

1.一种基于可操作度分析的崎岖地形六足机器人操纵方法，其特征是：通过可操作度分析确定灵活性最有位姿，建立虚拟悬挂模型将当前位姿与最优位姿的偏差转化成力，并通过力反馈操纵杆将力反馈给操纵者，操纵者参考力的大小方向进行位姿的调节。

2.根据权利要求1所述的一种基于可操作度分析的崎岖地形六足机器人操纵方法，其特征是：该方法包括如下步骤：

步骤1：六足机器人以二步态通过崎岖地形，位姿发生变化，操纵者参考位姿偏差对机器人位姿进行调整；

步骤2：根据可操作度分析结果解得六足机器人灵活性最佳的位姿作为最优位姿，再根据足端位置求解各关节角度与当前位姿，判断该状态下各关节角度是否满足约束条件(1)，若满足，则无需调整，若不满足，则进行步骤3；

步骤3：判断最优位姿是否满足约束条件(1)和约束条件(2)，若满足，直接进行步骤4，如不满足，则重新求解最优位姿再进行步骤4；

步骤4：计算当前位姿与最优位姿的差作为位姿偏差，建立虚拟悬挂模型，将位姿偏差的距离和角度转化为相应的力和力矩，并通过力反馈操纵杆反馈给操纵者；

步骤5：操纵者以操纵杆反馈的力为参考，移动操纵杆调整位姿，从而使得机器人在运动过程始终维持灵活性较高的状态。

3.根据权利要求1、2所述的基于可操作度分析的崎岖地形六足机器人操纵方法，其特征是，步骤2、3中的约束条件有两部分，包括：约束条件(1)

通过安装在机器人腿部关节的传感器可获得机体位置和足端位置，并通过逆运动学计算出机器人腿部关节角度，再通过可操作度分析结果规定机器人高灵活性对应关节角度范围，若腿部关节角度满足关节角度范围，则位姿满足约束条件(1)，反之不满足约束条件(1)；

约束条件(2)

定义SM为质心在支撑平面上的投影到支撑多边形距离的最小值，并作为稳定裕度表示机器人稳定性，当六足机器人SM>0时满足约束条件(2)，反之不满足约束条件(2)。