CN109635498B - 一种基于接触交互信息的多足机器人行走稳定性评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于接触交互信息的多足机器人行走稳定性评价方法，在足式机器人运动过程中，其足端与接触表面产生的三维接触反力及各足的压力分布信息，在机器人驱动和保持平衡的过程中起着重要作用，利用测试设备和系统，获得足式机器人在行走运动过程中脚掌与运动表面间的接触力变化规律及运动协调能力评估效果，对优化足式机器人的控制具有显著意义。当前，足式机器人的运动控制策略、运动机构、能源控制等是机器人领域关注的重点，大多研发机构基于目标机器人搭建针对性试验平台进行局部的功能、性能测试，鲜有涉及足式机器人整体运动性能综合评价，特别是，缺乏行走稳定性的评价方法。

Description

一种基于接触交互信息的多足机器人行走稳定性评价方法

技术领域

本发明涉及移动机器人运动性能测评的技术领域，特别涉及一种基于接触交互信息的多足机器人行走稳定性评价方法。

背景技术

多足机器人的概念最早可追溯到三国时期的“木牛流马”，国外有据可查的记载是1893年Rygg发明的机械马。此后，机器人的研发一直是各国关注的热点科研领域。机器人领域涉及的学科十分广泛，主要包括电子学、机械材料、计算机技术、自动控制技术、传感器技术等相关领域。移动机器人中履带式和轮式机器人已经在抢险救援、工厂自动化、建筑、采矿、家庭服务等行业得到广泛应用，近年来，多足移动机器人的研发、应用同样取得了长足的发展。与履带式和轮式机器人相比较而言，多足机器人具有更容易跨越较大的障碍，更灵活的应对各种不同的路况等优点。多足移动机器人因其具有良好的地形适应能力，在机器人研究领域一直备受关注。经过不断探索，近年来多足移动机器人的机构设计与控制研究等方面均得到较大发展，从单一模仿生物移动发展到具有智能控制和良好的环境感知能力，更接近生物原型的移动机器人。

多足机器人的运动稳定性能研究是该领域研究的热点和重点，良好的运动稳定性是多足机器人执行相对应的任务、拓展应用的前提条件。在多足机器人在运动过程中，其足端与接触表面产生的三维接触反力及各足的压力分布信息，在机器人驱动和平衡保持过程中起着重要作用。利用测试设备和系统，获得多足机器人在行走运动过程中脚掌与运动表面间的接触力变化规律及运动协调能力评估效果，对优化多足机器人的运动控制具有显著意义。

当前，多足机器人的运动控制策略、运动机构、能源控制等是机器人领域关注的重点，大多研发机构基于目标机器人搭建针对性试验平台进行局部的功能、性能测试，鲜有涉及多足机器人整体运动性能综合评价，特别是，缺乏行走稳定性的评价方法。

发明内容

本发明主要针对多足机器人行走稳定性综合评价，提供了一种基于接触交互信息的多足机器人稳定性评价方法。

本发明采用的技术方案为：一种基于接触交互信息的多足机器人行走稳定性评价方法，按以下步骤进行评价：

步骤(1)、将多足机器人稳定性能评估分为静态稳定性、动态稳定性两个部分；静态稳定性机器人考察静态站立T秒时，各足COP_x(即第x足压力中心)轨迹、整机COG(即重心投影)轨迹；动态稳定性考察一次行走过程中，各足运动N步的移动周期标准差、足底触地时长标准差、地面三维反力峰值标准差、地面三维反力均值标准差以及整机COP轨迹曲线的偏离度标准差5类参数；所述接触交互信息包括压力分布信息、地面三维反力信息；所述的COP轨迹曲线的偏离度，表示为行走测试过程中每步实测COP与设定COP_set的最大偏差距离；

步骤(2)、分别基于测试的COP_x、COG轨迹线长度、平均摇晃速度、包络面积，再按照偏小型半梯形分布的方法，计算静态稳定性的指标评价因子(μ_i)；

步骤(3)、基于一次行走过程中，计算每一足运动N步的移动周期标准差、足底触地时长标准差、地面三维反力峰值标准差、地面三维反力均值标准差以及整机COP轨迹曲线的偏离度，再按照偏小型半梯形分布的方法，计算动态稳定性的指标评价因子

步骤(4)、将各静态稳定性指标因子(μ_i)、动态稳定性的指标评价因子

根据应用场景，分别确定各指标因子的相对重要性进行标度赋值，计算各因子的权重；

步骤(5)、对指标评价因子进行加权求和，作为多足机器人行走稳定性能综合评价指标。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明一种基于接触交互信息的多足机器人稳定性评价方法，根据应用要求，充分考虑了静态站立时的重心稳定性、行走过程的每一足的运动学和动力学指标的周期性，可以直观反映多足机器人行走过程中的与环境交互的运动力学特点，可以为多足机器人的运动控制提供设计依据和反馈参考。

(2)本发明一种基于接触交互信息的多足机器人稳定性评价方法，依据多足机器人行走过程中与环境力交互的综合测试，反应了机器人的姿态控制能力，可用于分析其对环境的适应能力，有益于对多足机器人进行性能改进。

附图说明

图1是本发明的一种测试装置示意图，其中，1为压力分布传感器，2为多维力传感器，3为运动传输带；

图2是本发明一种基于接触交互信息的多足机器人行走稳定性评价方法总体流程图；

图3为本发明指标因子评价赋值示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

图1是本发明一种测试装置示意图。该装置用于获取多足机器人站立、行走过程中的接触交互信息，包括足底压力分布信息、支撑面多维反作用力。该装置包括压力分布传感器1，多维力传感器2和运动传输带3。

图2是本发明一种基于接触交互信息的多足机器人行走稳定性评价方法总体流程图。

第一步：静态稳定性测试：多足机器人站立在测试装置上并维持T秒，获取压力分布传感器1、多维力传感器2的感知信息。

首先，分别计算各采样时刻、每足的压力中心COP_x坐标、整机重心投影COG的坐标；

然后，计算T秒内COP_x、COG轨迹线长度、COP_x、COG点平均摇晃速度、轨迹线包络面积；

再次，参考图3指标因子评价赋值示意图，针对第i个参数，设定最小接受阈值r_i、最大接受阈值R_i，计算该参数的评价因子：

其中μ_i为静态稳定测试场景下第i个参数的评价因子，x_i为第i个参数的测试值，r_i为最小接受阈值，R_i为最大接受阈值。

第二步：动态稳定性测试：多足机器人匀速行走N步，获取压力分布传感器、多维力传感器的感知信息。

首先，计算每一足运动N步的移动周期、足底触地时长、地面三维反力峰值、地面三维反力均值以及整机COG轨迹曲线；

然后，计算移动周期、足底触地时长、地面三维反力峰值、地面三维反力均值的标准差以及整机COG轨迹曲线与设定COG的偏离程度；

再次，参考图3指标因子评价赋值示意图，针对第i个参数，设定最小接受阈值r_i、最大接受阈值R_i，计算该参数的评价因子：

其中，

为动态稳定测试场景下第i个参数的评价因子，x_i为第i个参数的测试值，r_i为最小接受阈值，R_i为最大接受阈值。

第三步：将各静态稳定性指标因子(μ_i)、动态稳定性的指标评价因子

根据应用场景，确定各指标因子的相对重要性进行标度赋值，并计算权重：

(1)分别对静态稳定性指标因子(μ_i)、动态稳定性的指标评价因子

构造重要性判断矩阵：

其中，U_ij表示指标i、j之间的重要性比较标度赋值，

当i＝j时，U_ij＝1；表1是一种重要性比较标度赋值参考。

表1重要性比较标度赋值参考表

U<sub>ij</sub>取值	重要性比较
		1	i、j具有同等重要性
3	i比j的重要性稍强
		5	i比j的重要性明显
7	i比j的重要性显著
		9	I比j的重要性极端
2，4，6，8	i、j之间重要性比较在上述描述之间
		相应上述数的倒数	一个因素比另一个因素不重要的上述描述

(2)按下述方法计算每个静态稳定性指标因子(μ_i)、动态稳定性的指标评价因子

的权重：

首先，对判断矩阵J按列规范化：

然后，按行相加得到和向量：

再将得到的和向量正规化即得到权重向量：

转置得W＝(ω₁，ω₂，…，ω_n)^T即为所求的权重向量；

第四步：最后，对指标评价因子进行加权求和，作为多足机器人行走稳定性能综合评价指标。

其中，Score为综合性能评价指标，N、M分别为静态测试场景下和动态测试场景下的评价指标参数的数量，γ₁为静态稳定性所属权重，γ₂为动态稳定性所属权重，且满足γ₁+γ₂＝1，ω_i和μ_i分别为静态测试场景下第i个参数所属权重和评价因子，ω_j和

分别为动态测试场景下第j个参数所属权重和评价因子，ω_i和ω_j分别满足

本发明可由本领域的技术人员在不脱离本发明的精神的前提下作出若干修改，但所作的修改仍是在本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于接触交互信息的多足机器人行走稳定性评价方法，其特征在于：按以下步骤进行评价：

步骤(1)、将多足机器人稳定性能评估分为静态稳定性、动态稳定性两个部分；静态稳定性考察机器人静态站立T秒时，各足COP_x(即第x足压力中心)轨迹、整机COG(即重心投影)轨迹；动态稳定性考察一次行走过程中，各足运动N步的移动周期标准差、足底触地时长标准差、地面三维反力峰值标准差、地面三维反力均值标准差以及整机COP轨迹曲线的偏离度标准差5类参数；所述接触交互信息包括足底压力分布信息、地面三维反力信息；所述的COP轨迹曲线的偏离度，表示为行走测试过程中每步实测COP与设定COP_set的最大偏差距离；

步骤(2)、分别基于测试的COP_x、COG轨迹线长度、COP_x、COG点平均摇晃速度、包络面积，再按照偏小型半梯形分布的方法，计算静态稳定性的指标评价因子(μ_i)；

步骤(3)、基于一次行走过程，计算每一足运动N步的移动周期标准差、足底触地时长标准差、地面三维反力峰值标准差、地面三维反力均值标准差以及整机COP轨迹曲线的偏离度，再按照偏小型半梯形分布的方法，计算动态稳定性的指标评价因子

步骤(4)、将各静态稳定性指标因子(μ_i)、动态稳定性的指标评价因子

根据应用场景，确定各指标因子的相对重要性进行标度赋值，计算各因子的权重；

步骤(5)、对指标评价因子进行加权求和，作为多足机器人行走稳定性能综合评价指标。

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