CN114859947A - 一种基于倾翻性能指数分析的六足机器人容错步态规划方法 - Google Patents

Abstract

一种基于倾翻性能指数分析的六足机器人容错步态规划方法，是为了解决六足机器人在复杂环境下易发生腿部缺失的问题。本发明基于机器人稳定裕度对单腿或多腿缺失的六足机器人进行容错步态规划与步态切换，并对单腿缺失的六足机器人进行最小倾翻角求解，以此为依据对机器人容错步态进行稳定性判定，采用倾翻性能指数作为衡量稳定性的指标，对容错步态进行最优选择。本发明应用于六足机器人腿部缺失的容错步态控制方法。

Description

一种基于倾翻性能指数分析的六足机器人容错步态规划方法

技术领域：

本发明属于足式机器人容错控制技术领域，涉及一种基于倾翻性能指数分析的六足机器人容错步态规划方法。

背景技术：

在众多步行机器人中，模仿昆虫以及其他节肢动物的肢体结构和运动控制策略而创造出的六足机器人是极具代表性的一种。六足机器人具有控制结构相对简单、行走平稳、肢体冗余、能够适应复杂地形等特点，这些特点使六足机器人更能胜任野外侦查、太空探测等对稳定性、可靠性要求比较高的工作。因为六足机器人主要工作的场景为非结构化、不确定的环境，所以时常导致六足机器人出现腿部关节故障或者腿部缺失，传统的步态如三角步态，四足步态等难以使得腿部故障或者腿部缺失的六足机器人继续行走，而波动步态则会大大减慢机器人的行进效率，而且，传统的人工维修在如地震，核等高危环境中是无法进行的，很可能会造成任务失败或者工程损失，不仅如此，如果机器人不能及时脱离险境，还会给使用者带来不小的经济损失，本文基于倾翻性能指数对腿部故障和缺失的六足机器人提出了相应的步态规划策略。

发明内容：

本发明的目的是提供一种基于倾翻性能指数分析的六足机器人容错步态规划方法，上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种基于倾翻性能指数分析的六足机器人容错步态规划方法，该方法包括如下步骤：

(1)改进ZMP算法：

由于六足机器人单腿失效后稳定性较差，为保证机器人机器人稳定行走，对ZMP法进行改进，建立缩小系数γ，使重心投影里支撑边沿需大于一定距离，以A₄号腿失效为例，依据几何关系，机器人前侧稳定裕度由A₁、A₂、A₅号足确定，而后侧稳定裕度由A₂、A₃、A₅、A₆号足确定，如图1所示。如果机器人当前的稳定状态S为(s₁,s₂,s₃,s₅,s₆)，s_i取0表示低i足处于摆动相，取1表示i足处于支撑相，(x_i,y_i)为第i条腿的坐标，则机器人的前侧稳定裕度S_mf和后侧稳定裕度S_mb可分别由式(1)、(2)求得。

(2)步态规划：

基于机器人稳定裕度对单腿或多腿缺失的六足机器人进行容错步态规划，本文以缺失A₄腿的六足机器人为例，基于机器人的稳定裕度，规划容错步态，如表1所示。

表1A₄腿失效的六足机器人容错步态表

(3)稳定性分析：

由机器人正逆运动学方程可知，机器人足端坐标系与跟关节坐标系B_i间的变换矩阵为：

由此得到在跟关节坐标系B_i下机器人足端的位置为：

第i条腿的基节、股节、胫节、足端的质心位置可由式(3)和式(4)求得：

其中B_i为跟关节固定坐标系(i＝1,2,3,4,5,6)，D_i、E_i、F_i、A_i分别为第i条腿上基节、股节、胫节、足端的质心位置。由各个跟关节坐标系B_i到机器人坐标系C的变换矩阵可得，

所以单腿失效六足机器人在运动过程中，实时重心的坐标为：

把单腿失效六足机器人的实时重心作为稳定锥的顶点，稳定锥的底面是由支撑腿足端位置连线所形成的支撑多边形构成。通过正运动学算法的实时计算可以得到单腿失效六足机器人的实时足端位置；机器人实时重心可由式(13)求得。单腿失效六足机器人利用足力传感器获取的信息可以判断机器人足端是否落地，并将落足点作为稳定锥底面顶点。实时重心到稳定锥底面顶点的矢量记为P_i，相邻落足点的连线记为a_ij，机器人实时重心受到的合外力F，F在法向量

平面上的投影F_sij，F_sij到稳定锥底面边线a_ij的距离S_ij，分别如式(14)所示

其中

F_I、F_G分别表示等效惯性力和重力，F_r为所有着地脚支撑反力的合力。

最小倾翻角为所有倾翻角中的最小角度，即min(θ_i,α_ij)可由式(15)求得：

其中P_i为实时重心到落足点的矢量；θ_i为F与稳定锥棱线P_i间的夹角，即角点失稳倾翻角；α_ij为F_sij与稳定锥底边垂线S_ij的夹角，即边线失稳倾翻角；F_sij为力的垂直投影分量；S_ij为实时重心到稳定锥底面边线a_ij垂线的垂足点；j、k分别为与腿i的落足点在逆时针方向上相邻的前后落足点且i、j、k的取值为(A₁，A₂，A₃，A₄，A₅，A₆)。

(4)建立倾翻性能指数函数：

其中min(θ_i,α_ij)为最小倾翻角，由式(15)得到；

λ_i为边线倾翻时的权重计算系数，当边线失稳倾翻角较小时，权重适当增加；

ρ_i为角点倾翻时的权重计算系数，当角点失稳倾翻角较小时，此时的权重应适当增加；

ξ_i为倾翻能量的权重系数，倾翻能量权重系数需要综合考虑系统的运动方向、惯性力、摩擦力等，权重值会根据机器人实时状态进行设定。

综上,倾翻性能指数Φ表示单腿失效六足机器人在运动过程中，系统产生倾翻的危险程度。其值越大,系统就越容易倾翻；反之,其值越小,系统就越稳定。结合倾翻性能指数对A₄腿失效的六足机器人的容错步态进行评估，组合1的步态相比于其他四组步态具有很好的抗倾翻能力即稳定性最好，而组合5的步态相比于其他四组步态，抗倾翻能力最差即稳定性最差，其中，组合1的步态如图1所示。

(5)步态切换：

基于单腿缺失的六足机器人的稳定裕度，结合倾翻性能指数所评估的最优步态，在机器人重心永远在支撑多边形的情况下，提出一种从正常步态到容错步态的切换方法，如图2所示，机器人首先摆动腿A₅用来调整下一阶段支撑腿的位置，然后摆动腿A₁、A₃，使得六足机器人的足端相位与容错步态的相位重合，最后使用容错步态行走。

本发明的有益效果：

1.本发明基于机器人稳定裕度对单腿缺失的六足机器人进行容错步态规划，并以缺失A₄腿为例对容错步态进行说明，使得六足机器人在发生腿部缺失的情况下，仍然可以继续稳定行走。

2.本发明通过力学模型对六足机器人进行最小倾翻角求解，以此为依据对机器人容错步态进行稳定性判定，采用倾翻性能指数作为衡量稳定性的指标，对容错步态进行最优选择，提出了六足机器人从正常步态到容错步态的切换方法，使得在六足机器人发生腿部缺失的情况下，拥有更好的动态性能。

附图说明：

附图1是六足机器人失去A₄腿的稳定裕度图。

附图2是六足机器人失去A₄腿的容错步态示意图。

附图3是六足机器人正常步态到容错步态的步态切换示意图。

具体实施方式：

具体实施方式1：

在本发明中，我们假设地形平坦，粗糙地形的稳定性难以测量，稳定性裕度是机器人步态规划的重要因素之一。理论上，边际稳定性(重心在支撑面边界)仍然被认为是稳定的。但在实际应用中，即使机器人是完全对称的形状，但由于一些因素(例如:手动装配误差、零件材料、不平等)，机器人的重心不能与几何中心重合。因此，我们假设稳定性极限小于理论极限，故机器人的实际最大步长应略小于理论最大步长。

具体实施方式2：

六足机器人在失去单腿或不同时失去一侧的两条腿的情况下，机器人仍可以继续使用容错步态行走，而当其他缺失腿的情况发生时，由于机器人在前进时支撑腿不能构成支撑多边形，故不能继续稳定行走。

具体实施方式3：

倾翻性能指数是一种利用最小倾翻角，对相同速度的容错步态进行最优选择的算法。考虑到机器人对速度的需求，故可基于倾翻性能指数在地形平坦时选择速度快，稳定性较高的容错步态，在地形粗糙时选择速度较慢，稳定性更好的容错步态。

Claims (1)

1.一种基于倾翻性能指数分析的六足机器人容错步态规划方法，所述的方法包括如下具体步骤：

步骤一：在保证机器人重心投影始终在底面支撑多边形的情况下，建立腿部缺失的六足机器人容错步态表。

步骤二：对腿部缺失的六足机器人建模并进行最小倾翻角求解。

步骤三：以失稳倾翻角为约束条件，通过倾翻性能指数对腿部缺失后六足机器人的容错步态进行评估。

步骤四：基于稳定裕度，提出六足机器人单腿缺失后从正常步态到容错步态的切换方法。

所述步骤一包括：基于机器人稳定裕度对单腿或多腿缺失的六足机器人进行容错步态规划，定义机器人左边前中后腿分别为A₁，A₂，A₃。右边前中后腿分别为A₄，A₅，A₆，本文以缺失A₄腿的六足机器人为例。由于六足机器人单腿失效后稳定性较差，为保证机器人机器人稳定行走，对ZMP法进行改进，建立缩小系数γ，使重心投影里支撑边沿需大于一定距离，基于新的稳定裕度规划容错步态。

所述步骤二包括：把单腿失效六足机器人的实时重心作为稳定锥的顶点，稳定锥的底面是由支撑腿足端位置连线所形成的支撑多边形构成。通过正运动学算法的实时计算可以得到单腿失效六足机器人的实时足端位置以及实时重心位置。单腿失效六足机器人利用足力传感器获取的信息可以判断机器人足端是否落地，并将落足点作为稳定锥底面顶点。实时重心到稳定锥底面顶点的矢量记为P_i，相邻落足点的连线记为a_ij，机器人实时重心受到的合外力F，F在法向量

平面上的投影F_sij，F_sij到稳定锥底面边线a_ij的距离S_ij，分别如式(1)所示

其中

F_I、F_G分别表示等效惯性力和重力，F_r为所有着地脚支撑反力的合力。

最小倾翻角为所有倾翻角中的最小角度，即min(θ_i,α_ij)可由式(1)求得：

其中P_i为实时重心到落足点的矢量；θ_i为F与稳定锥棱线P_i间的夹角，即角点失稳倾翻角；α_ij为F_sij与稳定锥底边垂线S_ij的夹角，即边线失稳倾翻角；F_sij为力的垂直投影分量；S_ij为实时重心到稳定锥底面边线a_ij垂线的垂足点；j、k分别为与腿i的落足点在逆时针方向上相邻的前后落足点且i、j、k的取值为(A₁，A₂，A₃，A₄，A₅，A₆)。

所述步骤三包括：建立倾翻性能指数函数，其形式为：

其中min(θ_i,α_ij)为最小倾翻角，由式(2)得到；

λ_i为边线倾翻时的权重计算系数，当边线失稳倾翻角较小时，权重适当增加；

ρ_i为角点倾翻时的权重计算系数，当角点失稳倾翻角较小时，此时的权重应适当增加；

ξ_i为倾翻能量的权重系数，倾翻能量权重系数需要综合考虑系统的运动方向、惯性力、摩擦力等，权重值会根据机器人实时状态进行设定。

综上,倾翻性能指数Φ表示单腿失效六足机器人在运动过程中，系统产生倾翻的危险程度。其值越大,系统就越容易倾翻；反之,其值越小,系统就越稳定。

所述步骤四包括：基于单腿缺失的六足机器人的稳定裕度，结合步骤3所评估的最优步态，提出了六足机器人单腿缺失后从正常步态到容错步态的切换方法。

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