RO125970B1 - Metodă şi dispozitiv pentru controlul dinamic al unui robot păşitor - Google Patents

Description

Invenția se referă la o metodă și un dispozitiv de control dinamic al roboților pășitori, destinat controlului hibrid, în timp real, al poziției traiectoriei de mișcare al vârfurilor și articulațiilor picioarelor robotului, forțelor de reacțiune și al dinamicii mersului roboților pășitori, în vederea creșterii stabilității deplasării acestora pe terenuri plane, cu obstacole sau denivelate, la viteze de mers constante sau variabile și sarcini variabile, cu aplicații în transportul de materiale nucleare, în activități agricole de însămânțare, prășire, aplicații militare în detectarea minelor, experimente selenare și, în general, aplicații pe terenuri neregulate, greu accesibile.

Pentru controlul dinamic al roboților pășitori sunt cunoscute mai multe metode și dispozitive în care unele tratează numai controlul hibrid poziție-forță al roboților, iar altele controlul dinamicii mersului roboților umanoizi. Referitor la controlul hibrid forță-poziție, este cunoscută metoda numită „adaptarea poziției propusă de Whitney. Este o metodă simplă în care forța de contact este folosită pentru a modifica traiectoria poziției de referință a efectuatorului final al robotului. Controlul hibrid poziție-forță, dezvoltată de Raibert, Craig și Manșon, asigură controlul în forță și poziție, atunci când robotul interacționează cu mediul înconjurător, prin descompunerea în „sub-spațiu de poziție și „sub-spațiu de forță. Controlul mișcării de rezistență la arcuire, care este în esență control de forță implicit bazat pe poziție, a fost aplicat de Lawrence și Stoughton (1987) și Kazerooni, Waibel, și Kim (1990). Salisbury (1980) a prezentat o metodă de control activ a rigidității aparente a efectuatorului final al robotului în spațiu cartezian. Pentru aceasta, s-au dezvoltat controlere adaptive și neliniare de forță și rezistență la arcuire ce posedă stabilitate superioară și performanță îmbunătățită, în comparație cu controlerele convenționale liniare cu amplificare fixă. Controlerele adaptive fac uz de abordarea controlului adaptiv având ca model de referință Lyapunov (MRAC), în timp ce controlerele neliniare folosesc criteriul de stabilitate Popov, pentru a asigura stabilitate în circuit închis. Controlul impedanței, introdusă de Hogan și Karen, care stabilește o relație dinamică dorită între poziția efectuatorului final al robotului și forța de contact, a fost continuată de Pelletier și Daneshmend, respectiv Lacky și Hsia. Pelletier și Daneshmend prezintă o schemă a unui dispozitiv de control adaptiv pentru a compensa variațiile rigidității mediului în timpul mișcării, utilizând dispozitivul de control al atenuării. Lasky și Hsia descriu un sistem al unui dispozitiv de control constând într-un dispozitiv de control convențional al impedanței în bucla interioară și un dispozitiv de control de modificare a traiectoriei în bucla exterioară pentru urmărirea forței. Chan dezvoltă o schemă a unui dispozitiv de control cu structură variabilă pentru dispozitivul de control al impedanței rezistente în prezența incertitudinilor parametrilor și a perturbărilor externe; însă această strategie necesită cunoașterea exactă a locației și rigidității mediului pentru a defini controlul forței. Sunt cunoscute mai multe metode/ strategia de control a dinamicii mersului roboților umanoizi, care se bazează pe generarea modelului de mers luând în considerare traiectoria punctului stabil de moment zero (PMZ) și asigură stabilitatea (echilibrul) robotului prin bucle de control în timp real. Deoarece traiectoria reală ZMP este diferită de traiectoria ZMP dorită, datorită unor perturbări, cum ar fi denivelările suprafeței, erorile senzoriale și modelul dinamic imperfect al robotului umanoid, se cer mai multe sisteme de control bazate pe feedback-urile senzoriale. Yamaguchi a studiat generarea online a modelului mersului care să asigure controlul stabilității robotului folosind mișcarea părții superioare a robotului umanoid, bazată pe informații PMZ. Kajita (Proceedings of Conference on Robotics and Automation, Taipei, 2003, pp. 1620-1626) a introdus o metodă a generării modelului mersului folosind sisteme de control PMZ pentru generarea de noi referințe. Kagami (Proceedings of IEEE Internațional Conference on Intelligent Robots and Systems, Lausanne, 2002, pp. 2557-2562) a folosit o metodă de control compliantă a platformei robot pentru a urmări o traiectorie ZMP dată.

RO 125970 Β1

Dezavantajele acestor soluții constau în faptul că nu fac o tratare completă a contro- 1 Iu lui roboților pășitori care să includă atât controlul hibrid poziție-forță, cât și controlul dinamicii mișcării acestora. Mai mult, metodele de control dinamic se limitează la roboții umanoizi. 3 Problema pe care o rezolvă invenția este că asigură un control complex al dinamicii roboților pășitori, respectiv controlul hibrid, în timp real, a poziției traiectoriei de mișcare al 5 vârfurilor și articulațiilor picioarelor robotului, forțelor de reacțiune și controlul dinamicii mersului roboților pășitori în scopul creșterii stabilității deplasării și mobilității. 7

Metoda conform invenției înlătură dezavantajele menționate mai sus prin aceea că, pentru controlul hibrid, în timp real, al poziției traiectoriei de mișcare a vârfurilor și articulațiilor 9 picioarelor unui robot pășitor, se calculează:

i) eroarea datorată componentei de poziție pe axele de libertate robot corespunză- 11 toare articulațiilor picioarelor robotului, care se obține prin înmulțirea matricei erorii de poziție în spațiul de mișcare al robotului, datorate diferenței între traiectoria dorită și traiectoria reală, 13 determinată prin măsurarea semnalelor de poziție primite de la articulațiile picioarelor robotului aplicate matricei rezultate din cinematica directă a structurii mecanice robot, cu valorile 15 matricei cinematice inverse a structurii mecanice robot, valori matriciale obținute la rândul lorîntr-un proces simultan cu cel al determinării matricei erorii de poziție în spațiul robot prin 17 procesarea matricei Jacobiene cu valorile reale primite de la articulațiile picioarelor robotului, triangularizarea matricei astfel determinate și realizarea substituției inverse; 19 ii) eroarea datorată componentelor de forță pe axele de libertate robot, corespunză- toare articulațiilor picioarelor robotului, care se obține prin înmulțirea între matricea erorii de 21 poziție în spațiul de mișcare al robotului datorate forței, determinată ca diferența de mișcare între deviația poziției curente, măsurată de sistemul de comandă care generează deviația 23 de poziție pentru axele controlate în forță și deviația în poziție datorată forței reziduale dorite, determinată ca înmulțire între rigiditatea fizică a fiecărui segment de picior corespunzător 25 articulației și forței reziduale dorite pe fiecare axă de libertate a robotului, cu valorile matricei cinematice inverse a structurii mecanice robot, valori matriciale obținute la rândul lorîntr-un 27 proces simultan, cu cel al determinării matricei erorii de poziție în spațiul robot datorate forței, prin procesarea matricei Jacobiene cu valorile reale primite de la articulațiile picioarelor 29 robotului, triangularizarea matricei astfel determinate și realizarea substituției inverse, la care se adaugă erorile determinate prin aplicarea unor strategii de control ale unui mers dinamic 31 stabil al robotului pășitor, cum ar fi:

iii) eroarea rezultată din strategia de control a amortizării la pășirea robotului în faza 33 de suport unic, prin modelarea mișcării robotului cu ecuația unui pendul simplu inversat cu o articulație în fază cu un unic suport, care se opune forțelor de amortizare ale articulației 35 piciorului;

iv) eroarea rezultată din strategia de control de compensare a punctului de moment 37 zero, într-o singură fază, cea de suport unic, datorată mișcării platformei înainte și înapoi conform dinamicii punctului de moment zero, care constă în modelarea matematică a 39 mișcării unui compensator a momentului de punct zero cu ecuația unui pendul simplu inversat; 41

v) eroarea rezultată din strategia de control al orientării la aterizare, obținut prin diferența între unghiul de referință al articulației piciorului și unghiul de referință compensat 43 al articulației piciorului, calculat prin integrarea cuplului măsurat pe întreaga durată a pășirii cu o constantă de timp dată de coeficientul de amortizare la aterizare și rigiditatea pășirii; 45 vi) eroarea rezultată din strategia de control amplitudine balans platformă pentru a muta punctul de moment zero, corectat prin măsurarea punctului de moment zero în timpul 47 fiecărui ciclu de mers, realizată prin modelarea amplitudinii balansului lateral al platformei

RO 125970 Β1 printr-un pendul invers și obținută printr-un algoritm de compensare a poziției picioarelor care au contact cu solul, astfel încât amplitudinea punctului de moment zero actual (măsurată) să poată converge spre punctul de moment zero mediu de referință;

vii) eroarea rezultată din strategia de control de rotire/avans platformă care permite ca poziția centrală a platformei să se mute în direcția opusă față de partea înclinată pe planul transversal, astfel încât mișcările de legănare să poată fi bine balansate, cu obținerea vectorului de poziție al platformei printr-o relație iterativă de integrare a vectorului erorilor unghiulare ale platformei între fazele de suport unic, amplificat cu un coeficient de câștig determinat experimental;

viii) eroarea rezultată din strategia de control al poziției de aterizare constă în generarea unor mișcări probabile ale robotului prin prelucrarea unor mișcări anterioare, cu rolul de a evita mișcările anormale, ce are ca scop pășirea spre direcția de cădere, printr-o mișcare de torsiune a platformei, obținută prin suprapunerea unei legi de mișcare determinate experimental pe mișcarea normală în jurul axei z a piciorului robotului, în care vectorul de poziție al piciorului în faza de aterizare se determină ca o relație iterativă prin adăugarea la vectorul prescris a poziției de aterizare a unui vector de eroare, obținut prin înmulțirea cu un factor de amplificare între vitezele unghiulare medii și vitezele unghiulare stabile a mișcării de avans, respectiv de torsiune;

ix) eroarea rezultată din strategia de control al aplecării peste marginea de siguranță a robotului, care constă în anticiparea mișcărilor robotului în baza unor informații experimentale statistice, cu respectarea marginilor de stabilitate, prevenirea condițiilor anormale și procesarea unor mișcări adiționale, pentru evitarea acestor instabilități care pot conduce la răsturnarea robotului în cazul deplasării pe un teren denivelat sau existenței unor forțe externe, și permite determinarea în timp real a depășirii marginilor de înclinare spre interior, respectiv exterior, prin integrări iterative ale unghiului de rotire în mișcarea de torsiune a platformei pe o durată x de la startul începerii fiecărei faze de mers, iar dacă are loc depășirea marginilor de înclinare, unghiul de rotire al articulației piciorului este compensat printr-un algoritm predefinit în funcție de valoarea unghiului de rotire în mișcarea de torsiune a platformei, în care unele semnale de eroare sunt controlate digital cu multiplexarea lor după două strategii de control, astfel:

x) controlul la detecția unui pas de mișcare robot, în care, la detectarea atingerii pământului de către piciorul robotului în fazele de dublu suport, pentru o atingere fără șocuri, are loc multiplexarea semnalului de eroare rezultat din strategia de control a amortizării și semnalul de eroare rezultat din strategia de control de compensare a punctului de moment zero cu semnalul de eroare rezultat din strategia de control a orientării la aterizare, conform etapelor din modulul programator de strategii;

xi) controlul repetabilității la aterizare, care evită instabilitățile mișcării robotului la aterizare, prin generarea unui semnal de blocare a schemei de mers dacă piciorul nu ia contact cu pământul la sfârșitul fazelor de suport unic, cu întreruperea semnalului de referință poziție furnizat de generatorul de mers și oprirea comenzii de mișcare a piciorului până când acesta, în virtutea inerției, ia contact cu pământul, la care se adaugă două programe:

xii) un programator de strategii al momentelor acționării fiecărei strategii de control raportate la 4 etape ale unui pas complet al robotului pășitor, cu funcțiile: în etapa 1 se realizează controlul amortizării, controlul compensării punctului de moment zero și controlul aplecării peste marginea de siguranță; în etapa 2, în faza de suport unic, are loc controlul amortizării, controlul compensării punctului de moment zero și controlul poziției de aterizare; în etapa 2, în faza de dublu suport, are loc controlul orientării la aterizare, controlul ajustării

RO 125970 Β1 periodice a amplitudinii balansului lateral a platformei, controlul de rotire/avans platformă și 1 controlul poziției de aterizare; etapa 3 care corespunde etapei 1 și etapa 4 care corespunde etapei 2, din punct de vedere al strategiilor de control active, cu menținerea continuă a 3 semnalelor de eroare datorate componentei de poziție și componentei de forță;

xiii) un program de generare a schemei de mers a robotului pășitor generează un 5 semnal de referință forță, f_ref, și un semnal a poziției de referință (dorită), X_D, conform strategiei de control de rotire/avans platformă și strategiei de control amplitudine balans platformă, 7 precum și al unui portofoliu de programe cu scheme de mers predefinit, cum ar fi mersul tripod la un robot pășitor hexapod, mersul pas cu pas; 9 xiv) astfel că, în final, prin procesarea semnalelorde eroare utilizând fuziunea semnalelor rezultate din programatorul de strategii sau controlul fuzzy, se obține semnalul de 11 eroare pentru comanda actuatoarelor structurii robotului pășitor pe fiecare axă de mișcare.

Dispozitivul conform invenției înlătură dezavantajele menționate prin aceea că, pentru 13 controlul hibrid, în timp real, al poziției traiectoriei de mișcare a vârfurilor și articulațiilor picioarelor unui robot pășitor, acesta este alcătuit dintr-un complex de module care au ca 15 scop generarea, în timp real, a unui semnal de eroare pe axele robot e_n pe fiecare grad de libertate al robotului pășitor RP, pentru controlul actuatoarelor, care să țină cont de strategiile 17 de control ale componentei de poziție, componentei de forță și componentelor controlului dinamic cu scopul creșterii stabilității roboților pășitori: 19

- un modul programator de strategii MPS primește câte un semnal pe fiecare grad de libertate al robotului pentru semnalele de eroare ale componentelor de poziție ΔΘ_Ρ de la 21 modulul de substituție inversă a poziției MSIP și semnale de eroare ale componentei de forță ΔΘ_Ρ de la modulul de substituție inversă a forței MSIF, un semnal de control supra-a pleca re 23

SCSA de la modulul de control mișcare predictibilă CMP și un semnal control balans multiplexat 2SCBMx de la modulul cu control digital cu multiplexare MUX, transmite la ieșire 25 un semnal de eroare de etapă SEE, și stabilește momentele acționării fiecărei strategii de control raportate la 4 etape ale unui pas complet de robot pășitor, conform funcțiilor din 27 metoda de control din prezenta invenție;

- un modul de fuziune semnale sau fuzzy control MFSFC primește un semnal de 29 eroare de etapa SEE de la modulul cu control digital cu multiplexare MUX și transmite un semnal de eroare pe axele robot e_n pe fiecare grad de libertate al robotului pășitor RP prin 31 procesarea acestuia prin metoda de fuziune a semnalelor sau prin metoda de control fuzzy;

- un modul de substituție inversă a poziției MSIP primește un semnal pe fiecare grad 33 de libertate al robotului pășitor RP corespunzător matricei triangularizate de poziție de la modulul de triangularizare matrice de poziție MTMP, care primește, la rândul său, semnalele 35 corespunzătoare matricei de poziție Jacobiene de la modulul matricei de poziție Jacobiene MMPJ.și care realizează împreună calculul matricei inverse Jacobiene, în timp real, pe toate 37 gradele de libertate ale robotului pășitor RP, un modul al matricei de poziție MMPJ, care, în funcție de etapa din pasul complet al robotului pășitor RP, generată de modulul programator 39 de strategii MPS, primește valorile corespunzătoare poziției în spațiul de mișcare al robotului pășitor RP, pe fiecare grad de libertate, de la modulul calcul cinematică directă a poziției 41 MCCDP și semnalul de control poziție aterizare SCPA de la modulul de control mișcare predictibilă CMP, calculează în timp real matricea de poziție Jacobiană și transmite aceste 43 valori la modulul de triangularizare a matricei de poziție MTMP;

- un modul sumator de poziție MSP primește valorile matricei de poziție în spațiul de 45 mișcare robot X_p, pe fiecare grad de libertate, de la modulul calcul cinematică directă a poziției MCCDP și poziția de referință (dorită) X_D corespunzătoare semnalului ISCBMx de 47 la modulul cu control digital cu multiplexare MUX, și calculează eroarea de poziție în spațiul

RO 125970 Β1 de mișcare al robotului pășitor RP ca diferența între cele două semnale de intrare, pe fiecare axă de mișcare robot, pe care o transmite la modulul matricei de selecție poziție MMSP, care, la rândul său, transmite aceste valori la modulul de substituție inversă a poziției MSIP numai pe axele pe care urmează să se asigure controlul în poziție, stabilite de modulul programator de strategii MPS;

- un modul de calcul al cinematicii directe de poziție MCCDP primește poziția pe axele robot Q_Pni de la traductoarele incrementale de poziție, pe fiecare axă n de mișcare a robotului, calculează în timp real poziția în spațiul de mișcare robot X_P, pe fiecare grad de libertate, pe care o transmite la un modul sumator de poziție MSP;

- un modul de substituție inversă a forței MSIF primește un semnal pe fiecare grad de libertate al robotului pășitor RP corespunzător matricei triangularizate de forță de la modulul de triangularizare matrice de forță MTMF, care, la rândul său, primește semnalele corespunzătoare matricei de forță Jacobiene de la modulul matricei de forță Jacobiene MMFJ, și care realizează împreună calculul matricei inverse Jacobiene, în timp real, pe toate gradele de libertate ale robotului pășitor RP, un modul al matricei de forță MMFJ, care, în funcție de etapa din pasul complet al robotului pășitor RP, generat de modulul programator de strategii MPS, primește valorile corespunzătoare forței în spațiul de mișcare al robotului pășitor RP, pe fiecare grad de libertate, de la modulul calcul cinematica directă a forței MCCDF și semnalul de control 2SCBMx de la modulul cu control digital cu multiplexare MUX, calculează în timp real matricea de forță Jacobiană și transmite aceste valori la modulul de triangularizare a matricei de forță MTMF;

- un modul sumator de forță MSF primește valorile matricei de poziție datorate forței X_F în spațiul de mișcare al robotului pășitor RP, pe fiecare grad de libertate, de la modulul calcul cinematica directă a forței MCCDF și forța de referință (dorită) X_DF de la modulul de calcul al matricei de rigiditate MCMR, și calculează eroarea de poziție datorate forței în spațiul de mișcare al robotului pășitor RP ca diferență între cele două semnale de intrare, pe fiecare axă de mișcare robot, pe care o transmite la modulul matricei de selecție forță MMSF, care, la rândul său, transmite aceste valori la modulul de substituție inversă a forței MSIF numai pe axele pe care urmează să se asigure controlul în forță stabilite de modulul programator de strategii MPS;

- un modul de calcul al cinematicii directe de poziție datorate forței MCCDF primește forțele ή din articulațiile robotului, pe fiecare axă n de mișcare a robotului, calculează în timp real poziția datorată forței în spațiul de mișcare robot X_F, pe fiecare grad de libertate, pe care o transmite la un modul sumator de forță MSF;

- un modul de calcul al matricei de rigiditate MCMR primește un semnal de referință forța f_ref de la generatorul schemei de mers GSM și generează, în timp real, un semnal al forței de referință (dorită) X_DF, determinată ca înmulțire între rigiditatea fizică a fiecărui segment de picior corespunzător articulației și forța reziduală dorită pe fiecare axă de libertate a robotului, pe care îl transmite la un modul sumator de forță MSF;

- un modul de control balans în timp real, CBTR, primește un semnal al punctului de moment zero (PMZ) de la robotul pășitor RP și de la momentele din articulațiile robotului Mj pe fiecare axă de mișcare a robotului, și, conform metodei de control din prezenta invenție, generează un semnal de control al amortizării SCA, un semnal de control de compensare a punctului de moment zero SC-PMZ și un semnal de control al orientării la aterizare SCOA la modulul cu control digital cu multiplexare MUX;

- un modul de control al schemei de mers CSM primește un semnal de la traductorul de inerție TINL care măsoară poziția unghiulară și viteza platformei, un semnal al punctului de moment zero PMZ și conform metodei de control din prezența invenție generează un semnal de control de rotire/avans platformă SCRA și un semnal de control amplitudine balans platformă SCAB la generatorul schemei de mers GSM;

RO 125970 Β1

- un modul de control al mișcării predictibile CMP primește un semnal de la traduc- 1 torul de inerție TINL și un semnal de la traductorul de înclinare TINC care măsoară înclinarea și accelerația piciorului față de terenul pe care pășește robotul, și, conform metodei de 3 control din prezenta invenție, generează un semnal de control al poziției de aterizare SCSA la un modul sumator de poziție MSP și un semnal de control al aplecării SCPA peste 5 marginea de siguranță a robotului pășitor RP la un modul al matricei de poziție MMPJ;

- un modul de generare a schemei de mers GSM primește un semnal de control de 7 rotire/avans platforma SORA și un semnal de control amplitudine balans platforma SCAB de la un modul de control al schemei de mers CSM, și, conform metodei de control din 9 prezenta invenție, precum și al unui portofoliu de programe cu scheme de mers predefinit, cum arfi mersul tripod la un robot pășitor hexapod, mersul pas cu pas, generează un semnal 11 de un semnal de referință forța f_ref la un modul de calcul al matricei de rigiditate MCMR și un semnal al poziției de referință (dorită) X_D la modulul cu control digital cu multiplexare MUX; 13

- un modul de control repetabilitate la aterizare CRA primește semnalele de forță ή de la robotul pășitor RP, pe fiecare axă de mișcare, și, conform metodei de control din pre- 15 zenta invenție, generează la modulul cu control digital cu multiplexare MUX un semnal de blocare a schemei de mers dacă piciorul nu ia contact cu pământul la sfârșitul fazelor de 17 suport unic, cu întreruperea semnalului de referință de poziție furnizat de generatorul de mers și oprirea comenzii de mișcare a piciorului, până când acesta, în virtutea inerției, ia 19 contact cu pământul;

- un modul de control la detecția unui pas de mișcare robot DPR primește semnalele 21 de forță ή de la robotul pășitor RP, pe fiecare axă de mișcare, și, conform metodei de control din prezenta invenție, generează la modulul cu control digital cu multiplexare MUX un semnal 23 la detectarea atingerii pământului de către piciorul robotului în fazele de dublu suport cu multiplexarea semnalului de eroare rezultat din strategia de control al amortizării și semnalul 25 de eroare rezultat din strategia de control de compensare a punctului de moment zero cu semnalul de eroare rezultat din strategia de control a orientării la aterizare conform etapelor 27 din modulul programator de strategii MPS;

- un modul de control digital cu multiplexare MUX primește trei semnale analogice, 29 respectiv un semnal de control al amortizării SCA, un semnal de control de compensare a punctului de moment zero SC-PMZ și un semnal de control al orientării la aterizare SCOA 31 de la un modul de control balans în timp real, CBTR, multiplexate de două semnale primite de la un modul de control repetabilitate la aterizare CRA și de la un modul de control la 33 detecția unui pas de mișcare robot DPR, iar conform programatorului de strategii MSP, generează trei semnale de control balans multiplexat ISCBMx-3SCBMx. 35

Invenția prezintă avantajele realizării unui control dinamic al roboților pășitori, prin control cvasi-simultan hibrid, în timp real, al poziției traiectoriei de mișcare a vârfurilor și arti- 37 culațiilor picioarelor robotului, forțelor de reacțiune și al dinamicii mersului roboților pășitori, cu creșterea stabilității deplasării acestora pe terenuri plane, cu obstacole sau denivelate, 39 la viteze de mers constante sau variabile și sarcini variabile, cu aplicații în transportul de materiale nucleare, în activități agricole de însămânțare, prășire, aplicații militare în detecta- 41 rea minelor, experimente selenare și, în general, aplicații pe terenuri denivelate, greu accesibile. 43

Se dă, în continuare, un exemplu de realizare a metodei și dispozitivului conform invenției, în legătură cu fig. 1, care prezintă o schemă de principiu a dispozitivului, și fig. 2, 45 care prezintă etapele unui pas complet al robotului pășitor.

RO 125970 Β1

Metoda și dispozitivul conform invenției sunt constituite din 14 strategii de control și un complex de module care au ca scop generarea, în timp real, a unui semnal de eroare pe axele robot e_n pe fiecare grad de libertate al robotului pășitor RP, pentru controlul actuatoarelor care țin cont de strategiile de control al componentei de poziție, ale componentei de forță și ale componentelor controlului dinamic cu scopul creșterii stabilității roboților pășitori.

Un modul programator de strategii MPS primește câte un semnal pe fiecare grad de libertate al robotului pentru semnalele de eroare ale componentelor de poziție ΔΘ_Ρ de la modulul de substituție inversă a poziției MSIP și semnale de eroare ale componentei de forță ΔΘ_Ρ de la modulul de substituție inversă a forței MSIF, un semnal de control supra-aplecare SCSA de la modulul de control mișcare predictibilă CMP, un semnal control balans multiplexat 2SCBMx de la modulul cu control digital cu multiplexare MUX, și transmite la ieșire un semnal de eroare de etapa SEE, stabilind momentele acționării fiecărei strategii de control raportate la 4 etape ale unui pas complet de robot pășitor conform funcțiilor din metoda de control prezentată în fig. 2.

Un modul de fuziune semnale sau fuzzy control MFSFC primește un semnal de eroare de etapă SEE de la modulul cu control digital cu multiplexare MUX și transmite un semnal de eroare pe axele robot e_n pe fiecare grad de libertate al robotului pășitor RP prin procesarea acestuia prin metoda de fuziune a semnalelor sau prin metoda de control fuzzy.

Un exemplu al relațiilor care stau la baza controlului hibrid poziție-forță prin controlul fuzzy este prezentat mai jos și pleacă de la considerentul de a asigura viteza pe fiecare axă pentru abaterea dată în direcția corespunzătoare într-un mod euristic, în care un operator uman ar putea efectua inserarea. Sarcina controlerului este de a asigna abaterea măsurată a variabilelor fuzzy, cum ar fi „pozitiv mare (PM), și de a evalua regulile de decizie prin inferență, astfel încât, în final, să poată stabili valoarea variabilei de ieșire, de exemplu viteză ca variabilă fuzzy, care urmărește cel mai bine parametrul controlat. Forma regulii de decizie și a variabilelor fuzzy folosite în luarea deciziei depind de problema controlului specific. Se consideră ca date de intrare abaterea în poziție a articulațiilor compliante e, rata abaterii în poziție Ae și forța de contact Af. Valorile abaterilor detectate prin senzori sunt cuantificate într-un număr de puncte corespunzător elementelor universului de discurs, iar apoi valorile sunt alocate drept grade de apartenență în câteva subseturi fuzzy.

Relația dintre intrări, de exemplu abaterile măsurate, sau ieșiri, ca, de exemplu vitezele, și gradul de apartenență poate fi definită în conformitate cu experiențele operatorului și cerințele sarcinii. Se definesc în mod empiric funcțiile de apartenență pentru toate elementele de intrare și ieșire. S-au ales valorile fuzzy după cum urmează: NM - negativ mare, N_M -

- negativ mediu, Nm - negativ mic, ZO - zero, Pm - pozitiv mic, P_M - pozitiv mediu, PM -

- pozitiv mare.

Analizând baza de reguli se observă că bucla de reacție în forță este în funcție de rezultatele inferenței din controlul fuzzy al componentei P. Cele două baze de reguli sunt prezentate în fig. 3 și 4. Baza de reguli P este ușor modificată de la o bază de reguli tipică liniară, permițând înlocuirea tuturor valorilor Zero (ZO) cu excepția centrului bazei de reguli, în această manieră, baza de reguli P va trece pe valoarea ZO numai când sistemul s-a stabilizat, ceea ce înseamnă că atât eroarea, cât și schimbările termenilor de eroare corespund domeniului ZO. Pentru un anume set de intrări, de exemplu abaterea măsurată, evaluarea regulilorfuzzy produce un set fuzzy de grade de apartenență pentru acțiuni de control. Pentru a lua o acțiune concretă trebuie aleasă una dintre aceste valori. în această aplicație, a fost selectată valoarea de control cu cel mai mare grad de apartenență. Regulile sunt evaluate la intervale egale, în același fel ca un sistem de control convențional. Fig. 5...8 prezintă setul funcțiilor de apartenență pentru intrări și ieșiri.

RO 125970 Β1

Un modul de substituție inversă a poziției MSIP primește un semnal pe fiecare grad 1 de libertate al robotului pășitor RP corespunzător matricei triangularizate de poziție de la modulul de triangularizare matrice de poziție MTMP, care, la rândul său, primește semnalele 3 corespunzătoare matricei de poziție Jacobiene de la modulul matricei de poziție Jacobiene MMPJ, și care realizează împreună calculul matricei inverse Jacobiene, în timp real, pe toate 5 gradele de libertate ale robotului pășitor RP.

Un modul al matricei de poziție MMPJ, care, în funcție de etapa pasului complet al 7 robotului pășitor RP generat de modulul programator de strategii MPS, primește valorile corespunzătoare poziției în spațiul de mișcare al robotului pășitor RP, pe fiecare grad de 9 libertate, de la modulul de calcul al cinematicii directe a poziției MCCDP și semnalul de control poziție aterizare SCPA, de la modulul de control mișcare predictibilă CMP, calculează 11 în timp real matricea de poziție Jacobiană și transmite aceste valori la modulul de triangularizare a matricei de poziție MTMP. 13

Pentru a exemplifica modul de calcul în timp real al matricei de poziție Jacobiene, matricea triangularizată, matricea de substituție inversă și matricea Jacobiană inversă, consi- 15 derăm că unghiurile în coordonatele robot (0_C) sunt transformate în coordonate Carteziene (X_c) prin transformata Denevit-Hartenberg cu matricele de transformare: 17 ^jP = ^j A_j+1 -^j+1 P (1) 19 unde s-au notat: 0j - unghiul în coordonate axiale, d, - distanța reziduală (offset), aj - lungimea 21 axială, otj - rotirea, ^jP, iar ^j+1P reprezintă un punct în sistemul de coordonate ale axei j, respectiv al axei robot j+1. 23

Eroarea de poziție în coordonate Carteziene este obținută ca diferență între poziția de referință (dorită) și poziția curentă. Dificultatea în controlul traiectoriei robotului constă în 25 aceea că pozițiile generate Xc și eroarea de poziție δΧ se dau în coordonate Carteziene, în timp ce măsurarea continuă a poziției robotului θ_{ή 2}...n și eroarea unghiulară de comandă a 27 actuatorului δθ., ₂...n trebuie date în coordonate robot. Relația între poziția și orientarea elementului efector al robotului, generată în coordonate Carteziene și unghiurile axelor în 29 coordonate robot θ_ή θ₂...θ_η este:

Χ=ή·(θ) (2) unde θ este vectorul care reprezintă poziția unghiulară pe toate gradele de libertate, exprimat în coordonate robot. Prin diferențiere, se obține, pentru n = 6: 35 δ% = 3(0)-60^ (3) unde δ⁶Χ₆ reprezintă aplicarea operatorului diferențial la schimbările liniare și unghiulare ale poziției curente X_c a elementului efector exprimat în coordonate Carteziene, iar60 reprezintă aplicarea operatorului diferențial la setul de unghiuri exprimate în coordonate robot J(0) este matricea Jacobiană în care elementele a^ satisfac relația:

(4) unde i, j corespund vectorilor x, respectiv 0. Matricea Jacobiană inversă transformă poziția curentă din coordonate Carteziene δ⁶Χ₆, respectiv δΧ, în eroare unghiulară corespunzătoare coordonatelor robot δθ, conform relației:

60^.., = 3-¹·(θ)·δ⁶Χ₆ (5)

RO 125970 Β1

Calculul Jacobianului constă în multiplicări consecutive ale matricei Xc corespunzătoare transformatei Denevit-Hartenberg a manipulatorului. Metoda eliminărilor Gaussiene asigură o implementare eficientă în calculul matricei inverse. Metoda constă în reducerea matricei J(0) la o formă triangulară superioară și calcularea erorii δθ în coordonate robot, folosind substituția inversă. Vectorul erorii unghiulare δθ este folosit ca un semnal de control direct pentru acționarea actuatoarelor robotului.

Un modul sumator de poziție MSP primește valorile matricei de poziție în spațiul de mișcare robot X_P, pe fiecare grad de libertate, de la modulul de calcul al cinematicii directe a poziției MCCDP și poziția de referință (dorită) X_D, corespunzător semnalului ISCBMx de la modulul cu control digital cu multiplexare MUX, și calculează eroarea de poziție în spațiul de mișcare al robotului pășitor RP ca diferență între cele două semnale de intrare, pe fiecare axă de mișcare robot, pe care o transmite la modulul matricei de selecție poziție MMSP, care, la rândul său, transmite aceste valori la modulul de substituție inversă a poziției MSIP numai pe axele pe care urmează să se asigure controlul în poziție stabilite de modulul programator de strategii MPS.

Un modul de calcul al cinematicii directe de poziție MCCDP primește poziția pe axele robot 0_Pni de la traductoarele incrementale de poziție, pe fiecare axă n de mișcare a robotului, calculează în timp real poziția în spațiul de mișcare robot X_P, pe fiecare grad de libertate, pe care o transmite la un modul sumator de poziție MSP.

Un modul de substituție inversă a forței MSIF primește un semnal pe fiecare grad de libertate al robotului pășitor RP, corespunzător matricei triangularizate de forță de la modulul de triangularizare matrice de forță MTMF, care, la rândul său, primește semnalele corespunzătoare matricei de forță Jacobiene de la modulul matricei de forță Jacobiene MMFJ, și care realizează împreună calculul matricei inverse Jacobiene, în timp real, pe toate gradele de libertate ale robotului pășitor RP.

Un modul al matricei de forță MMFJ, care, în funcție de etapa pasului complet de robot pășitor RP generat de modulul programator de strategii MPS, primește valorile corespunzătoare forței în spațiul de mișcare al robotului pășitor RP, pe fiecare grad de libertate, de la modulul de calcul al cinematicii directe a forței MCCDF și semnalul de control 2SCBMx de la modulul cu control digital cu multiplexare MUX, calculează în timp real matricea de forță Jacobiană și transmite aceste valori la modulul de triangularizare a matricei de forță MTMF.

Un modul sumator de forță MSF primește valorile matricei de poziție datorate forței X_F în spațiul de mișcare al robotului pășitor RP, pe fiecare grad de libertate, de la modulul de calcul al cinematicii directe a forței MCCDF și forța de referință (dorită) X_DF de la modulul de calcul al matricei de rigiditate MCMR, și calculează eroarea de poziție datorată forței în spațiul de mișcare al robotului pășitor RP ca diferență între cele două semnale de intrare, pe fiecare axă de mișcare robot, pe care o transmite la modulul matricei de selecție forță MMSF, care, la rândul său, transmite aceste valori la modulul de substituție inversă a forței MSIF numai pe axele pe care urmează să se asigure controlul în forță, stabilite de modulul programator de strategii MPS.

Un modul de calcul al cinematicii directe de poziție datorate forței MCCDF primește forțele ή din articulațiile robotului, pe fiecare axă n de mișcare a robotului, și calculează în timp real poziția datorată forței în spațiul de mișcare robot X_F, pe fiecare grad de libertate, pe care o transmite la un modul sumator de forță MSF.

Un modul de calcul al matricei de rigiditate MCMR primește un semnal de referință forța f_ref de la generatorul schemei de mers GSM și generează, în timp real, un semnal al forței de referință (dorită) X_DF, determinată ca înmulțire între rigiditatea fizică a fiecărui segment de picior corespunzător articulației și forța reziduală dorită pe fiecare axă de libertate a robotului, pe care îl transmite la un modul sumator de forță MSF.

RO 125970 Β1

Un exemplu de modelare pentru controlul hibrid forță-poziție este prezentat în con- 1 tinuare. Astfel, un sistem de comandă hibrid poziție-forță realizează în mod normal controlul simultan al poziției și al forței. Pentru a determina relațiile de control în această situație, 3 împărțim ΔΧ_Ρ, deviația măsurată de sistemul de comandă în coordonate Carteziene, în două seturi: ΔΧ^Ρ - corespunzătoare componentei controlate prin forță; ΔΧ^Ρ - corespunzătoare 5 controlului în poziție cu acționare pe axe, conform matricelor de selecție S_f și S_x. Dacă se consideră numai controlul de poziție pe direcțiile stabilite de matricea de selecție S_x, se pot 7 determina atât mișcările diferențiale dorite ale elementului final de execuție corespunzătoare controlului în poziție din relația: 9

ΔΧ_Ρ = K_P ΔΧ^Ρ, (6) 11 unde K_p este matricea câștigului, cât și unghiurile mișcării dorite pe axele controlate în 13 poziție:

δθ_Ρ = J-¹ (θ) * ΔΧ_Ρ (7) în continuare, luând în considerare și controlul forței pe celelalte direcții rămase, relația între mișcarea unghiulară dorită a end-efectorului și eroarea de forță ΔΧ_Ρ este dată 19 de relația:

δθ_Ρ = J-¹ (θ) * ΔΧ_Ρ, (8) unde eroarea de poziție datorată forței ΔΧ_Ρ este diferența de mișcare între ΔΧ^Ρ - deviația poziției curente măsurată de sistemul de comandă care generează deviația de poziție pentru 25 axele controlate în forță și ΔΧ₀ - deviația în poziție datorată forței reziduale dorite. Notând F_d - forța reziduală dorită, și K_w - rigiditatea fizică, se obține relația: 27

ΔΧ₀ = K_w ¹ * F_d (9)29

Astfel, ΔΧ_Ρ se poate calcula din relația:31

ΔΧ_Ρ= Κ_Ρ(ΔΧ^Ρ-ΔΧ_Ο) (10)33 unde K_F este relația dimensională a matricii de rigiditate. în final, rezultă variația de mișcare 35 pe axele robot raportate la variația mișcării la elementul de execuție după relația:

ΔΘ = J-¹ (θ) ΔΧΡ + J-¹ (θ) ΔΧΡ,(11)

Un modul de control balans în timp real CBTR primește un semnal al punctului de moment zero (PMZ) de la robotul pășitor RP și de la momentele din articulațiile robotului Mj 41 pe fiecare axă de mișcare a robotului și conform metodei de control din prezenta invenție generează un semnal de control al amortizării SCA, un semnal de control de compensare 43 a punctului de moment zero SC-PMZ și un semnal de control al orientării la aterizare SCOA la modulul cu control digital cu multiplexare MUX. 45

Un exemplu de strategie de control al amortizării la pășirea robotului pășitor în faza de suport unic, prin modelarea mișcării robotului cu ecuația unui pendul simplu inversat cu 47 o articulație în faza cu un suport unic, care se opune forțelor de amortizare ale articulației piciorului, este prezentat în fig. 9, care conduce la relațiile: 49

RO 125970 Β1

Τ = mgW - ml²0 = Κ(θ - u) (12) respectiv u_c = u-k_d3 (13) unde a = K/ml2 -- g/l, β = K/ml2, k_d, este amplificarea de control a amortizării, u_c este un unghi al articulației compensate, I este distanța de la pământ la centrul masei, m este masa echivalentă, u este unghiul articulației de referință, θ este valoarea actuală a unghiului articulației datorate complianței, K este rigiditatea piciorului, T este cuplul măsurat și g este accelerația datorată gravitației. Prin modelare, se obține schema de control din fig. 10.

Un exemplu al strategiei de control de compensare a punctului de moment zero, într-o singură fază, cea de suport unic, datorată mișcării platformei înainte și înapoi conform dinamicii punctului de moment zero, care constă în modelarea matematică a mișcării unui compensator a momentului de punct zero cu ecuația unui pendul simplu inversat, conduce la relația:

ZPM platforma platforma (14) unde Ypiatformaeste deplasarea laterală a platformei, I este distanța de la pământ la centru, g este accelerația datorată gravitației și Y_ZMP este Z_MP lateral.

Diagrama bloc a controlului ZMP în bucla de reacție este prezentată în fig. 11 în care ZMP_ref este referința ZMP, C(s) este compensatorul și G(s) este funcția de transfer, u_p,_a|_forma și u_comp reprezintă deplasarea prescrisă și, respectiv, deplasarea compensatorie a platformei pe planul transvers.

Strategia de control al orientării la aterizare se obține prin diferența între unghiul de referință al articulației piciorului și unghiul de referință compensat al articulației piciorului calculat prin integrarea cuplului măsurat pe întreaga durată a pășirii cu o constantă de timp dată de coeficientul de amortizare la aterizare și rigiditatea pășirii, conform relației:

unde T este cuplul măsurat, C_L este coeficientul de amortizare, K_L este rigiditatea, u este unghiul de referință al articulației piciorului și u_c este unghiul de referință compensat al articulației piciorului.

Un modul de control al schemei de mers CSM primește un semnal de la traductorul de inerție TINL care măsoară poziția unghiulară și viteza platformei, un semnal al punctului de moment zero PMZ și, conform metodei de control din prezenta invenție, generează un semnal de control de rotire/avans platformă SCRA și un semnal de control amplitudine balans platformă SCAB la generatorul schemei de mers GSM.

Strategia de control de rotire/avans platformă permite ca poziția centrală a platformei să se mute în direcția opusă față de partea înclinată pe planul transversal, astfel încât mișcările de legănare să poată fi bine balansate, cu obținerea vectorului de poziție al platformei printr-o relație iterativă de integrare a vectorului erorilor unghiulare ale platformei între fazele de suport unic, amplificat cu un coeficient de câștig determinat experimental.

Strategia de control amplitudine balans platformă pentru a muta punctul de moment zero, corectat prin măsurarea punctului de moment zero în timpul fiecărui ciclu de mers, se realizează prin modelarea amplitudinii balansului lateral al platformei printr-un pendul invers

RO 125970 Β1 și obținută printr-un algoritm de compensare a poziției picioarelor care au contact cu solul, 1 astfel încât amplitudinea punctului de moment zero actual (măsurată) să poată converge spre punctul de moment zero mediu de referință. Modelarea mișcării robotului pășitor în 3 această situație se poate realiza cu relația:

yz _ yz _ l yz '/.MP 1 platforma platforma (16) 7 cu aceleași notații ca în relația (14), cu diferența că se referă la deplasarea laterală a platformei robotului pășitor.

Un modul de control al mișcării predictibile CMP primește un semnal de la traductorul de inerție TINL și un semnal de la traductorul de înclinare TINC care măsoară înclinarea și accelerația piciorului față de terenul pe care pășește robotul și, conform metodei de control din prezenta invenție, generează un semnal de control al poziției de aterizare SCSA la un modul sumator de poziție MSP și un semnal de control al aplecării SCPA peste marginea de siguranță a robotului pășitor RP la un modul al matricei de poziție MMPJ.

Strategia de control al poziției de aterizare constă în generarea unor mișcări probabile ale robotului prin prelucrarea unor mișcări anterioare cu rolul de a evita mișcările anormale, are ca scop pășirea spre direcția de cădere, printr-o mișcare de torsiune a platformei, obținută prin suprapunerea unei legi de mișcare determinate experimental pe mișcarea normală în jurul axei z a piciorului robotului, în care vectorul de poziție al piciorului în faza de aterizare se determină ca o relație iterativă prin adăugarea la vectorul prescris a poziției de aterizare a unui vector de eroare, obținut prin înmulțirea cu un factor de amplificare între vitezele unghiulare medii și vitezele unghiulare stabile a mișcării de avans, respectiv de torsiune.

Strategia de control al aplecării peste marginea de siguranță a robotului, care constă în anticiparea mișcărilor robotului în baza unor informații experimentale statistice, cu respectarea marginilor de stabilitate, prevenirea condițiilor anormale și procesarea unor mișcărilor adiționale, pentru evitarea acestor instabilități care pot conduce la răsturnarea robotului în cazul deplasării pe un teren denivelat sau a unor forțe externe, și permite determinarea în timp real a depășirii marginilor de înclinare spre interior, respectiv exterior, prin integrarea iterativă a unghiului de rotire în mișcarea de torsiune a platformei pe o durată τ de la startul începerii fiecărei faze de mers, iar dacă are loc depășirea marginilor de înclinare, unghiul de rotire al articulației piciorului este compensat printr-un algoritm predefinit în funcție de valoarea unghiului de rotire în mișcarea de torsiune a platformei. Legea controlului aplecării pentru piciorul drept cu unghiul de rotire prescris al articulației piciorului se determină după relațiile:

Dacă'.X 0_r ^orsdt >V_{înclinare ext} , la înclinarea spre exterior și

J raza\,s ’ • Fazal,T

O^dt < V_înci_inare, la înclinarea spre interior, atunci: 41

Fazal,s zi R-unghi

V m,r unde:

/•Fazal.r

R I dt(§POde} ,Vî_ncli_nare ,_ext 20, Vînclinare,int ^— θ’ înclinare ,ext 'înclinare ,int

J Fazal,s

RO 125970 Β1 sunt valorile în care apar salturi ale valorilor înclinărilor spre exterior și, respectiv, spre interior, τ’ este durata controlului aplecării, 9¹^° _este unghiul de rotire în mișcarea de torsiune, A_r este amplitudinea compensării sinusoidale și 9^~_r ^unshl este unghiul de rotire prescris al articulației piciorului.

Un modul de generare a schemei de mers GSM primește un semnal de control de rotire/avans platformă SORA și un semnal de control amplitudine balans platformă SCAB de la un modul de control al schemei de mers CSM și, conform metodei de control din prezenta invenție, precum și al unui portofoliu de programe cu scheme de mers predefinit, cum arfi mersul tripod la un robot pășitor hexapod, mersul pas cu pas, generează un semnal de referință forță f_ref la un modul de calcul al matricei de rigiditate MCMR și un semnal al poziției de referință (dorită) X_D la modulul cu control digital cu multiplexare MUX.

Un modul de control repetabilitate la aterizare CRA primește semnalele de forță ή de la robotul pășitor RP, pe fiecare axă de mișcare, și, conform metodei de control din prezenta invenție, generează la modulul cu control digital cu multiplexare MUX un semnal de blocare a schemei de mers, dacă piciorul nu ia contact cu pământul la sfârșitul fazelor de suport unic, cu întreruperea semnalului de referință de poziție furnizat de generatorul de mers și oprirea comenzii de mișcare a piciorului până acesta, în virtutea inerției, ia contact cu pământul.

Un modul de control la detecția unui pas de mișcare robot DPR primește semnalele de forță ή de la robotul pășitor RP, pe fiecare axă de mișcare, și, conform metodei de control din prezenta invenție, generează, la modulul cu control digital cu multiplexare MUX, un semnal la detectarea atingerii pământului de către piciorul robotului în fazele de dublu suport cu multiplexarea semnalului de eroare rezultat din strategia de control al amortizării și semnalul de eroare rezultat din strategia de control de compensare a punctului de moment zero cu semnalul de eroare rezultat din strategia de control al orientării la aterizare, conform etapelor din modulul programator de strategii MPS.

Un modul cu control digital cu multiplexare MUX primește trei semnale analogice, respectiv un semnal de control al amortizării SCA, un semnal de control de compensare a punctului de moment zero SC-PMZ și un semnal de control al orientării la aterizare SCOA de la un modul de control balans în timp real CBTR, multiplexare de două semnale primite de la un modul de control repetabilitate la aterizare CRA și de la un modul de controlul la detecția unui pas de mișcare robot DPR, și, conform programatorului de strategii MSP, generează trei semnale de control balans multiplexat ISCBMx-3SCBMx.

Claims (2)

Revendicări 1

1. Metoda pentru controlul dinamic al unui robot pășitor, caracterizată prin aceea 3 că, pentru controlul hibrid, în timp real, a poziției traiectoriei de mișcare a vârfurilor și articulațiilor picioarelor unui robot pășitor, conține 14 etape, prin care se calculează: 5

i) eroarea datorată componentei de poziție ΔΘ_Ρ pe axele de libertate robot corespunzătoare articulațiilor picioarelor robotului pășitor (RP) care se obține prin înmulțirea matricei 7 erorii de poziție (X_p) în spațiul de mișcare al robotului, datorate diferenței între traiectoria dorită și traiectoria reală, determinată prin măsurarea semnalelor de poziție primite de la arti- 9 culațiile picioarelor robotului pășitor (RP), aplicate matricei rezultate din cinematica directă a structurii mecanice robot, cu valorile matricei cinematice inverse a structurii mecanice 11 robot, valori matriciale obținute la rândul lor într-un proces simultan cu cel al determinării matricei erorii de poziție în spațiul robot, prin procesarea matricei Jacobiene cu valorile reale 13 primite de la articulațiile picioarelor robotului, triangularizarea matricei astfel determinate și realizarea substituției inverse; 15 ii) eroarea datorată componentelor de forță ΔΘ_Ρ pe axele de libertate robot corespunzătoare articulațiilor picioarelor robotului (RP), care se obține prin înmulțirea între matricea 17 erorii de poziție în spațiul de mișcare al robotului datorate forței, determinată ca diferența de mișcare între deviația poziției curente, măsurată de sistemul de comandă, care generează 19 deviația de poziție pentru axele controlate în forță și deviația în poziție datorată forței reziduale dorite, determinată ca înmulțire între rigiditatea fizică a fiecărui segment de picior, 21 corespunzător articulației și forței reziduale dorite pe fiecare axă de libertate a robotului, cu valorile matricei cinematice inverse a structurii mecanice robot, valori matriciale obținute, la 23 rândul lor, într-un proces simultan cu cel al determinării matricei erorii de poziție în spațiul robot datorate forței, prin procesarea matricei Jacobiene cu valorile reale primite de la articu- 25 lațiile picioarelor robotului, triangularizarea matricei astfel determinate și realizarea substituției inverse, la care se adaugă erorile determinate prin aplicarea unor strategii de control 27 ale unui mers dinamic stabil al robotului pășitor (RP), cum ar fi:

iii) eroarea rezultată din strategia de control al amortizării (SCA), la pășirea robotului 29 pășitor (RP) în faza de suport unic, prin modelarea mișcării robotului cu ecuația unui pendul simplu inversat, cu o articulație în faza cu suport unic, care se opune forțelor de amortizare 31 ale articulației piciorului;

iv) eroarea rezultată din strategia de control de compensare a punctului de moment 33 zero (SC-PMZ), într-o singură fază, cea de suport unic, datorată mișcării platformei înainte și înapoi conform dinamicii punctului de moment zero, care constă în modelarea matematică 35 a mișcării unui compensator a momentului de punct zero cu ecuația unui pendul simplu inversat; 37

v) eroarea rezultată din strategia de control al orientării la aterizare (SCOA), obținut prin diferența între unghiul de referință al articulației piciorului și unghiul de referință compen- 39 sat al articulației piciorului, calculat prin integrarea cuplului măsurat pe întreaga durată a pășirii cu o constantă de timp dată de coeficientul de amortizare la aterizare și rigiditatea 41 pășirii;

vi) eroarea rezultată din strategia de control amplitudine balans platformă (SCAB) 43 pentru a muta punctul de moment zero, corectat prin măsurarea punctului de moment zero în timpul fiecărui ciclu de mers, realizată prin modelarea amplitudinii balansului lateral al plat- 45 formei printr-un pendul invers și obținută printr-un algoritm de compensare a poziției picioarelor care au contact cu solul, astfel încât amplitudinea punctului de moment zero actual 47 (măsurată) să poată converge spre punctul de moment zero mediu de referință;

RO 125970 Β1 vii) eroarea rezultată din strategia de control de rotire/avans platformă (SCRA) care permite ca poziția centrală a platformei să se mute în direcția opusă față de partea înclinată pe planul transversal, astfel încât mișcările de legănare să poată fi bine balansate, cu obținerea vectorului de poziție al platformei, printr-o relație iterativă de integrare a vectorului erorilor unghiulare ale platformei, între fazele de suport unic, amplificat cu un coeficient de câștig determinat experimental;

viii) eroarea rezultată din strategia de control al poziției de aterizare (SCPA), constă în generarea unor mișcări probabile ale robotului pășitor (RP) prin prelucrarea unor mișcări anterioare cu rolul de a evita mișcările anormale, are ca scop pășirea spre direcția de cădere, printr-o mișcare de torsiune a platformei, obținută prin suprapunerea unei legi de mișcare determinate experimental, pe mișcarea normală în jurul axei z a piciorului robotului, în care vectorul de poziție al piciorului, în faza de aterizare, se determină ca o relație iterativă, prin adăugarea la vectorul prescris a poziției de aterizare a unui vector de eroare, obținut prin înmulțirea cu un factor de amplificare între vitezele unghiulare medii și vitezele unghiulare stabile a mișcării de avans, respectiv de torsiune;

ix) eroarea rezultată din strategia de control a aplecării peste marginea de siguranță a robotului (SCSA), care constă în anticiparea mișcărilor robotului pășitor (RP), în baza unor informații experimentale statistice, cu respectarea marginilor de stabilitate, prevenirea condițiilor anormale și procesarea unor mișcări adiționale, pentru evitarea acestor instabilități care pot conduce la răsturnarea robotului, în cazul deplasării pe un teren denivelat sau a unor forțe externe, și permite determinarea în timp real a depășirii marginilor de înclinare spre interior, respectiv exterior, prin integrări iterative ale unghiului de rotire în mișcarea de torsiune a platformei pe o durată τ de la startul începerii fiecărei faze de mers, iar dacă are loc depășirea marginilor de înclinare, unghiul de rotire a articulației piciorului este compensat printr-un algoritm predefinit în funcție de valoarea unghiului de rotire în mișcarea de torsiune a platformei, în care unele semnale de eroare sunt controlate digital cu multiplexarea lor după două strategii de control, astfel:

x) controlul la detecția unui pas de mișcare robot (DPR), în care la detectarea atingerii pământului de către piciorul robotului pășitor (RP), în fazele de dublu suport, pentru o atingere fără șocuri, are loc multiplexarea semnalului de eroare rezultat din strategia de control al amortizării și semnalul de eroare rezultat din strategia de control de compensare a punctului de moment zero, cu semnalul de eroare rezultat din strategia de control a orientării la aterizare, conform etapelor din modulul programator de strategii;

xi) controlul repetabilității la aterizare (CRA), care evită instabilitățile mișcării robotului pășitor (RP) la aterizare, prin generarea unui semnal de blocare a schemei de mers, dacă piciorul nu ia contact cu pământul la sfârșitul fazelor de suport unic, cu întreruperea semnalului de referință poziție furnizat de generatorul de mers și oprirea comenzii de mișcare a piciorului până când acesta, în virtutea inerției, ia contact cu pământul;

la care se adaugă două programe:

xii) un programator de strategii (MPS) al momentelor acționării fiecărei strategii de control raportate la 4 etape ale unui pas complet de robot pășitor (RP), cu funcțiile: în etapa 1 se realizează controlul amortizării, controlul compensării punctului de moment zero și controlul aplecării peste marginea de siguranță, în etapa 2, în faza de suport unic, are loc controlul amortizării, controlul compensării punctului de moment zero și controlul poziției de aterizare, în etapa 2, în faza de dublu suport, are loc controlul orientării la aterizare, controlul ajustării periodice a amplitudinii balansului lateral al platformei, controlul de rotire/avans platforma și controlul poziției de aterizare, etapa 3 care corespunde etapei 1, și etapa 4 care corespunde etapei 2, cu menținerea continuă a semnalelor de eroare datorate componentei de poziție și componentei de forță;

RO 125970 Β1 xiii) un program de generare a schemei de mers (GSM) a robotului pășitor (RP), 1 generează un semnal de referință forță (f_ref) și un semnal al poziției de referință (X_D), conform strategiei de control de rotire/avans platformă și strategiei de control amplitudine balans 3 platformă, precum și al unui portofoliu de programe cu scheme de mers predefinit, cum ar fi mersul tripod la un robot pășitor hexapod, mersul pas cu pas; 5 xiv) astfel că în final, prin procesarea semnalelor de eroare utilizând fuziunea semnalelor rezultate din programatorul de strategii se obține semnalul de eroare pentru 7 comanda actuatoarelor structurii robotului pășitor (RP) pe fiecare axă de mișcare.

2. Dispozitiv pentru controlul dinamic al unui robot pășitor, caracterizat prin aceea 9 că are în alcătuire:

i) un modul programator de strategii (MPS) care primește câte un semnal pe fiecare 11 grad de libertate al robotului pentru semnalele de eroare ale componentelor de poziție ΔΘ_Ρ de la un modul de substituție inversă a poziției (MSIP) și semnale de eroare ale componentei 13 de forță ΔΘ_Ρ de la un modul de substituție inversă a forței (MSIF), un semnal de control supra-aplecare (SCSA) de la un modul de control mișcare predictibilă (CMP) și un semnal 15 control balans multiplexat (2SCBMx) de la un modul cu control digital cu multiplexare (MUX), transmite la ieșire un semnal de eroare de etapă (SEE) și stabilește momentele acționării 17 fiecărei strategii de control raportate la 4 etape ale unui pas complet de robot pășitor (RP), conform funcțiilor din metoda de control din prezenta invenție; 19 ii) un modul de fuziune semnale sau fuzzy control (MFSFC) care primește un semnal de eroare de etapă (SEE) de la un modul cu control digital cu multiplexare (MUX) și trans- 21 mite un semnal de eroare pe axele robot e_n pe fiecare grad de libertate al unui robot pășitor (RP) prin procesarea acestuia prin metoda de fuziune a semnalelor sau prin metoda de 23 control fuzzy;

iii) un modul de substituție inversă a poziției (MSIP) care primește un semnal pe 25 fiecare grad de libertate al robotului pășitor (RP) corespunzător unei matrici triangularizate de poziție de la modulul de triangularizare matrice de poziție (MTMP), care, la rândul său, 27 primește niște semnale corespunzătoare matricei de poziție Jacobiene de la un modul matrice de poziție Jacobiene (MMPJ), și care realizează împreună calculul matricei inverse 29 Jacobiane, în timp real, pe toate gradele de libertate ale robotului pășitor (RP);

iv) un modul al matricei de poziție (MMPJ), care, în funcție de etapa din pasul corn- 31 plet al robotului pășitor (RP), generat de un modul programator de strategii (MPS), primește valorile corespunzătoare poziției în spațiul de mișcare al robotului pășitor (RP), pe fiecare 33 grad de libertate, de la un modul de calcul cinematică directă a poziției (MCCDP) și un semnal de control a poziției aterizare (SCPA) de la un modul de control mișcare predictibilă 35 (CMP), calculează în timp real matricea de poziție Jacobiană și transmite aceste valori la un modul de triangularizare a matricei de poziție (MTMP); 37

v) un modul sumator de poziție (MSP) care primește valorile matricei de poziție într- un spațiul de mișcare robot (X_p), pe fiecare grad de libertate, de la un modul de calcul cine- 39 matică directă a poziției (MCCDP) și o poziție de referință (dorită) (X_D) corespunzătoare unui semnal (ISCBMx) de la un modul cu control digital cu multiplexare (MUX), și calculează o 41 eroare de poziție în spațiul de mișcare al robotului pășitor (RP) ca diferență între cele două semnale de intrare, pe fiecare axă de mișcare robot, pe care o transmite la un modul matrici 43 de selecție poziție (MMSP), care, la rândul său, transmite aceste valori la un modul de substituție inversă a poziției (MSIP) numai pe axele pe care urmează să se asigure controlul 45 în poziție stabilite de un modul programator de strategii (MPS),

RO 125970 Β1 vi) un modul de calcul al cinematicii directe de poziție (MCCDP) care primește poziția pe axele robot Q_Pni de la niște traductoare incrementale de poziție, pe fiecare axă n de mișcare a robotului, și calculează în timp real poziția în spațiul de mișcare robot (X_P), pe fiecare grad de libertate, pe care o transmite la un modul sumator de poziție (MSP);

vii) un modul de substituție inversă a forței (MSIF) care primește un semnal pe fiecare grad de libertate al robotului pășitor (RP) corespunzător matricei triangularizate de forță de la un modul de triangularizare matrice de forță (MTMF), care, la rândul său, primește semnalele corespunzătoare matricei de forță Jacobiene de la un modul matrice de forță Jacobiene (MMFJ), și care realizează împreună calculul matricei inverse Jacobiane, în timp real, pe toate gradele de libertate ale robotului pășitor (RP);

viii) un modul al matricei de forță (MMF8J), care, în funcție de etapa din pasul complet al robotului pășitor (RP) generat de un modul programator de strategii (MPS), primește valorile corespunzătoare forței în spațiul de mișcare al robotului pășitor (RP), pe fiecare grad de libertate, de la un modul calcul cinematică directă a forței (MCCDF) și un semnal de control (2SCBMx) de la un modul cu control digital cu multiplexare (MUX), calculează în timp real matricea de forță Jacobiană și transmite aceste valori la un modul de triangularizare a matricei de forță (MTMF);

ix) un modul sumator de forță (MSF) care primește valorile matricei de poziție datorate forței (X_F) în spațiul de mișcare al robotului pășitor (RP), pe fiecare grad de libertate, de la un modul calcul cinematică directă a forței (MCCDF) și o forță de referință (dorită) (X_DF) de la un modul de calcul al matricei de rigiditate (MCMR), și calculează eroarea de poziție datorată forței în spațiul de mișcare al robotului pășitor (RP) ca diferența între cele două semnale de intrare, pe fiecare axă de mișcare robot, pe care o transmite la un modul matricei de selecție forța (MMSF), care, la rândul său, transmite aceste valori la un modul de substituție inversă a forței (MSD7) numai pe axele pe care urmează să se asigure controlul în forță stabilite de un modul programator de strategii (MPS);

x) un modul de calcul al cinematicii directe de poziție datorate forței (MCCDF) care primește forțele (fj din articulațiile robotului, pe fiecare axă (n) de mișcare a robotului, calculează în timp real poziția datorată forței în spațiul de mișcare robot (X_F), pe fiecare grad de libertate, pe care o transmite la un modul sumator de forță (MSF);

xi) un modul de calcul al matricei de rigiditate (MCMR) care primește un semnal de referință forța (f_ref)de la un generator al schemei de mers (GSM) și generează, în timp real, un semnal al forței de referință (dorită) (X_DF) determinată ca înmulțirea între rigiditatea fizică a fiecărui segment de picior corespunzător articulației și forța reziduală dorită pe fiecare axă de libertate a robotului pe care îl o transmite la un modul sumator de forță (MSF);

xii) un modul de control balans în timp real (CBTR) care primește un semnal al punctului de moment zero (PMZ) de la robotul pășitor (RP) și de la niște momente din articulațiile robotului (MJ pe fiecare axă de mișcare a robotului și, conform metodei de control din prezenta invenție, generează un semnal de control al amortizării (SCA), un semnal de control de compensare a punctului de moment zero (SC-PMZ) și un semnal de control al orientării la aterizare (SCOA) la un modul cu control digital cu multiplexare (MUX);

xiii) un modul de control al schemei de mers (CSM) care primește un semnal de la un traductorde inerție (TINL) care măsoară poziția unghiulară și viteza platformei, un semnal al punctului de moment zero (PMZ), și, conform metodei de control din prezenta invenție, generează un semnal de control de rotire/avans platformă (SCRA) și un semnal de control amplitudine balans platformă (SCAB) la un generator al schemei de mers (GSM);

RO 125970 Β1 xiv) un modul de control al mișcării predictibile (CMP) care primește un semnal de 1 la traductorul de inerție (TINL) și un semnal de la un traductor de înclinare (TINC) care măsoară înclinarea și accelerația piciorului față de terenul pe care pășește robotul și, con- 3 form metodei de control din prezenta invenție, generează un semnal de control al poziției de aterizare (SCSA) la un modul sumator de poziție (MSP) și un semnal de control a aplecării 5 (SCPA) peste marginea de siguranță a robotului pășitor (RP) la un modul al matricei de poziție (MMPJ); Ί xv) un modul de generare a schemei de mers (GSM) care primește un semnal de control de rotire/avans platformă (SORA) și un semnal de control amplitudine balans plat- 9 formă (SCAB) de la un modul de control al schemei de mers (CSM) și, conform metodei de control din prezenta invenție, precum și al unui portofoliu de programe cu scheme de mers 11 predefinit, cum arfi mersul tripod la un robot pășitor hexapod, mersul pas cu pas, generează un semnal de un semnal de referință forța (f_ref) la un modul de calcul al matricei de rigiditate 13 (MCMR) și un semnal al poziției de referință (dorită) (X_D) la modulul cu control digital cu multiplexare (MUX); 15 xvi) un modul de control repetabilitate la aterizare (CRA) care primește niște semnale de forță (ή) de la robotul pășitor (RP), pe fiecare axă de mișcare, și, conform metodei de con- 17 trol din prezenta invenție, generează la modulul cu control digital cu multiplexare (MUX) un semnal de blocare a schemei de mers, dacă piciorul nu ia contact cu pământul la sfârșitul 19 fazelor de suport unic, cu întreruperea semnalului de referință de poziție furnizat de generatorul de mers și oprirea comenzii de mișcare a piciorului până acesta, în virtutea inerției, ia 21 contact cu pământul;

xvii) un modul de controlul la detecția unui pas de mișcare robot (DPR) care primește 23 niște semnale de forță (ή) de la robotul pășitor (RP), pe fiecare axă de mișcare, și conform metodei de control din prezenta invenție generează la modulul cu control digital cu multi- 25 plexare (MUX) un semnal la detectare a atingerii pământului de către piciorul robotului în fazele de dublu suport cu multiplexarea semnalului de eroare rezultat din strategia de control 27 a amortizării și un semnal de eroare rezultat din strategia de control de compensare a punctului de moment zero, cu semnalul de eroare rezultat din strategia de control al orientării la 29 aterizare conform etapelor dintr-un modul programator de strategii (MPS);

xviii) un modul de control digital cu multiplexare (MUX) care primește trei semnale 31 analogice, respectiv un semnal de control al amortizării (SCA), un semnal de control de compensare a punctului de moment zero (SC-PMZ) și un semnal de control al orientării la 33 aterizare (SCOA), de la un modul de control balans în timp real (CBTR), multiplexare de două semnale primite de la un modul de control repetabilitate la aterizare (CRA) și de la un 35 modul de controlul, la detecția unui pas de mișcare robot (DPR), și, conform programatorului de strategii (MSP), generează trei semnale de control balans multiplexat 37 (ISCBMx-3SCBMx).