本發(fā)明專利技術(shù)提供了一種基于腳力估計算法的多足機(jī)器人動態(tài)穩(wěn)定性定量判定方法，適用于機(jī)器人行走于非結(jié)構(gòu)化環(huán)境時的穩(wěn)定性實時檢測。本發(fā)明專利技術(shù)由傳感器獲得關(guān)節(jié)和機(jī)身運動狀態(tài)后，通過正、逆運動學(xué)求得計算穩(wěn)定裕度所需的變量值。然后通過腳力估計算法估計支撐腿的腳力，由腳力大小得到最易發(fā)生傾翻的支撐軸和落足點。由腳力在質(zhì)心處的合力和合力矩計算對支撐軸和落足點的傾翻有效合力，進(jìn)而可以由公式得到支撐軸和落足點的穩(wěn)定角，選取穩(wěn)定角中的最小者由公式計算得到機(jī)器人的歸一化的力角穩(wěn)定裕度值。本發(fā)明專利技術(shù)的優(yōu)點在于：本方法直接判斷對支撐軸和落足點的穩(wěn)定裕度；可以表征質(zhì)心的高低帶來的穩(wěn)定性變化；不需要采用易損的多維力傳感器測量腳力。
【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于機(jī)器人控制領(lǐng)域，具體是一種基于腳力估計算法的機(jī)器人動態(tài)穩(wěn)定性定量判定方法，實時檢測多足機(jī)器人運動過程中的穩(wěn)定裕度。
技術(shù)介紹
多足機(jī)器人是一種具有多支鏈、冗余和時變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜機(jī)器人，具有比輪式機(jī)器人更強(qiáng)的地形適應(yīng)能力，在軍事和民用領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力和廣泛的應(yīng)用前景，受到國內(nèi)外機(jī)器人研究者的廣泛關(guān)注和重視。多足機(jī)器人一般按足的數(shù)目可分為四足、六足和八足機(jī)器人。由于多足機(jī)器人行走的環(huán)境往往較為復(fù)雜，可能會遇到崎嶇地形，樓梯，障礙物，甚至滾石等，這些復(fù)雜地形和環(huán)境干擾對機(jī)器人的穩(wěn)定性帶來了很大的挑戰(zhàn)。采用準(zhǔn)確的穩(wěn)定性判據(jù)實時監(jiān)控機(jī)器人的穩(wěn)定性對于保持機(jī)器人平衡，保證機(jī)器人不傾翻，完成救災(zāi)任務(wù)是至關(guān)重要的。機(jī)器人的穩(wěn)定性判定主要是指由一定的穩(wěn)定裕度值判斷機(jī)器人會不會出現(xiàn)傾翻摔倒，穩(wěn)定裕度大于零時機(jī)器人處于穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定裕度小于零時機(jī)器人將會出現(xiàn)傾翻，即機(jī)器人失穩(wěn)。目前，機(jī)器人的穩(wěn)定性判定方法分為靜態(tài)穩(wěn)定判據(jù)和動態(tài)穩(wěn)定性判據(jù)。靜態(tài)穩(wěn)定性判據(jù)沒有考慮慣性力和外力對穩(wěn)定性的影響，靜態(tài)穩(wěn)定性判據(jù)主要有兩類，一類是基于重心投影與支撐多邊形關(guān)系的方法，他們有重心投影法，靜態(tài)穩(wěn)定邊界法，縱向穩(wěn)定邊界法和偏轉(zhuǎn)縱向穩(wěn)定邊界法。另一類是基于能量的靜態(tài)穩(wěn)定判據(jù)，它們有能量穩(wěn)定邊界法，傾覆能量穩(wěn)定邊界法和規(guī)范化的能量穩(wěn)定性邊界法。動態(tài)穩(wěn)定性判據(jù)是指考慮了慣性力和外力影響的穩(wěn)定性判據(jù)，主要分為兩類。第一類是基于零力矩點（ZMP,ZeroMomentPoint）的動態(tài)穩(wěn)定性判據(jù)。南斯拉夫?qū)W者M(jìn)iomirVukobratovic于1970年提出了ZMP穩(wěn)定性判據(jù)，該方法成為了應(yīng)用于兩足機(jī)器人穩(wěn)定性判定的經(jīng)典方法，此后眾多學(xué)者在此概念的基礎(chǔ)上提出了自己的判定方法，如壓力中心法、有效質(zhì)量中心法等，其實質(zhì)都屬于ZMP理論。然而有學(xué)者指出ZMP方法無法用于行走于非平面地形上的多足機(jī)器人的穩(wěn)定性判定，因為由ZMP的定義可知，ZMP點是慣性力與重力的合力與腳底支撐平面的交點，當(dāng)機(jī)器人支撐腿的數(shù)目大于等于四條時，地面地形為非平面地形時，機(jī)器人腳與地面的接觸點將不會共面，此時ZMP點將無法求得。另外一類動態(tài)穩(wěn)定性判定方法是基于動量的穩(wěn)定性判據(jù)，主要有動態(tài)穩(wěn)定邊界法，傾倒穩(wěn)定性判別法和支撐力矩判別法。這類方法對于具有外力擾動，地面不平和慣性力存在的情況也是完全可行的，但是這類判據(jù)沒有考慮質(zhì)心位置變動對穩(wěn)定性的影響，因為對于一個地面上的物體而言，其質(zhì)心位置距離地面越高穩(wěn)定性越差。本專利技術(shù)利用多足機(jī)器人位姿信息和足端腳力信息對機(jī)器人進(jìn)行動態(tài)穩(wěn)定性判斷，不利用支撐平面判斷穩(wěn)定性，直接判斷繞支撐軸的傾翻和繞落足點的傾翻，使該方法能夠適用于不平路面的情形，而且考慮了質(zhì)心位置變動對機(jī)器人穩(wěn)定性的影響。無論是基于ZMP的穩(wěn)定性判定方法，還是本專利技術(shù)提出的穩(wěn)定性判定方法，都需要采用足底與地面接觸力計算，因此正確檢測足底接觸力成為關(guān)鍵和先決條件。目前都采用在足底安裝FSR（壓力傳感器）或者多維力傳感器的方法實現(xiàn)對足底力的檢測。但是FSR只能檢測正壓力，無法檢測其余方向的力；多維力傳感器價格昂貴，且易損壞。本專利技術(shù)提出一種基于動力學(xué)模型的腳力估計算法，通過機(jī)器人的運動狀態(tài)和電機(jī)扭矩估算外界接觸力，可以有效檢測足底力的大小和方向，而無需力傳感器。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于提出一種基于腳力估計的多足機(jī)器人動態(tài)穩(wěn)定性定量判定方法，該方法考慮了慣性力、外力干擾，而且考慮了質(zhì)心變動對穩(wěn)定性的影響，具有計算量少、可靠性高等特點，且采用腳力估計方法替代易損的多維力傳感器，降低機(jī)器人制造成本，提高檢測可靠性。本專利技術(shù)提供的一種基于腳力估計算法的多足機(jī)器人動態(tài)穩(wěn)定性定量判定方法，其特征在于，該方法包括下述步驟：步驟1：實時獲取關(guān)節(jié)角度、機(jī)身位姿信息，并利用這些信息對機(jī)器人進(jìn)行正運動學(xué)計算，得到機(jī)器人各個構(gòu)件的質(zhì)心在參考坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，以及各支撐腿足端點的坐標(biāo)；步驟2：利用質(zhì)心計算公式計算機(jī)器人總體質(zhì)心在參考坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；步驟3：采用腳力估計算法實時獲取支撐腿的腳力信息，并向機(jī)器人質(zhì)心處等效各個腳力，得到對機(jī)器人質(zhì)心的合力和合力矩；步驟4：計算最易發(fā)生傾翻的兩條支撐軸的矢量，與腳力最大的腳相連的兩條軸線為最易發(fā)生傾翻的兩條軸線；步驟5：分別計算合力和合力矩對兩條最易發(fā)生傾翻的軸線及步驟4中腳力最大的腳的傾翻有效合力；步驟6：分別計算步驟5中得到的三個傾翻有效合力與傾翻軸過質(zhì)心的垂線的夾角和質(zhì)心與腳力最大落足點的連線的夾角，三個夾角分別為相應(yīng)軸線和落足點的穩(wěn)定角；步驟7：選取步驟6中得到的三個夾角中最小者作為機(jī)器人的穩(wěn)定裕角，穩(wěn)定裕角與合力相乘后作歸一化處理得到穩(wěn)定裕度值。本專利技術(shù)是一種基于腳力估計算法的多足機(jī)器人動態(tài)穩(wěn)定性檢測方法，用于多足機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下運動時穩(wěn)定性判定，判定方法簡潔明確。本專利技術(shù)的核心是由腳力估計算法估計足底地面接觸力，所有腳力在質(zhì)心處合成合力和合力矩，然后計算對兩條最易發(fā)生傾翻的支撐軸和落足點的穩(wěn)定裕度角。在腳力大小和方向都不變的情況下，如果機(jī)器人質(zhì)心高度增高，有效合力與傾翻軸線過質(zhì)心的垂線之間的夾角一定會減小，因此該方法能夠反映質(zhì)心變動對穩(wěn)定性帶來的影響。附圖說明圖1是多足機(jī)器人動態(tài)穩(wěn)定性定量檢測方法流程圖。圖2是六足機(jī)器人結(jié)構(gòu)與坐標(biāo)系示意圖。圖3是繞傾翻軸穩(wěn)定裕角計算示意圖。圖4是繞落足點穩(wěn)定裕角計算示意圖。圖5是腳力估計算法計算框圖。具體實施方式以下結(jié)合實施例及附圖對本專利技術(shù)作進(jìn)一步詳細(xì)的說明，但本專利技術(shù)實施方式不限于此。該具體實施例選取多足機(jī)器人中六足串聯(lián)機(jī)器人（如圖2所示）作為作用對象，但實施對象不限于此，四足、八足或并聯(lián)機(jī)器人等同樣適用。如圖1所示，本專利技術(shù)實例提供的一種基于腳力估計算法的多足機(jī)器人動態(tài)穩(wěn)定性定量判定方法包括以下步驟。步驟1：實時獲取關(guān)節(jié)角度、機(jī)身位姿信息，并利用這些信息對機(jī)器人進(jìn)行正運動學(xué)計算，得到機(jī)器人各個構(gòu)件的質(zhì)心在參考坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，以及各支撐腿足端點的坐標(biāo)。圖2中Oxyz為參考坐標(biāo)系，由電機(jī)絕對值編碼器和機(jī)身位姿傳感器可以進(jìn)行機(jī)器人正逆運動學(xué)計算，從而可以得到圖2中所示的各支撐腿落足點在參考坐標(biāo)系Oxyz中的坐標(biāo)pi（i=1,2,…,n），同時也可以得到各個構(gòu)件的坐標(biāo)。步驟2：利用質(zhì)心計算公式計算機(jī)器人總體質(zhì)心在參考坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。其中，r和s分別表示多足機(jī)器人腿的個數(shù)和每條腿含有獨立構(gòu)件的個數(shù)，mb表示機(jī)身的質(zhì)量，mij表示第i條腿第j個構(gòu)件的質(zhì)量。步驟3：采用腳力估計算法實時獲取支撐腿的腳力信息，并向機(jī)器人質(zhì)心處等效各個腳力，得到對機(jī)器人質(zhì)心的合力和合力矩。支撐腿腳力信息由腳力估計算法估計得到，具體如圖5所示。首先需要預(yù)先建立機(jī)器人腿部機(jī)構(gòu)動力學(xué)方程和關(guān)節(jié)摩擦模型，并對未知參數(shù)進(jìn)行參數(shù)辨識，得到精確的機(jī)器人腿部動力學(xué)模型。機(jī)器人在行走過程中，伺服電機(jī)可以實時將電機(jī)電流信息和編碼器得到的角速度信息上傳至控制器。動力學(xué)模型中需要用到關(guān)節(jié)的角度、角速度和角加速度，而電機(jī)編碼器只能得到角速度，因此需要狀態(tài)觀測器估計角度和角加速度，而且編碼器直接輸出的角速度是帶有噪聲的信號，狀態(tài)觀測器也可以濾除噪聲。本專利技術(shù)中采用的狀態(tài)觀測器是卡爾曼濾波器。設(shè)，則通過卡爾曼濾波器，即可得到狀態(tài)的最優(yōu)估計值、和。由于電機(jī)不是直接驅(qū)動連桿本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點】
一種基于腳力估計算法的多足機(jī)器人動態(tài)穩(wěn)定性定量判定方法，其特征在于，該方法包括下述步驟：(1)實時獲取關(guān)節(jié)角度、機(jī)身位姿信息，并利用這些信息對機(jī)器人進(jìn)行正運動學(xué)計算，得到機(jī)器人各個構(gòu)件的質(zhì)心在參考坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，以及各支撐腿足端點的坐標(biāo)；(2)利用質(zhì)心計算公式計算機(jī)器人總體質(zhì)心在參考坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；(3)采用腳力估計算法實時估計支撐腿的腳力信息，并向機(jī)器人質(zhì)心處等效各個腳力，得到對機(jī)器人質(zhì)心的合力和合力矩；(4)計算最易發(fā)生傾翻的兩條支撐軸的矢量，與腳力最大的腳相連的兩條軸線為最易發(fā)生傾翻的兩條軸線；(5)分別計算合力和合力矩對兩條最易發(fā)生傾翻的軸線及步驟4中腳力最大的腳的傾翻有效合力；(6)分別計算步驟5中得到的三個傾翻有效合力與傾翻軸過質(zhì)心的垂線的夾角和質(zhì)心與腳力最大落足點的連線的夾角，三個夾角分別為相應(yīng)軸線和落足點的穩(wěn)定角；(7)選取步驟6中得到的三個夾角中最小者作為機(jī)器人的穩(wěn)定裕角，穩(wěn)定裕角與合力相乘后作歸一化處理得到穩(wěn)定裕度值。
【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于腳力估計算法的多足機(jī)器人動態(tài)穩(wěn)定性定量判定方法，其特征在于，該方法包括下述步驟：(1)實時獲取關(guān)節(jié)角度、機(jī)身位姿信息，并利用這些信息對機(jī)器人進(jìn)行正運動學(xué)計算，得到機(jī)器人各個構(gòu)件的質(zhì)心在參考坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，以及各支撐腿足端點的坐標(biāo)；(2)利用質(zhì)心計算公式計算機(jī)器人總體質(zhì)心在參考坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；(3)采用腳力估計算法實時估計支撐腿的腳力信息，并向機(jī)器人質(zhì)心處等效各個腳力，得到對機(jī)器人質(zhì)心的合力和合力矩；(4)計算最易發(fā)生傾翻的兩條支撐軸的矢量，與腳力最大的腳相連的兩條軸線為最易發(fā)生傾翻的兩條軸線；(5)分別計算合力和合力矩對兩條最易發(fā)生傾翻的軸線及步驟4中腳力最大的腳的傾翻有效合力；(6)分別計算步驟5中得到的三個傾翻有效合力與傾翻軸過質(zhì)心的垂線的夾角和質(zhì)心與腳力最大落足點的連線的夾角，三個夾角分別為相應(yīng)軸線和落足點的穩(wěn)定角；(7)選取步驟6中得到的三個夾角中最小者作為機(jī)器人的穩(wěn)定裕角，穩(wěn)定裕角與合力相乘后作歸一化處理得到穩(wěn)定裕度值。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多足機(jī)器人的動態(tài)穩(wěn)定性定量判定方法，其特征在于，步驟(3)中，由腳力估計算法估計腳力大小和方向。首先采用狀態(tài)估計器由編碼器得到的電機(jī)速度估計角位移和角加速度，得到狀態(tài)的最優(yōu)估計值和再根據(jù)擾動觀測器得到關(guān)節(jié)有效轉(zhuǎn)矩根據(jù)動力學(xué)模型計算驅(qū)動機(jī)構(gòu)運動所需關(guān)節(jié)扭矩關(guān)節(jié)驅(qū)動力包含兩部分，一部分是無外力作用時驅(qū)動機(jī)構(gòu)運動所需驅(qū)動力，另一部分是外力作用對關(guān)節(jié)驅(qū)動力的影響，則可...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：鐘國梁，陳龍，鄧華，辛桂陽，
申請(專利權(quán))人：中南大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：湖南;43
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