CN111857170A - 一种四足机器人腿部关节负载规律分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及智能机器人技术领域，且公开了一种四足机器人腿部关节负载规律分析方法，按以下方法进行分析：S1、利用弹簧倒立摆及虚拟模型控制算法对四足机器人行走进行控制；S2、并在各自由度的理想位置与实际位置之间添加虚拟弹簧阻尼元件；S3、基于弹簧倒立摆及虚拟模型的四足机器人行走控制算法及负载规律分析。通过运用D‑H参数法对四足机器人进行了正逆运动学分析，获取了足端位置与关节转角之间的关系，然后在运动学分析的基础上，对四足机器人进行了动力学分析，并运用弹簧倒立摆及虚拟模型控制方法实现了四足机器人对角步态下的直线变速行走，分析得到了四足机器人对角步态行走过程中各关节的负载规律。

Description

一种四足机器人腿部关节负载规律分析方法

技术领域

本发明涉及智能机器人技术领域，具体为一种四足机器人腿部关节负载规律分析方法。

背景技术

四足机器人主要应用于野外复杂地形中的抢险救灾、地质勘探等任务中，这就需要四足机器人能够适应各种复杂地形，采用轮式、蠕动式等运动方式的机器人仅能通过有限不平度的地形，而四足机器人作为仿生机器人的一个重要研究方向，仿照狗、马等哺乳动物的肢体结构进行设计，通过腿足与地面发生散点接触，能够适应地面不平度较大的地形。

目前，四足机器人液压系统在能源利用方面存在的最主要问题之一：四足机器人液压系统多采用单泵多执行器液压系统，泵源流量、压力输出与执行器需求严重不匹配，四足机器人液压系统具有高速轻载、低速重载以及高低速交替出现的特点，这种同一执行器高低速交替且不同执行器高低速同时存在的工况需要液压系统能够同时提供多种流量、压力组合的油液，而单泵多执行器液压系统属于节流调速系统，为兼顾多执行器多工况的运动需求，只能通过节流作用实现流量、压力匹配，因此产生了较多的节流损失。该问题造成四足机器人液压系统效率低下，已严重限制了四足机器人技术的发展和应用，因此，有必要针对四足机器人液压系统进行节能研究。

四足机器人腿部关节的负载规律是开展液压系统能耗研究的基础，而腿部关节负载规律又可从运动特性和负载特性两方面进行研究，因此四足机器人的节能研究，需从四足机器人腿部关节负载规律进行分析。

发明内容

针对上述背景技术的不足，本发明提供了一种四足机器人腿部关节负载规律分析方法，具备多方面分析、契合本体的优点，解决了背景技术提出的问题。

本发明提供如下技术方案：一种四足机器人腿部关节负载规律分析方法，按以下方法进行分析：

S1、利用弹簧倒立摆及虚拟模型控制算法对四足机器人行走进行控制；

所述弹簧倒立摆主要包括机体及无质量的弹簧腿两部分，髋关节在机体形心处，弹簧腿可以绕髋关节转动；

S2、并在各自由度的理想位置与实际位置之间添加虚拟弹簧阻尼元件，利用弹簧阻尼元件产生的虚拟负载拉动机体使其跟踪理想位置；

S3、基于弹簧倒立摆及虚拟模型的四足机器人行走控制算法及负载规律分析；

四足机器人机体增加虚拟模型后，机体受力、位置及速度的关系为:

其中，x和y分别为机体重心在绝对坐标系x和y方向的位置，h为机体重心高度，k为对应的增益系数，下标d表示该变量的期望值，φ_y为俯仰角，φ_z为偏航角。在得到机体所受虚拟力后须将其分配到支撑腿足端，以得到支撑腿的驱动关节力矩。在此忽略四足机器人惯性力及科氏力作用，仅考虑四足机器人静平衡时的受力，因此其整体受力可知：

其中，x_i、y_i、z_i为各腿足端在机体坐标系中的坐标，各支撑腿足端沿x_b方向的力为f_xi，沿y_b方向的力为f_yi，沿z_b方向的力为f_zi，其中i＝1,3，F_x为机体在x_b方向上的虚拟力，F_y为机体在y_b方向的虚拟力，F_z为机体在z_b方向的虚拟力，G为四足机器人自重，而后结合雅克比矩阵得到支撑腿的驱动关节力矩，同时，采用弹簧倒立摆控制算法以实现侧向速度控制；

四足机器人从静止开始加速、匀速和减速至再次静止的过程称为全运动过程，四足机器人负重时相当于机体质量增大，为方便研究，本发明定义四足机器人半载为2倍机身质量，满载为3倍机身质量；

四足机器人腿部关节采用液压驱动单元的驱动形式，因此需要根据液压缸在关节处的结构参数换算得到液压缸活塞杆在四足机器人行走过程中的运动和受力；

设液压缸的伸长量为c_i，各关节力矩和角速度与液压缸活塞杆出力和速度的关系如下：

髋侧摆关节：

髋纵摆关节：

膝关节：

将四足机器人各驱动关节力矩导入式(2.29)、(2.31)和(2.33)可得到液压驱动单元中液压缸活塞杆的出力，四足机器人腿部关节负载呈现周期性变化，且可将同一周期分为两阶段，阶段一为负载较小且变化幅度较小，此时该腿腿部腾空，向前迈动，可称作快速摆动阶段；阶段二为负载较大且变化幅度很大，此时该腿腿部触地，实现支撑，将该阶段称作触地支撑阶段。在腿部快速摆动阶段，腿部腾空，受力很小；而在腿部触地支撑阶段，腿部接触地面以支撑机体，此时，腿部运动很小，但执行器受力较大。将各关节角速度导入式(2.28)、(2.30)和(2.32)可得液压缸活塞杆的速度，然后经积分可得液压缸活塞杆位移；

仿真过程中四足机器人的速度先增大然后匀速最后减小。由关节液压缸的速度及出力可得，随着四足机器人行走速度的变化，髋纵摆关节及膝关节呈现出如下负载规律：

(1)随着四足机器人行走速度的变化，髋纵摆关节速度在快速摆动阶段及触地支撑阶段均先增大而后保持不变最后减小；膝关节在快速摆动阶段的速度变化不大，触地支撑阶段的速度先增大，而后保持不变，最后减小；

(2)随着四足机器人行走速度的变化，髋纵摆关节液压缸的出力在快速摆动阶段和触地支撑阶段均先增大而后不变最后减小；膝关节液压缸的出力在快速摆动阶段先增大而后几乎不变最后减小，在触地支撑阶段的出力变化较小；

(3)髋纵摆关节及膝关节液压缸在快速摆动阶段速度较大而出力较小，在触地支撑阶段关节液压缸速度较小而出力较大；

(4)四足机器人在触地支撑阶段膝关节为主要的出力关节，髋纵摆关节其次；从而得到四足机器人腿部关节的负载规律分析方法。

优选的，根据S3步骤可知，此时由支撑腿足端作用力到虚拟力的变换矩阵行列式为0，令两支撑腿的侧向力相等，以实现对四足机器人机体虚拟力的分解。

优选的，四足机器人对角步态行走过程中，足端轨迹采用改进的摆线轨迹，摆动腿的控制方法与机体控制方法类似，在足端实际位置与期望位置之间添加虚拟弹簧阻尼元件，实现摆动腿足端对理想轨迹跟踪，然后运用ADAMS与MATLAB/Simulink联合仿真实现机器人对角步态行走控制仿真，从而得到四足机器人对角步态前进过程中机体参数的变化。

优选的，弹簧倒立摆控制算法主要包括：通过改变腿部触地时的着地角实现放腿位置的变化；通过调整着地时髋关节的力矩实现机体姿态平衡；通过对恢复阶段主动力的控制实现对机体弹跳高度的控制。

优选的，四足机器人腿部关节负载规律主要包括关节的运动规律和受力规律两部分。

本发明具备以下有益效果：

该四足机器人腿部关节负载规律分析方法，通过运用D-H参数法对四足机器人进行了正逆运动学分析，获取了足端位置与关节转角之间的关系，然后在运动学分析的基础上，对四足机器人进行了动力学分析，并运用弹簧倒立摆及虚拟模型控制方法实现了四足机器人对角步态下的直线变速行走，分析得到了四足机器人对角步态行走过程中各关节的负载规律，同时，得到四足机器人运动时腿部关节状态的主要特点为：同一腿快速摆动阶段和触地支撑阶段不断切换；不同腿之间快速摆动阶段和触地支撑阶段同时存在；四足机器人运动具有规律性，而腿部关节的负载特性也具有规律性，在液压驱动单元中表现为大流量小压力与小流量大压力供能的周期性切换规律，从而为液压系统的节能研究作出基础。

附图说明

图1为弹簧倒立摆模型示意图；

图2为机器人机体虚拟模型示意图；

图3为机器人整体受力示意图；

图4为机器人前进速度曲线图；

图5为机器人侧向速度曲线图；

图6为机器人横滚角曲线图；

图7为髋纵摆关节与膝关节示意图；

图8为髋侧摆关节示意图；

图9为11D关节活塞杆出力曲线图；

图10为12D关节活塞杆出力曲线图；

图11为13D关节活塞杆出力曲线图；

图12为11D关节活塞杆位移曲线图；

图13为12D关节活塞杆位移曲线图；

图14为13D关节活塞杆位移曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-14，一种四足机器人腿部关节负载规律分析方法，按以下方法进行分析：

S1、利用弹簧倒立摆及虚拟模型控制算法对四足机器人行走进行控制；

所述弹簧倒立摆主要包括机体及无质量的弹簧腿两部分，髋关节在机体形心处，弹簧腿可以绕髋关节转动；

S2、并在各自由度的理想位置与实际位置之间添加虚拟弹簧阻尼元件，利用弹簧阻尼元件产生的虚拟负载拉动机体使其跟踪理想位置；

S3、基于弹簧倒立摆及虚拟模型的四足机器人行走控制算法及负载规律分析；

四足机器人机体增加虚拟模型后，机体受力、位置及速度的关系为:

其中，x和y分别为机体重心在绝对坐标系x和y方向的位置，h为机体重心高度，k为对应的增益系数，下标d表示该变量的期望值，φ_y为俯仰角，φ_z为偏航角。在得到机体所受虚拟力后须将其分配到支撑腿足端，以得到支撑腿的驱动关节力矩。在此忽略四足机器人惯性力及科氏力作用，仅考虑四足机器人静平衡时的受力，因此其整体受力可知：

其中，x_i、y_i、z_i为各腿足端在机体坐标系中的坐标，各支撑腿足端沿x_b方向的力为f_xi，沿y_b方向的力为f_yi，沿z_b方向的力为f_zi，其中i＝1,3，F_x为机体在x_b方向上的虚拟力，F_y为机体在y_b方向的虚拟力，F_z为机体在z_b方向的虚拟力，G为四足机器人自重，而后结合雅克比矩阵得到支撑腿的驱动关节力矩，同时，采用弹簧倒立摆控制算法以实现侧向速度控制；四足机器人的主要结构参数如表2.2所示：

表2.2四足机器人主要结构参数

四足机器人对角步态行走过程中，足端轨迹采用改进的摆线轨迹，摆动腿的控制方法与机体控制方法类似，在足端实际位置与期望位置之间添加虚拟弹簧阻尼元件，实现摆动腿足端对理想轨迹跟踪，然后运用ADAMS与MATLAB/Simulink联合仿真实现机器人对角步态行走控制仿真。最终可得到四足机器人对角步态前进过程中机体参数的变化如图4、5和6中所示；

四足机器人从静止开始加速、匀速和减速至再次静止的过程称为全运动过程。四足机器人负重时相当于机体质量增大，本发明定义四足机器人半载为2倍机身质量，满载为3倍机身质量；

四足机器人腿部关节采用液压驱动单元的驱动形式，因此需要根据液压缸在关节处的结构参数换算得到液压缸活塞杆在四足机器人行走过程中的运动和受力；

四足机器人腿部关节参数如表2.3中所示；

表2.3四足机器人腿部关节参数

设液压缸的伸长量为c_i，各关节力矩和角速度与液压缸活塞杆出力和速度的关系如下：

髋侧摆关节：

髋纵摆关节：

膝关节：

将四足机器人各驱动关节力矩导入式(2.29)、(2.31)和(2.33)可得到液压驱动单元中液压缸活塞杆的出力，如图7、8、9所示(以11D、12D和13D关节为例)，从图7、8、9中可以看出，四足机器人腿部关节负载呈现周期性变化，且可将同一周期分为两阶段，阶段一为负载较小且变化幅度较小，此时该腿腿部腾空，向前迈动，可称作快速摆动阶段；阶段二为负载较大且变化幅度很大，此时该腿腿部触地，实现支撑，将该阶段称作触地支撑阶段。在腿部快速摆动阶段，腿部腾空，受力很小；而在腿部触地支撑阶段，腿部接触地面以支撑机体，此时，腿部运动很小，但执行器受力较大。将各关节角速度导入式(2.28)、(2.30)和(2.32)可得液压缸活塞杆的速度，然后经积分可得液压缸活塞杆位移，如图12-14所示；

仿真过程中四足机器人的速度先增大然后匀速最后减小。由关节液压缸的速度及出力可得，随着四足机器人行走速度的变化，髋纵摆关节及膝关节呈现出如下负载规律：

(1)随着四足机器人行走速度的变化，髋纵摆关节速度在快速摆动阶段及触地支撑阶段均先增大而后保持不变最后减小；膝关节在快速摆动阶段的速度变化不大，触地支撑阶段的速度先增大，而后保持不变，最后减小；

(2)随着四足机器人行走速度的变化，髋纵摆关节液压缸的出力在快速摆动阶段和触地支撑阶段均先增大而后不变最后减小；膝关节液压缸的出力在快速摆动阶段先增大而后几乎不变最后减小，在触地支撑阶段的出力变化较小；

(3)髋纵摆关节及膝关节液压缸在快速摆动阶段速度较大而出力较小，在触地支撑阶段关节液压缸速度较小而出力较大；

(4)四足机器人在触地支撑阶段膝关节为主要的出力关节，髋纵摆关节其次；从而得到四足机器人腿部关节的负载规律分析方法。

其中，根据S3步骤可知，此时由支撑腿足端作用力到虚拟力的变换矩阵行列式为0，令两支撑腿的侧向力相等，以实现对四足机器人机体虚拟力的分解。

其中，四足机器人对角步态行走过程中，足端轨迹采用改进的摆线轨迹，摆动腿的控制方法与机体控制方法类似，在足端实际位置与期望位置之间添加虚拟弹簧阻尼元件，实现摆动腿足端对理想轨迹跟踪，然后运用ADAMS与MATLAB/Simulink联合仿真实现机器人对角步态行走控制仿真，从而得到四足机器人对角步态前进过程中机体参数的变化。

其中，弹簧倒立摆控制算法主要包括：通过改变腿部触地时的着地角实现放腿位置的变化；通过调整着地时髋关节的力矩实现机体姿态平衡；通过对恢复阶段主动力的控制实现对机体弹跳高度的控制。

其中，四足机器人腿部关节负载规律主要包括关节的运动规律和受力规律两部分。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种四足机器人腿部关节负载规律分析方法，其特征在于：按以下方法进行分析：

S1、利用弹簧倒立摆及虚拟模型控制算法对四足机器人行走进行控制；

所述弹簧倒立摆主要包括机体及无质量的弹簧腿两部分，髋关节在机体形心处，弹簧腿可以绕髋关节转动；

S2、并在各自由度的理想位置与实际位置之间添加虚拟弹簧阻尼元件，利用弹簧阻尼元件产生的虚拟负载拉动机体使其跟踪理想位置；

S3、基于弹簧倒立摆及虚拟模型的四足机器人行走控制算法及负载规律分析；

四足机器人机体增加虚拟模型后，机体受力、位置及速度的关系为:

其中，x和y分别为机体重心在绝对坐标系x和y方向的位置，h为机体重心高度，k为对应的增益系数，下标d表示该变量的期望值，φ_y为俯仰角，φ_z为偏航角。在得到机体所受虚拟力后须将其分配到支撑腿足端，以得到支撑腿的驱动关节力矩。在此忽略四足机器人惯性力及科氏力作用，仅考虑四足机器人静平衡时的受力，因此其整体受力可知：

其中，x_i、y_i、z_i为各腿足端在机体坐标系中的坐标，各支撑腿足端沿x_b方向的力为f_xi，沿y_b方向的力为f_yi，沿z_b方向的力为f_zi，其中i＝1,3，F_x为机体在x_b方向上的虚拟力，F_y为机体在y_b方向的虚拟力，F_z为机体在z_b方向的虚拟力，G为四足机器人自重，而后结合雅克比矩阵得到支撑腿的驱动关节力矩，同时采用弹簧倒立摆控制算法以实现侧向速度控制；

四足机器人从静止开始加速、匀速和减速至再次静止的过程称为全运动过程，四足机器人负重时相当于机体质量增大，为方便研究，本发明定义四足机器人半载为2倍机身质量，满载为3倍机身质量；

四足机器人腿部关节采用液压驱动单元的驱动形式，因此需要根据液压缸在关节处的结构参数换算得到液压缸活塞杆在四足机器人行走过程中的运动和受力；

设液压缸的伸长量为c_i，各关节力矩和角速度与液压缸活塞杆出力和速度的关系如下：

髋侧摆关节：

髋纵摆关节：

膝关节：

将四足机器人各驱动关节力矩导入式(2.29)、(2.31)和(2.33)可得到液压驱动单元中液压缸活塞杆的出力，四足机器人腿部关节负载呈现周期性变化，且可将同一周期分为两阶段，阶段一为负载较小且变化幅度较小，此时该腿腿部腾空，向前迈动，可称作快速摆动阶段；阶段二为负载较大且变化幅度很大，此时该腿腿部触地，实现支撑，将该阶段称作触地支撑阶段。在腿部快速摆动阶段，腿部腾空，受力很小；而在腿部触地支撑阶段，腿部接触地面以支撑机体，此时，腿部运动很小，但执行器受力较大。将各关节角速度导入式(2.28)、(2.30)和(2.32)可得液压缸活塞杆的速度，然后经积分可得液压缸活塞杆位移；

仿真过程中四足机器人的速度先增大然后匀速最后减小，由关节液压缸的速度及出力可得，随着四足机器人行走速度的变化；从而得到四足机器人腿部关节的负载规律分析。

2.根据权利要求1所述的一种四足机器人腿部关节负载规律分析方法，其特征在于：根据S3步骤可知，此时由支撑腿足端作用力到虚拟力的变换矩阵行列式为0，令两支撑腿的侧向力相等，以实现对四足机器人机体虚拟力的分解。

3.根据权利要求1所述的一种四足机器人腿部关节负载规律分析方法，其特征在于：四足机器人对角步态行走过程中，足端轨迹采用改进的摆线轨迹，摆动腿的控制方法与机体控制方法类似，在足端实际位置与期望位置之间添加虚拟弹簧阻尼元件，实现摆动腿足端对理想轨迹跟踪，然后运用ADAMS与MATLAB/Simulink联合仿真实现机器人对角步态行走控制仿真，从而得到四足机器人对角步态前进过程中机体参数的变化。

4.根据权利要求1所述的一种四足机器人腿部关节负载规律分析方法，其特征在于：弹簧倒立摆控制算法主要包括：通过改变腿部触地时的着地角实现放腿位置的变化；通过调整着地时髋关节的力矩实现机体姿态平衡；通过对恢复阶段主动力的控制实现对机体弹跳高度的控制。

5.根据权利要求1所述的一种四足机器人腿部关节负载规律分析方法，其特征在于：四足机器人腿部关节负载规律主要包括关节的运动规律和受力规律两部分。

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