[發明專利]基于優化支撐比的足式機器人足端力分配方法

有效

• 申請號: 201510958848.X
• 申請日: 2015-12-17
• 公開（公告）號: CN105608268B
• 公開（公告）日: 2019-03-08
• 發明（設計）人: 蘇波;黨睿娜;姚其昌;許鵬;田源木;馮石柱;趙洪雷;許威;蔣云峰;慕林棟;楊建雄;楊天夫;王宏明;謝強
• 申請（專利權）人: 中國北方車輛研究所
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 中國兵器工業集團公司專利中心 11011
• 代理人: 劉東升

1.一種基于優化支撐比的足式機器人足端力分配方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1、以機身坐標系為參考坐標系，假設左后腿hl為擺動腿，其余三條腿右后腿hr、左前腿fl以及右前腿fr為支撐腿，將所有支撐腿簡化為一條虛擬支撐腿，基于機身虛擬伺服力，建立機身力矩平衡方程，從而求取虛擬支撐腿期望零力矩點；

S2、采用最小二乘法設計支撐比的優化目標函數，求取各支撐腿的實際支撐比，并得到三條支撐腿在z方向的力；

S3、設計各支撐腿的水平方向分力為未知數，基于未知足端力方向和期望足端力方向，得到足端力方向的優化目標函數，從而獲取各支撐腿在x和y方向的分力，即各支撐腿的足端力方向；

假設左后腿為擺動腿，其余三條腿為支撐腿，則步驟S1具體包括：

S11、求取期望零力矩點COP的y軸坐標：在yz平面上，機身質心受到繞x軸的力矩M_x，沿y軸和z軸的作用力F_y和F_z，期望零力矩點COP在該yz平面上受到相同方向和大小的y軸和z軸方向作用力F_y和F_z，期望零力矩點COP的z軸坐標z_c等于機身估計高度H，由此基于M_x、F_y、F_z、z_c，期望零力矩點COP的y軸坐標y_c，列出yz方向的力矩平衡方程，最終獲得y_c：

-F_yz_c+F_zy_c＝M_x (1)

S12：求取期望零力矩點COP的x軸坐標：在xz平面上，機身質心受到繞y軸的力矩M_y，沿x軸和z軸的作用力F_x和F_z，期望零力矩點COP在該xz平面上受到相同方向和大小的x軸和z軸方向作用力F_x和F_z，期望零力矩點COP的z軸坐標z_c等于機身估計高度H，由此基于M_y、F_x、F_z、z_c，期望零力矩點x軸坐標x_c，列出xz方向的力矩平衡方程，最終獲得x_c：

F_xz_c-F_zx_c＝M_y (2)；

步驟S2具體包括：

S21：設計各條支撐腿的實際支撐比為未知數r_fl,r_fr,r_hr，期望支撐比r’_fl,r’_fr,r’_hr為已知數，得到關系式：

其中，F_z為虛擬支撐腿期望零力矩點COP在z方向所受的力，三個等式右邊的分子分別表示對應三條支撐腿在z方向所受的力；

步驟S22：建立各支撐腿的足端坐標和實際支撐比，與期望零力矩點坐標的函數，即：

f(x_j，r_j)表示自變量為x_j、r_j的函數，f(y_j,r_j)表示自變量為y_j、r_j的函數，其中下標j＝fl,fr,hr；x_j、y_j表示對應支撐腿的足端x、y軸坐標；

步驟S23：基于實際支撐比和期望支撐比，建立支撐比優化目標函數；

J＝f(r_fl,r_fr,r_hr,r’_fl,r’_fr,r’_hr) (5)

步驟S24：基于步驟S22和步驟S23，求解實際支撐比，再根據公式(3)求得三條支撐腿在z方向的力。

2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟S3具體包括：

步驟S31：設計各條支撐腿的水平、垂直方向實際分力為未知數，結合各條支撐腿的垂直載荷，獲得水平、垂直兩個方向的實際足端力之比d_x、d_y的計算公式，如公式(6)所示；根據各支撐腿的足端位置，即在x、y、z軸的坐標，設計水平、垂直兩個方向的期望足端力之比d_x’、d_y’，如公式(7)所示；

步驟S32：基于各條支撐腿的實際支撐比和足端位置，以及步驟S31中設計得到的各條支撐腿在x、y、z三個方向的實際分力，建立機身在x、y方向的力矩平衡方程，以及繞z軸的力矩平衡方程，由此建立非線性方程組；

步驟S33：基于未知的實際足端力之比和已知的期望足端力之比，建立足端力之比的優化目標函數(8)，聯立步驟S32所建立的非線性方程組得到實際足端力之比，然后根據公式(6)求解各支撐腿在x和y方向的分力；

J'＝f(d_xj,d_yj,d'_xj,d'_yj)，j＝fl,fr,hr (8)。