[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

本發明涉及一種基于優化支撐比的足式機器人足端力分配方法，屬于機器人足力分配優化技術領域。本發明(1)分析垂直載荷時，直接對支撐比進行優化分配。多足機器人足端力分配的重要目標之一是行走穩定性，本發明首先對支撐比進行優化，因此首先保證了行走穩定性。(2)在保證行走穩定性的情況下，繼續分析水平方向分力，并直接對力的方向進行優化。傳統方法的優化目標是總力矩最小或者功率消耗最低，這樣的優化目標無法保證足端力最優，而本方法直接瞄準足端力及其方向進行優化，從更高層次上保證了優化結果。(3)在進行力分配時，每個環節都考慮了足端力位置，因此充分利用了力和力矩平衡的特點，進一步確保優化結果。

技術領域

本發明涉及機器人足力分配優化技術領域，具體涉及一種基于優化支撐比的足式機器人足端力分配方法。

背景技術

對于多足機器人而言，至少有三條腿處于支撐狀態，才能保持機身穩定。由于每個足端存在三個方向的分力，存在9個未知數，而移動機器人只能列出6個平衡方程，因此多足機器人足端力分配具有多種解法，而不同解法將導致不同的足端力分配結果。足端力分配解法主要分為兩大類。第一種是偽逆法，采用螺旋理論列出多肢體系統的平衡方程和足端摩擦力約束方程，根據偽逆思想，推導足端支反力的求解公式，該方法得到的結果不能保證機器人關節的控制力矩最優。第二種是優化法，推導以關節力矩為變量的動力學方程，摩擦約束方程等，以關節力矩平方和最小、電機所需功率總和最小為目標函數，進行優化求解。第一種方法的不足在于，無法獲得最優解；第二種方法的不足在于，需要考慮的因素較多，因此計算復雜，效率低下。

發明內容

(一)要解決的技術問題

本發明要解決的技術問題是：如何設計一種足式機器人足端力分配方法，對支撐比、力的大小以及力的方向進行優化，保證優化效果。

(二)技術方案

為了解決上述技術問題，本發明提供了一種基于優化支撐比的足式機器人足端力分配方法，包括以下步驟：

S1、以機身坐標系為參考坐標系，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。

(三)有益效果

本發明在考慮足端位置的基礎上，對支撐比、力的大小以及力的方向進行優化，直接保證了優化效果。具體為：(1)分析垂直載荷時，直接對支撐比進行優化分配。多足機器人足端力分配的重要目標之一是行走穩定性，本發明首先對支撐比進行優化，因此首先保證了行走穩定性。(2)在保證行走穩定性的情況下，繼續分析水平方向分力，并直接對力的方向進行優化。傳統方法的優化目標是總力矩最小或者功率消耗最低，這樣的優化目標無法保證足端力最優，而本方法直接瞄準足端力及其方向進行優化，從更高層次上保證了優化結果。(3)在進行力分配時，每個環節都考慮了足端力位置，因此充分利用了力和力矩平衡的特點，進一步確保優化結果。

附圖說明

圖1是期望零力矩點分析示意圖；

圖2是各條腿支撐比分析示意圖；

圖3是各條腿作用力分析示意圖。

具體實施方式

為使本發明的目的、內容、和優點更加清楚，下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式作進一步詳細描述。