[發(fā)明專利]考慮外力沖擊干擾和阻尼的多足機(jī)器人能量裕度計算方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201611138545.4
• 申請日: 2016-12-12
• 公開（公告）號: CN106737669B
• 公開（公告）日: 2019-10-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 艾青林;徐冬;簡燕梅
• 申請（專利權(quán)）人: 杭州宇芯機(jī)器人科技有限公司
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 杭州斯可睿專利事務(wù)所有限公司 33241
• 代理人: 王利強(qiáng)

一種考慮外力沖擊干擾和阻尼的多足機(jī)器人能量裕度計算方法，包括如下步驟：步驟一：把機(jī)器人的翻轉(zhuǎn)動作轉(zhuǎn)換為包含彈簧阻尼特性的機(jī)械旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，計算機(jī)器人的能量裕度表達(dá)式；步驟二：建立機(jī)器人在笛卡爾坐標(biāo)系下的D?H數(shù)學(xué)模型；步驟三：結(jié)合步驟二解析機(jī)器人能量裕度函數(shù)所需有關(guān)參數(shù)。本發(fā)明依據(jù)重心位置、虛擬彈性阻尼、合力矩得出，最終用于機(jī)器人在復(fù)雜路面行走時因外力沖擊和自身慣性力矩作用，判定是否發(fā)生傾覆，以確保機(jī)器人穩(wěn)定的行走。最終提出一種能適用于多種地形，且時效的穩(wěn)定性計算方法。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及機(jī)器人穩(wěn)定性領(lǐng)域，具體涉及一種考慮外力沖擊干擾和阻尼的多足機(jī)器人能量裕度計算方法。

背景技術(shù)

近年來，隨著機(jī)器人技術(shù)日益成熟，在探險、焊接、太空、搬運(yùn)、服務(wù)方面得到非常廣泛的應(yīng)用。多足機(jī)器人是一個復(fù)雜的機(jī)電一體化系統(tǒng)。作為被控對象，其本身是一個高度非線化、多變量、多參數(shù)耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，使對其穩(wěn)定性控制變的尤為困難。因此機(jī)器人穩(wěn)定性控制問題成為近年來研究的熱點(diǎn)問題。

機(jī)器人在野外行走，六足機(jī)器人相對二足、四足機(jī)器人而言，具有更豐富的運(yùn)動步態(tài)。且六足機(jī)器人具有冗余的腿，機(jī)器人在復(fù)雜路面行走時，即使當(dāng)一條腿或若干腿失效時，只要有三條腿能保持支撐狀態(tài)，機(jī)器人能繼續(xù)保持一定的運(yùn)動能力。因此本發(fā)明以六足機(jī)器人在崎嶇地面上行走作為研究對像。

目前針對六足機(jī)器人在崎嶇地面上動態(tài)穩(wěn)定性研究，通常采用是零力矩(ZMP)判定、壓力中心法(COP)，然而其只考慮了機(jī)器人的足端反力，考慮因素過少，且不能反映機(jī)器人的抗干擾能力。傳統(tǒng)的能量穩(wěn)定邊界法沒有考慮到機(jī)器人的機(jī)械震蕩屬性。而李雅普諾夫穩(wěn)定性理論難于對時變、非線性化做出瞬時響應(yīng)。因此，目前需要一種機(jī)器人穩(wěn)定性判定的方法能實(shí)時監(jiān)測機(jī)器人的穩(wěn)定性，使機(jī)器人能快速做出調(diào)整，保持穩(wěn)定的行走。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有的穩(wěn)定性判定方法存在考慮影響因素太少或時效性差的問題，本發(fā)明提出一種考慮外力沖擊干擾和阻尼的多足機(jī)器人能量裕度計算方法。該算法主要依據(jù)重心位置、虛擬彈性阻尼、合力矩得出，最終用于機(jī)器人在復(fù)雜路面行走時因外力沖擊和自身慣性力矩作用，判定是否發(fā)生傾覆，以確保機(jī)器人穩(wěn)定的行走。最終提出一種能適用于多種地形，且時效的穩(wěn)定性計算方法。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一種考慮外力沖擊干擾和阻尼的多足機(jī)器人能量裕度計算方法，包括如下步驟：

步驟一：把機(jī)器人的翻轉(zhuǎn)動作轉(zhuǎn)換為包含彈簧阻尼特性的機(jī)械旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，計算機(jī)器人的能量裕度表達(dá)式；

步驟二：建立機(jī)器人在笛卡爾坐標(biāo)系下的D-H數(shù)學(xué)模型；

步驟三：結(jié)合步驟二解析機(jī)器人能量裕度函數(shù)所需有關(guān)參數(shù)。

進(jìn)一步，所述的步驟一通過以下方式實(shí)現(xiàn)：

1.1)根據(jù)牛頓第二定律列出機(jī)器人的動力學(xué)微分方程：

其中，將繞邊線翻轉(zhuǎn)時的機(jī)器人，視為一個機(jī)械旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由轉(zhuǎn)動慣量為J_i、扭轉(zhuǎn)剛度為K_S和粘性阻尼系數(shù)為C的阻尼器組成；

1.2)求解機(jī)器人繞邊線旋轉(zhuǎn)的實(shí)時重心處合力矩，即驅(qū)動力矩：

式中，M_Gi為實(shí)時重心處重力相對旋轉(zhuǎn)邊線產(chǎn)生的力矩；M_I為實(shí)時重心處的等效慣性力矩；M_ri為著地腳因支撐力產(chǎn)生的力矩；f_i為各足端豎直向上的力；θ_i為直線AB與水平面夾角，δ_i為重心繞邊線到最高點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)角度；θ為斜線傾角；r_i為各足端到旋轉(zhuǎn)邊線的距離；e_i為旋轉(zhuǎn)邊線的單位法向量，以支撐多邊形逆時針方向?yàn)檎较颍?/p>