基于优化支撑比的足式机器人足端力分配方法组成比例

本发明专利技术涉及一种基于优化支撑比的足式机器人足端力分配方法，属于机器人足力分配优化技术领域。本发明专利技术(1)分析垂直载荷时，直接对支撑比进行优化分配。多足机器人足端力分配的重要目标之一是行走稳定性，本发明专利技术首先对支撑比进行优化，因此首先保证了行走稳定性。(2)在保证行走稳定性的情况下，继续分析水平方向分力，并直接对力的方向进行优化。传统方法的优化目标是总力矩最小或者功率消耗最低，这样的优化目标无法保证足端力最优，而本方法直接瞄准足端力及其方向进行优化，从更高层次上保证了优化结果。(3)在进行力分配时，每个环节都考虑了足端力位置，因此充分利用了力和力矩平衡的特点，进一步确保优化结果。

Foot Force Distribution Method of Foot Robot Based on Optimized Support Ratio

The invention relates to a foot force distribution method of a foot-type robot based on optimized support ratio, belonging to the technical field of foot force distribution optimization of robots. The invention (1) When analyzing the vertical load, the support ratio is directly optimized. One of the important goals of foot force distribution of a multi-legged robot is walking stability. Firstly, the support ratio of the multi-legged robot is optimized, so the walking stability is ensured. (2) Under the condition of ensuring the stability of walking, we should continue to analyze the horizontal force component and optimize the direction of force directly. The optimization objective of traditional methods is to minimize the total torque or power consumption, which can not guarantee the optimal foot force. This method aims directly at the foot force and its direction to optimize, and ensures the optimization results from a higher level. (3) In the process of force distribution, the foot force position is taken into account in each link, so the characteristics of force and moment balance are fully utilized to further ensure the optimization results.

【技术实现步骤摘要】
基于优化支撑比的足式机器人足端力分配方法
本专利技术涉及机器人足力分配优化
，具体涉及一种基于优化支撑比的足式机器人足端力分配方法。
技术介绍
对于多足机器人而言，至少有三条腿处于支撑状态，才能保持机身稳定。由于每个足端存在三个方向的分力，存在9个未知数，而移动机器人只能列出6个平衡方程，因此多足机器人足端力分配具有多种解法，而不同解法将导致不同的足端力分配结果。足端力分配解法主要分为两大类。第一种是伪逆法，采用螺旋理论列出多肢体系统的平衡方程和足端摩擦力约束方程，根据伪逆思想，推导足端支反力的求解公式，该方法得到的结果不能保证机器人关节的控制力矩最优。第二种是优化法，推导以关节力矩为变量的动力学方程，摩擦约束方程等，以关节力矩平方和最小、电机所需功率总和最小为目标函数，进行优化求解。第一种方法的不足在于，无法获得最优解；第二种方法的不足在于，需要考虑的因素较多，因此计算复杂，效率低下。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术要解决的技术问题是：如何设计一种足式机器人足端力分配方法，对支撑比、力的大小以及力的方向进行优化，保证优化效果。(二)技术方案为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种基于优化支撑比的足式机器人足端力分配方法，包括以下步骤：S1、以机身坐标系为参考坐标系，将所有支撑腿简化为一条虚拟支撑腿，基于机身虚拟伺服力，建立机身力矩平衡方程，从而求取虚拟支撑腿期望零力矩点；S2、采用最小二乘法设计支撑比的优化目标函数，求取各支撑腿的实际支撑比，并得到三条支撑腿在z方向的力；S3、设计各支撑腿的水平方向分力为未知数，基于未知足端力方向和期望足端力方向，得到足端力方向的优化目标函数，从而获取各支撑腿在x和y方向的分力。(三)有益效果本专利技术在考虑足端位置的基础上，对支撑比、力的大小以及力的方向进行优化，直接保证了优化效果。具体为：(1)分析垂直载荷时，直接对支撑比进行优化分配。多足机器人足端力分配的重要目标之一是行走稳定性，本专利技术首先对支撑比进行优化，因此首先保证了行走稳定性。(2)在保证行走稳定性的情况下，继续分析水平方向分力，并直接对力的方向进行优化。传统方法的优化目标是总力矩最小或者功率消耗最低，这样的优化目标无法保证足端力最优，而本方法直接瞄准足端力及其方向进行优化，从更高层次上保证了优化结果。(3)在进行力分配时，每个环节都考虑了足端力位置，因此充分利用了力和力矩平衡的特点，进一步确保优化结果。附图说明图1是期望零力矩点分析示意图；图2是各条腿支撑比分析示意图；图3是各条腿作用力分析示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述。本专利技术提出一种基于优化支撑比的足式机器人足端力分配方法，采用单腿虚拟腿模型，根据机身虚拟伺服力获取虚拟腿期望零力矩点；根据足端位置，采用非线性优化算法获取最小支撑比；根据机身虚拟伺服力、最小支撑比、以及足端位置对足端力方向进行优化。具体包括以下步骤：如图1所示，步骤S1，以机身坐标系为参考坐标系，假设左后腿HL为摆动腿，其余三条腿右后腿HR、左前腿FL以及右前腿FR为支撑腿，求取虚拟支撑腿期望零力矩点。本步骤中，将所有支撑腿简化为一条虚拟支撑腿，基于机身虚拟伺服力，建立机身力矩平衡方程。根据该方程可以获取虚拟支撑腿期望零力矩点。具体包括：步骤S11：求取期望零力矩点COP的y轴坐标。在yz平面上，机身质心受到绕x轴的力矩Mx，沿y轴和z轴的作用力Fy和Fz，期望零力矩点COP在该yz平面上受到相同方向和大小的y轴和z轴方向作用力Fy和Fz，期望零力矩点COP的z轴坐标zc等于机身估计高度H。由此可以基于Mx、Fy、Fz、zc，期望零力矩点COP的y轴坐标yc，列出yz方向的力矩平衡方程，最终获得yc：-Fyzc+Fzyc＝Mx(1)步骤S12：求取期望零力矩点COP的x轴坐标。在xz平面上，机身质心受到绕y轴的力矩My，沿x轴和z轴的作用力Fx和Fz，期望零力矩点COP在该xz平面上受到相同方向和大小的x轴和z轴方向作用力Fx和Fz，期望零力矩点COP的z轴坐标zc等于机身估计高度H。由此可以基于My、Fx、Fz、zc，期望零力矩点x轴坐标xc，列出xz方向的力矩平衡方程，最终获得xc：Fxzc-Fzxc＝My(2)如图2所示，步骤S2，求取各支撑腿的实际支撑比以及三条支撑腿在z方向的力。本步骤中，设计各支撑腿的期望支撑比，采用最小二乘法设计支撑比的优化目标函数，从而获取各支撑腿的实际支撑比。具体包括：步骤S21：设计各条支撑腿的实际支撑比为未知数rfl,rfr,rhr，期望支撑比r'fl,r'fr,r′hr为已知数，得到关系式：其中，Fz为虚拟支撑腿期望零力矩点COP在z方向所受的力，三个等式右边的分子分别表示对应三条支撑腿在z方向所受的力。步骤S22：建立各支撑腿的足端坐标和实际支撑比，与期望零力矩点坐标的函数，即：f(xj，rj)表示自变量为xj、rj的函数，f(yj,rj)表示自变量为yj、rj的函数，其中下标j＝fl,fr,hr；xj、yj表示对应支撑腿的足端x、y轴坐标。步骤S23：基于实际支撑比和期望支撑比，建立支撑比优化目标函数。J＝f(rfl,rfr,rhr,r'fl,r'fr,r′hr)(5)步骤S24：基于步骤S22和步骤S23，求解实际支撑比，再根据公式(3)求得三条支撑腿在z方向的力。如图3所示，步骤S3，求取各支撑腿在x和y方向的分力，从而得到了各支撑腿的足端力方向。本步骤中，设计各支撑腿的水平方向分力为未知数，基于未知足端力方向和期望足端力方向，可以得到足端力方向的优化目标函数，从而获取各支撑腿的足端力方向。具体包括：步骤S31：设计各条支撑腿的水平、垂直方向实际分力为未知数，结合各条支撑腿的垂直载荷，获得水平、垂直两个方向的实际足端力之比dx、dy的计算公式，如公式(6)所示；根据各支撑腿的足端位置，即在x、y、z轴的坐标，设计水平、垂直两个方向的期望足端力之比dx’、dy’，如公式(7)所示。步骤S32：基于各条支撑腿的实际支撑比和足端位置，以及利用步骤S31得到的各条支撑腿在x、y、z三个方向的实际分力，建立机身在x、y方向的力矩平衡方程，以及绕z轴的力矩平衡方程，由此建立非线性方程组。步骤S33：基于未知的实际足端力之比和已知的期望足端力之比，建立足端力之比的优化目标函数(8)，联立步骤S32所建立的非线性方程组得到实际足端力之比，然后根据公式(6)求解各支撑腿在x和y方向的分力。J'＝f(dxj,dyj,d'xj,d'yj),j＝fl,fr,hr(8)以上所述仅是本专利技术的优选实施方式，应当指出，对于本
的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本专利技术的保护范围。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于优化支撑比的足式机器人足端力分配方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、以机身坐标系为参考坐标系，假设左后腿hl为摆动腿，其余三条腿右后腿hr、左前腿fl以及右前腿fr为支撑腿，将所有支撑腿简化为一条虚拟支撑腿，基于机身虚拟伺服力，建立机身力矩平衡方程，从而求取虚拟支撑腿期望零力矩点；S2、采用最小二乘法设计支撑比的优化目标函数，求取各支撑腿的实际支撑比，并得到三条支撑腿在z方向的力；S3、设计各支撑腿的水平方向分力为未知数，基于未知足端力方向和期望足端力方向，得到足端力方向的优化目标函数，从而获取各支撑腿在x和y方向的分力，即各支撑腿的足端力方向；假设左后腿为摆动腿，其余三条腿为支撑腿，则步骤S1具体包括：S11、求取期望零力矩点COP的y轴坐标：在yz平面上，机身质心受到绕x轴的力矩Mx，沿y轴和z轴的作用力Fy和Fz，期望零力矩点COP在该yz平面上受到相同方向和大小的y轴和z轴方向作用力Fy和Fz，期望零力矩点COP的z轴坐标zc等于机身估计高度H，由此基于Mx、Fy、Fz、zc，期望零力矩点COP的y轴坐标yc，列出yz方向的力矩平衡方程，最终获得yc：‑Fyzc+Fzyc＝Mx                        (1)S12：求取期望零力矩点COP的x轴坐标：在xz平面上，机身质心受到绕y轴的力矩My，沿x轴和z轴的作用力Fx和Fz，期望零力矩点COP在该xz平面上受到相同方向和大小的x轴和z轴方向作用力Fx和Fz，期望零力矩点COP的z轴坐标zc等于机身估计高度H，由此基于My、Fx、Fz、zc，期望零力矩点x轴坐标xc，列出xz方向的力矩平衡方程，最终获得xc：Fxzc‑Fzxc＝My                          (2)；步骤S2具体包括：S21：设计各条支撑腿的实际支撑比为未知数rfl,rfr,rhr，期望支撑比r’fl,r’fr,r’hr为已知数，得到关系式：...

【技术特征摘要】
1.一种基于优化支撑比的足式机器人足端力分配方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、以机身坐标系为参考坐标系，假设左后腿hl为摆动腿，其余三条腿右后腿hr、左前腿fl以及右前腿fr为支撑腿，将所有支撑腿简化为一条虚拟支撑腿，基于机身虚拟伺服力，建立机身力矩平衡方程，从而求取虚拟支撑腿期望零力矩点；S2、采用最小二乘法设计支撑比的优化目标函数，求取各支撑腿的实际支撑比，并得到三条支撑腿在z方向的力；S3、设计各支撑腿的水平方向分力为未知数，基于未知足端力方向和期望足端力方向，得到足端力方向的优化目标函数，从而获取各支撑腿在x和y方向的分力，即各支撑腿的足端力方向；假设左后腿为摆动腿，其余三条腿为支撑腿，则步骤S1具体包括：S11、求取期望零力矩点COP的y轴坐标：在yz平面上，机身质心受到绕x轴的力矩Mx，沿y轴和z轴的作用力Fy和Fz，期望零力矩点COP在该yz平面上受到相同方向和大小的y轴和z轴方向作用力Fy和Fz，期望零力矩点COP的z轴坐标zc等于机身估计高度H，由此基于Mx、Fy、Fz、zc，期望零力矩点COP的y轴坐标yc，列出yz方向的力矩平衡方程，最终获得yc：-Fyzc+Fzyc＝Mx(1)S12：求取期望零力矩点COP的x轴坐标：在xz平面上，机身质心受到绕y轴的力矩My，沿x轴和z轴的作用力Fx和Fz，期望零力矩点COP在该xz平面上受到相同方向和大小的x轴和z轴方向作用力Fx和Fz，期望零力矩点COP的z轴坐标zc等于机身估计高度H，由此基于My、Fx、Fz、zc，期望零力矩点x轴坐标xc，列出xz方向的力矩平衡方程，最终获得xc：Fxzc-Fzxc＝My(2)；步骤S2具体包括：S21：设计各条支撑腿的实际支撑比为未知数rfl,rfr...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏波，党睿娜，姚其昌，许鹏，田源木，冯石柱，赵洪雷，许威，蒋云峰，慕林栋，杨建雄，杨天夫，王宏明，谢强，
申请(专利权)人：中国北方车辆研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11