基于多足机器人的姿态平稳性调整方法技术

本发明专利技术公开一种基于多足机器人的姿态平稳性调整方法，首先通过运动学分析建立多足机器人支撑腿关节角与机体姿态角的映射关系；基于所设计的映射模型，将姿态的平稳调整通过支撑腿的稳定调整来实现；其次，设定满足机器人姿态平稳调整要求的约束指标，基于S曲线加减速法规划机体姿态角变换曲线，再经过映射关系得到关节的控制轨迹要求，从而实现平稳调整；此外，还针对姿态变换时多足机器人支撑腿个数不同所产生的冗余问题给出了具体的选择和运动控制方法，达到多足机器人的姿态调整时机体平稳无晃动的目的，为多足机器人在崎岖地形下进行姿态调整时提供了一种平稳的规划方法，解决了传统规划方法机器人在变换机体姿态时产生的机身不稳定问题，为多足机器人提高地形适应能力提供了重要参考。

Attitude stability adjustment method based on multi legged robot

【技术实现步骤摘要】
基于多足机器人的姿态平稳性调整方法
本专利技术涉及机器人姿态调整领域,具体涉及一种基于多足机器人的姿态平稳性调整方法。
技术介绍
多足式机器人拥有较好的跨越障碍的能力和对复杂地形的适应能力，得益于机器人根据地形环境产生良好的适应性姿态，姿态之间的不断调整能够保证机器人完成移动任务时的高效性和稳定性，可以作为多自由度操作平台在崎岖复杂地形情况下完成移动任务。然而机器人在进行姿态调整时，由于机体加速度的不连续性易使机身产生晃动，尤其机器人在背负大负载工作时甚至产生机体倾翻。因此有必要对机器人姿态调整过程中平稳性进行研究，解决姿态调整时的机身晃动问题。为提高六足机器人在崎岖地形的适应能力，许多学者从机器人的机械结构、力/位控制、改进算法和控制策略等角度对位姿调整方面展开大量研究。比如，在机械结构改进方面，Roennau等人提出一种反应姿态控制方法，通过增加一个额外的旋转关节实现机器人在严重崎岖地形下的稳定性；MarkoBjelonic等研究了一种新型的六足机器人，其每条腿有5个关节，其中两个冗余关节通过控制身体姿态和腿相对于地面的方向来提高机器人的地形适应力；从改进算法的角度，Jung-YupKim提出一种六足机器人压力中心控制算法，将机器人建立为带弹簧和阻尼器的倒立摆模型，利用传感反馈控制器来控制平衡位姿，实现了机器人以自由步态下的稳定行走；DominikBelter以Messor机器人为研究对象，基于粒子群优化算法提出了姿态优化算法，并结合机体运动规划，实现了越障时机体姿态的控制；另外，在控制策略调整方面，JanFaigl以价格较低无传感器的机器人为载体提出一种自适应控制方法，实现无任何额外传感器的情况下，减小机器人结构与伺服电机的应力和扭矩；Wen-JuneWang提出一种六足机器人斜面行走的控制策略，机器人在斜面行走时通过惯性测量单元获得旋转矩阵，利用模糊控制器来调整支撑腿的电机角度实现姿态的调节等等。然而上述这些对位姿的研究都没有考虑机器人在姿态调整时机身惯性力的问题，这样会使机器人运行时机身产生晃动，因此亟待提出一种技术方案，对机器人姿态平稳性调整进行规划，避免机身晃动问题，进一步提高机器人的地形适应能力。
技术实现思路
在进行姿态调整时，由于机体加速度的不连续性易使机体产生晃动，本专利技术为解决机器人在足端点位置固定、姿态调整时机身晃动的问题，提出一种基于多足机器人的姿态平稳性调整方法，达到姿态调整时机体平稳无晃动的目的。本专利技术是采用以下的技术方案实现的：一种基于多足机器人的姿态平稳性调整方法，包括以下步骤：步骤A、基于运动学分析构建多足机器人支撑腿关节角与机体姿态的映射关系，基于所设计的映射模型，将姿态的平稳性调整通过支撑腿的稳定调整来实现；步骤B、多足机器人的姿态平稳性调整，包括：步骤B1、设定满足多足机器人姿态平稳调节要求的约束指标；步骤B2、基于S曲线加减速法规划机体姿态角变换曲线；步骤B3、根据步骤A所得到的映射关系得到支撑腿关节的控制轨迹要求，从而实现多足机器人的姿态平稳性调整。进一步的，由于多足机器人在姿态调整过程中可能会出现某条支撑腿关节角度限位的情况，因此在姿态调整前需先对所有支撑腿进行分析，故对多足机器人姿态平稳性调整前还包括步骤B’：多足机器人支撑腿判断，具体包括：步骤B’1、支撑腿判别，确定多足机器人中的支撑腿和随动腿；步骤B’2、对确定的支撑腿和随动腿进行规划：(1)对确定的支撑腿进行规划，得到姿态角变换曲线所对应的支撑腿关节角变化曲线；(2)对确定的随动腿进行规划，得到其足端规划曲线。进一步的，所述步骤A具体包括以下步骤：步骤A1、建立多足机器人的运动学模型；(1)建立参考坐标系ΣW、机体坐标系ΣB和跟关节坐标系ΣGi，并得到第i条腿足端位置在跟关节坐标系ΣGi中的描述；(2)根据单腿逆运动学方程，通过多个足端位置得到关节角度矩阵θi＝[θi1,θi2,θi3]T，i为多足机器人腿的数量；其中，θi＝[θi1,θi2,θi3]T表示第i条腿从内而外，分别为跟关节、髋关节和膝关节的转角，l1-l3分别对应的表示基节长度、股节长度和胫节长度；(3)足端运动时，机器人第i条腿足端速度与关节角速度之间的变换关系为：其中，Ji为雅可比矩阵，通过建立正逆运动学模型，得到了腿部关节角度和足端位置的对应关系；步骤A2、建立姿态角-关节角映射模型：(1)定义多足机器人姿态矩阵E＝[α,β,γ]T，α，β，γ分别表示机器人姿态的偏转角、俯仰角和滚动角；足端点在跟关节坐标系下与在机体坐标系下的坐标存在关系：式中，为跟关节在ΣB中的位置，由机体结构决定；足端点在机体坐标系下与在参考坐标系下的坐标存在关系：WPi＝WRBBPi(8)式中，BPi为支撑腿足端在机体坐标系中的位置；WPi为支撑腿足端在参考坐标系中的位置；WRB为机体坐标系相对于参考坐标系的旋转矩阵；(2)由式(6)和(8)，跟关节坐标系中的足端位置与姿态角的关系可表示为当机器人支撑足端位置固定时，由式(9)建立各支撑腿在跟关节坐标系中的位置与姿态角的映射关系。进一步的，所述步骤B1中，为使姿态调整时达到机体平稳无晃动的目标，多足机器人满足以下约束条件：式中，Ef为初始姿态角度；Ea为目标姿态角度；E(t)为姿态角曲线；为姿态角速度曲线；为姿态角加速度曲线；θij为第i条腿第j个关节的角度；θijmin为该关节的角度最小值；θijmax为该关节的角度最大值；vij为该关节的角速度；Ve为该关节的角速度最大值；T为调整周期。进一步的，所述步骤B2中，基于S曲线加减速法规划机体姿态角变换曲线具体采用以下方式：(1)为了清晰的描述E(t)在其值域内的运动，简化初始和目标角度姿态角改变时的计算量，令姿态角度变化曲线描述为：由于E(t)中的每一个元素值均不大于Ea中对应的元素值，所以有0≤s(τ)≤1，s(τ)为角度变化的比例系数和自变量，描述了角度的变化过程，通过设计s(τ)函数实现对姿态角的规划；(2)基于上述多个平稳指标的约束条件，采用五段“S”曲线加减速的规划方法进行插补，该曲线分为加加速、加减速、匀速、减加速、减减速五段：由于除匀速段以外，其余四个阶段对称，设四个变速段斜率大小都为A，四段的时间都为Ta，加加速段位移L1、加减速段位移L2。则：则s(τ)的加速度分段函数为：对加速度积分可得：对速度积分可得到s(τ)的分段函数：根据姿态平稳调节的目标，设计了加速度起止为零且连续的加减速规划方法，根据该方法实现平稳姿态调节。进一步的，所述步骤B’1中，对支撑腿判别时具体采用以下方式；1)将多足机器人所有的腿的标志位设置为“1”，由目标姿态Ea通过式(2)、(9)得到每条支撑腿的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于多足机器人的姿态平稳性调整方法，其特征在于：包括以下步骤：/n步骤A、基于运动学分析构建多足机器人支撑腿关节角与机体姿态的映射关系；/n步骤B、多足机器人的姿态平稳性调整，包括：/n步骤B1、设定满足多足机器人姿态平稳调节要求的约束指标；/n步骤B2、基于S曲线加减速法规划机体姿态角变换曲线；/n步骤B3、根据步骤A所得到的映射关系得到支撑腿关节的控制轨迹要求，从而实现多足机器人的姿态平稳性调整。/n

【技术特征摘要】
1.基于多足机器人的姿态平稳性调整方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤A、基于运动学分析构建多足机器人支撑腿关节角与机体姿态的映射关系；
步骤B、多足机器人的姿态平稳性调整，包括：
步骤B1、设定满足多足机器人姿态平稳调节要求的约束指标；
步骤B2、基于S曲线加减速法规划机体姿态角变换曲线；
步骤B3、根据步骤A所得到的映射关系得到支撑腿关节的控制轨迹要求，从而实现多足机器人的姿态平稳性调整。


2.根据权利要求1所述的基于多足机器人的姿态平稳性调整方法，其特征在于：对多足机器人姿态平稳性调整前还包括步骤B’：多足机器人支撑腿判断，具体包括：
步骤B’1、支撑腿判别，确定多足机器人中的支撑腿和随动腿；
步骤B’2、对确定的支撑腿和随动腿进行规划：
(1)对确定的支撑腿进行规划，得到姿态角变换曲线所对应的支撑腿关节角变化曲线；
(2)对确定的随动腿进行规划，得到其足端规划曲线。


3.根据权利要求1或2所述的基于多足机器人的姿态平稳性调整方法，其特征在于：所述步骤A具体包括以下步骤：
步骤A1、建立多足机器人的运动学模型；
(1)建立参考坐标系ΣW、机体坐标系ΣB和跟关节坐标系ΣGi，并得到第i条腿足端位置在跟关节坐标系ΣGi中的描述；
(2)根据单腿逆运动学方程，通过多个足端位置得到关节角度矩阵θi＝[θi1,θi2,θi3]T，i为多足机器人的腿的数量；
其中，θi＝[θi1,θi2,θi3]T表示第i条腿从内而外，分别为跟关节转角、髋关节转角和膝关节转角；
(3)进而确定足端运动时，机器人第i条腿足端速度与关节角速度之间的变换关系；
步骤A2、建立姿态角-关节角映射模型：
(1)定义多足机器人姿态矩阵E＝[α,β,γ]T，α，β，γ分别表示机器人姿态的偏转角、俯仰角和滚动角；
确定足端点在跟关节坐标系下与在机体坐标系下的坐标关系以及足端点在机体坐标系下与在参考坐标系下的坐标关系；
(2)进而可以得到跟关节坐标系中的足端位置与姿态角的关系，当机器人支撑足端位置固定时，建立各支撑腿在跟关节坐标系中的位置与姿态角的映射关系。


4.根据权利要求3所述的基于多足机器人的姿态平稳性调整方法，其特征在于：所述步骤B1中，多足机器人满足以下约束条件：



式中，Ef为初始姿态角度；Ea为目标姿态角度；E(t)为姿态角曲线；为姿态角速度曲线；为姿态角加速度曲线；θij为第i条腿第j个关节的角度；θijmin为该关节的角度最小值；θijmax为该关节的角度最大值；vij为该关节的角速度；Ve为该关节的角速度最大值；T为调整周期。


5.根据权利要求4所述的基于多足机器人的姿态平稳性调整方法，其特征在于：所述步骤B2中，基于S曲线加减速法规划机体姿态角变换曲线具体采用以下方式：
(1)令将姿态角度变化曲线描述为：

...

【专利技术属性】
技术研发人员：张磊，王福才，王哲，徐佩琪，郜增辉，李元，刘策冲，
申请(专利权)人：中国海洋大学，青岛德林科姆电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37