一种关节锁定故障的六足机器人容错运动规划方法技术

本发明专利技术涉及一种关节锁定故障的六足机器人容错运动规划方法。目前，足式机器人具有更好的地形适应性，然而，当机器人在远程工作时，执行器的故障是一个严重的问题。一种关节锁定故障的六足机器人容错运动规划方法，其组成包括：六足机器人本体，所述的六足机器人本体由机体(1)和六条腿(2)组成，机体采用正六边形结构，六条腿包括一号腿(2‑1)、二号腿(2‑2)、三号腿(2‑3)、四号腿(2‑4)、五号腿(2‑5)和六号腿(2‑6)，其中跟关节(3)为旋转关节，连接机体与基节，髋关节(4)为一级俯仰关节，连接基节与大腿，膝关节(5)为二级俯仰关节，连接大腿与小腿。本发明专利技术应用于关节锁定故障的六足机器人容错运动规划方法。

【技术实现步骤摘要】
一种关节锁定故障的六足机器人容错运动规划方法
：本专利技术涉及一种关节锁定故障的六足机器人容错运动规划方法。
技术介绍
：足式机器人具有更好的地形适应性。他们可以被派去执行对人类不安全的任务。然而，当机器人在远程工作时，执行器的故障是一个严重的问题。故障可能由多种原因引起，如通讯故障、电动机过载保护制动和机械损坏。而六足机器人可以找到许多容错步态，如三足步态和四足步态。腿有问题的六足机器人仍然可以执行全向行走、转弯、跟随领队步态等。六足机器人的容错步态还远未被发现。提出了周期性蟹步和优化的两相间断步态。它们之间有一定程度的相似性：一旦腿有毛病，就认为整条腿和身体是固定的。在支撑阶段，失败的腿没有主动摆动，只参与身体支撑工作。在转移阶段，一旦被提离，故障腿会随着机器人身体的位移而进行被动运动，即相对于机器人身体的位置不会改变。根据这种方法，如果两个执行器在不同的腿上发生故障，两个腿将被固定在身体上。这将使步行非常困难。现有容错步态的另一个共同点是未定义身体方向。一般来说，身体的方向通常与地面平行或由其他指标来定义。这样就减少了3个计划自由度。六足机器人的运动具有较强的耦合性，任何一个关节出现故障都可能使机器人运动紊乱，从而导致严重的后果。
技术实现思路
：本专利技术的目的是提供一种关节锁定故障的六足机器人容错运动规划方法。上述的目的通过以下的技术方案实现：一种关节锁定故障的六足机器人容错运动规划方法，其组成包括：六足机器人本体，所述的六足机器人本体由机体和六条腿组成，其中所述的机体采用正六边形结构，所述的六条腿包括一号腿、二号腿、三号腿、四号腿、五号腿和六号腿，且所述的六条腿均匀分布在机体外侧，每条腿的结构均相同，都具有三个自由度，其中跟关节为旋转关节，连接机体与基节，髋关节为一级俯仰关节，连接基节与大腿，膝关节为二级俯仰关节，连接大腿与小腿，所述的跟关节、所述的髋关节、所述的膝关节转角分别为α、β、γ，基节长度为L1，大腿长度为L2，小腿长度为L3。所述的关节锁定故障的六足机器人容错运动规划方法，世界坐标系与机体坐标系分别为和一号腿、二号腿、三号腿和四号腿、五号腿、六号腿关于机体坐标系的X轴对称，一号腿、四号腿与三号腿、六号腿关于机体坐标系的Y轴对称，当关节转角为零时，二号腿、五号腿与轴共线，初始状态时，世界坐标系与机体坐标系重合。所述的关节锁定故障的六足机器人容错运动规划方法，定义∑G-XgYgZg为世界坐标系，∑O-XoYoZo为机体坐标系，∑B-XbYbZb为跟关节坐标系，∑H-XhYhZh为髋关节坐标系，∑K-XkYkZk为膝关节坐标系，∑F-XfYfZf为足端坐标系，初始状态时，世界坐标系与机体坐标系重合；六足机器人单腿的雅可比矩阵为：所述的六足机器人容错运动规划及方法，该方法包括如下步骤：五次贝塞尔曲线表达式写作：f＝c0(1-t)5+5c1(1-t)4t+10c2(1-t)3t2+10c3(1-t)2t3+5c4(1-t)t4+c5t5(3)是∑G-XgYgZg坐标系下的雅可比矩阵，Ji是∑O-XoYoZo坐标系下的雅可比矩阵，RB为机器人机体相对于世界坐标系的旋转矩阵；BPi＝[BPixBPiyBPiz]T为第i条腿足端在机体坐标系中坐标；是足端在世界坐标系中的速度，是广义速度，为Li足端在世界坐标系的雅可比矩阵；其中，GPi是足端在地面坐标系下的坐标，是足端在身体坐标系下的坐标，XB表示身体坐标系原点在地面坐标系的位置，RB表示机器人身体坐标系到地面坐标系的旋转矩阵；保证机体质心处于支撑多边形内是保证机器人运动稳定性的重要条件，因而在静止步态中机体COM在X、Y轴上的位移具有比其它自由度更为重要的地位；式中：假设故障腿Li所在的第j(j＝1、2、3)个关节出现了锁定故障，那么可知此关节的角速度为0，因而可以得到下式：和分别代表JT和JR的第j行，VB＝[vxvyvz]T,ωB＝[ωxωyωz]T当六足机器人处于行走相时，vxvyvz对于机体的稳定更为重要，因而作为已知量，而ωx、ωy、ωz可以作为未知量；可知如果令θ＝[rollpitchyaw]T，为了对冗余度方程进行优化求解，首先构造对应雅可比矩阵的投影矩阵，如下所示：在满足f(θ)＝x公式的前提下使g(θ)获得最小值的关节变量值θ*需要满足如下的必要条件；式中θ*表示g(θ)达到最优值时的关节构型。值得注意的是雅可比矩阵秩为m，Φ(θ)的秩就为n-m，Gi(θ)＝0,将这些最优值的约束条件与f(θ)＝x合并，就得到了θ需要满足的公式：两边同时微分得到关节速度和末端速度之间的关系，如下所示：尽管在容错性步态中需要通过调整ωx、ωy、ωz以保证机体COM轨迹和足端轨迹的精确性，但我们仍希望调整后的姿态角与规划姿态角之间的偏差尽量小，因而可以将优化目标函数设为下式：g(θ)＝(roll-rolld)2+(pitch-pitchd)2+(yaw-yawd)2(22)上式中roll、pitch以及yaw分别为容错性机体姿态角的调整值。而为rolld、pitchd、yawd正常步态中姿态角期望值。在确定了优化目标函数之后，根据式就可以求得优化后的ωx、ωy、ωz。有益效果：1.本专利技术适用于关节锁定故障的容错性步态规划方法。通过六足机器人的浮动机体运动学模型，在锁定关节处建立冗余度方程；利用增广雅可比矩阵完成含有优化函数的冗余度方程求解，从而实现容错性步态规划。通过仿真分析和样机试验对所提方法的可行性和有效性进行了验证。结果表明，与现有方法相比，容错性步态规划方法能够有效地提高容错性步态的效率。2.本专利技术首先通过的浮动机体运动学在锁定关节处建立冗余度方程，然后利用增广雅可比矩阵完成含有优化函数的冗余度方程求解。并通过仿真分析和样机试验证明了所提方法的可行性和有效性。与以往规划方法相比，本专利技术中所提方法具有以下创新点:(1)采用浮动机体运动学将关节锁定故障下容错性步态规划问题转化为对冗余度方程的求解。(2)将容错性步态转化的冗余度方程与优化函数相结合，形成扩展雅可比矩阵，并用于容错性步态的求解，有效地提高了机器人容错性步态的运动效率。在文中，机器人质心运动过程中加速度的突变是导致容错性步态中机体晃动的主要原因。在后续研究中，将从加速度层面研究足端轨迹和机器人质心运动轨迹对容错性步态稳定性的影响，以进一步提高算法的稳定性。附图说明：附图1是本专利技术的六足机器人整体构型结构示意图。附图2是附图1中的单腿结构示意图。图中：1.机体，2.六条腿，2-1.一号腿，2-2.二号腿，2-3.三号腿，2-4.四号腿，2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种关节锁定故障的六足机器人容错运动规划方法，其组成包括：六足机器人本体，其特征是：所述的六足机器人本体由机体和六条腿组成，其中所述的机体采用正六边形结构，所述的六条腿包括一号腿、二号腿、三号腿、四号腿、五号腿和六号腿，且所述的六条腿均匀分布在机体外侧，每条腿的结构均相同，都具有三个自由度，其中跟关节为旋转关节，连接机体与基节，髋关节为一级俯仰关节，连接基节与大腿，膝关节为二级俯仰关节，连接大腿与小腿，所述的跟关节、所述的髋关节、所述的膝关节转角分别为α、β、γ，基节长度为L

【技术特征摘要】
1.一种关节锁定故障的六足机器人容错运动规划方法，其组成包括：六足机器人本体，其特征是：所述的六足机器人本体由机体和六条腿组成，其中所述的机体采用正六边形结构，所述的六条腿包括一号腿、二号腿、三号腿、四号腿、五号腿和六号腿，且所述的六条腿均匀分布在机体外侧，每条腿的结构均相同，都具有三个自由度，其中跟关节为旋转关节，连接机体与基节，髋关节为一级俯仰关节，连接基节与大腿，膝关节为二级俯仰关节，连接大腿与小腿，所述的跟关节、所述的髋关节、所述的膝关节转角分别为α、β、γ，基节长度为L1，大腿长度为L2，小腿长度为L3。


2.根据权利要求1所述的关节锁定故障的六足机器人容错运动规划方法，其特征是：世界坐标系与机体坐标系分别为和一号腿、二号腿、三号腿和四号腿、五号腿、六号腿关于机体坐标系的X轴对称，一号腿、四号腿与三号腿、六号腿关于机体坐标系的Y轴对称，当关节转角为零时，二号腿、五号腿与轴共线，初始状态时，世界坐标系与机体坐标系重合。


3.根据权利要求2所述的关节锁定故障的六足机器人容错运动规划方法，其特征是：定义∑G-XgYgZg为世界坐标系，∑O-XoYoZo为机体坐标系，∑B-XbYbZb为跟关节坐标系，∑H-XhYhZh为髋关节坐标系，∑K-XkYkZk为膝关节坐标系，∑F-XfYfZf为足端坐标系，初始状态时，世界坐标系与机体坐标系重合；



六足机器人单腿的雅可比矩阵为：





4.一种权利要求1—3之一所述的关节锁定故障的六足机器人容错运动规划方法，其特征是：该方法包括如下步骤：
五次贝塞尔曲线表达式写作：
f＝c0(1-t)5+5c1(1-t)4t+10c2(1-t)3t2+10c3(1-t)2t3+5c4(1-t)t4+c5t5(3)







是∑G-XgYgZg坐标系下的雅可比矩阵，Ji是∑O-XoYoZo坐标系下的雅可比矩阵，RB为机器人机体相对于世界坐标系的旋转矩阵；




BPi＝[BPixBPiyBPiz]T为第i条腿足端在机体坐标系中坐标；




是足端在世界坐标系中的速度，是广义速度，...

【专利技术属性】
技术研发人员：尤波，刘大权，李佳钰，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23