一种吸附式六足管道机器人安全移动步态控制方法技术

本发明专利技术公开了一种吸附式六足管道机器人安全移动步态控制方法，首先确定机器人移动前的初始状态构型；然后基于初始状态构型和切换规律，生成机器人从初始状态移动至落足状态的足端轨迹；并对足端轨迹进行修正；再基于修正后的足端轨迹生成各关节从初始状态至落足状态过程中的关节角配置序列；最后依据确定的关节角配置序列，控制机器人执行动作，沿管道壁面运动。本发明专利技术能够安全有效地实现机器人在管道内外壁360

【技术实现步骤摘要】
一种吸附式六足管道机器人安全移动步态控制方法


[0001]本申请属于多足机器人运动控制
，涉及机器人移动步态控制，尤其涉及吸附式六足管道机器人实现360
°
安全移动的步态控制。

技术介绍

[0002]管道移动机器人多采用壁压轮式机构，但是该方式往往无法适应内部有支撑物的管道，此类管道多出现在电力系统变电环节的输电设备中，如气体绝缘开关设备母线管道、气体绝缘输电线路管道、封闭母线管道等电气设备管道内部均布置有支撑绝缘子、导电柱等对壁压轮式管道机器人移动过程产生障碍的部件，因此足式移动机器人利用其优异的跨越和移动能力，很好地解决了管道内壁移动受限的问题，同时针对管道外壁移动也提供了一种高可行性的解决思路。但是常规足式移动机器人只能在管道内壁的底部移动，而无法克服重力实现管道内外壁的360
°
移动。
[0003]专利申请CN202111642536.X公开了一种六足爬壁机器人及其步态控制方法，其带电控永磁吸盘的六足可以让它在港口岸桥起重机的外表面进行自由爬行，在任意的空间位置下机器人都可以稳定吸附在金属壁表面。然而其并不适用于管道壁面的弧面场景移动。
[0004]专利申请CN202110242825.4公开了一种管道内壁四足爬壁机器人及其运动学分析方法，虽然其可以对机器人在管道中的位置和姿态进行分析，又对机器人单腿坐标系进行分析，求出机器人运动的正逆学解，进而实现对机器人的运动控制。然而该运动学分析方法不能解决吸附式多足机器人在管道场景的移动步态问题，也就不能解决机器人在管道场景下安全有效地实现360
°
移动的问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术目的旨在提供一种吸附式六足管道机器人安全移动步态控制方法，实现对吸附式多足机器人在管道内外壁安全有效地实现360
°
移动的步态控制。
[0006]本专利技术主要针对吸盘吸附管道内外壁的吸附式多足移动机器人，从初始状态构型生成、腿部支撑和摆动状态切换规律、足端生成轨迹与吸附补偿机制四个方面去实现机器人步态控制。
[0007]本专利技术提供的吸附式六足管道机器人安全移动步态控制方法，其包括以下步骤：
[0008]S1确定机器人移动前的初始状态构型；
[0009]所述机器人包括机器人本体和经关节与机器人本体连接的六根支撑腿，六根所述支撑腿结构相同且沿机器人本体对称分布；所述支撑腿包括顺次设置三段支架，相邻两段支架之间通过关节连接；所述机器人初始状态构型是指机器人各关节所在位置的关节角；
[0010]S2生成机器人从初始状态移动至落足状态的切换规律；
[0011]S3基于初始状态构型和切换规律，生成机器人从初始状态移动至落足状态的足端轨迹；
[0012]S4对足端轨迹进行修正；
[0013]S5基于修正后的足端轨迹生成各关节从初始状态至落足状态过程中的关节角配置序列；
[0014]S6依据确定的关节角配置序列，控制机器人执行动作，沿管道壁面运动。
[0015]上述步骤S1中，主要是基于管道参数和机器人参数来确定机器人初始状态构型。所述管道参数是指管道内径R。所述机器人参数包括三段支架的长度和机器人本体半宽度。设沿远离机器人本体的方向，支撑腿三段支架分别为第一支架、第二支架和第三支架，长度分别为l1、l2、l3；三支架投影在XOY平面的投影与机器人坐标系X轴之间的夹角为第一关节角θ1，第一支架与第二支架之间的夹角为第二关节角θ2，第二支架与第三支架之间的夹角为第三关节角θ3；机器人坐标系X轴平行于机器人本体宽度方向。根据机器人在管道中的初始位置，可以确定任一支撑腿第一关节角θ1和第二关节角θ2；则第三关节角可以由以下公式计算得到：
[0016][0017]式中，θ
m,i
表示第m条支撑腿的第i个关节角，m＝1、2、
…
、6，i＝1、2、3；a表示机器人本体半宽度；l2支撑腿第二支架的长度；l3支撑腿第三支架的长度；R表示管道半径。
[0018]可以进一步根据轴对称原理，确定其他支撑腿的各关节角数据，从而生成适应该管道的机器人初始状态构型C1(init表示初始状态)。
[0019]上述步骤S2中，所述切换规律包括一个支撑相和至少两个摆动相，所述支撑相是指六根支撑腿同时支撑于管道内外壁；所述摆动相是指六根支撑腿中的部分支撑腿脱离管道内外壁移动；且在机器人坐标系中，机器人六根支撑腿足端初始状态与落足状态时的坐标重合。在具体实现方式中，根据六根支撑腿足端落足位置，所述切换规律即为六根支撑腿摆动序列，这里以六根支撑腿足端在机器人坐标系中的坐标来表征六根支撑腿摆动序列。
[0020]上述步骤S3中，由于切换规律给出了六根支撑腿的摆动序列，结合初始状态构型，可以得到机器人从初始状态移动至落足状态的足端轨迹T1。本专利技术中，机器人六根支撑腿足端抬起和落下的瞬间方向与壁面半径方向重合，确保了落足的准确性，提高吸盘与壁面的贴合程度。
[0021]上述步骤S4中，机器人在管道壁面一定高度位置移动时，由于吸盘变形、使用的弹簧压缩以及机器人装配可能存在的间隙等问题会直接导致足端无法仅依靠步骤S3确定的足端轨迹实现有效贴合壁面，即理想落足点与实际落足点之间存在空间距离，定义为轨迹偏差d
p
≥0。因此本专利技术结合机器人腿部气压传感器数据，利用以下公式，对步骤S3确定的机器人六根支撑腿的足端轨迹T1中的落足时足端点坐标进行修正，修正后的足端轨迹为T2，以补偿机器人足端存在的运动误差，确保足端吸盘能够与壁面贴合。
[0022][0023]式中，表示步骤S3中确定的第m根支撑腿足端的落足坐标；
表示修正后的第m根支撑腿足端的落足坐标；d
p
＝k
v
(sgn(p
min
‑
p)+1)t，k
v
为设定的足端运动的速度系数，当k
v
较大时、机器人运动较快，当k
v
较小时，机器人运动较慢；p
min
表示满足吸附条件的最小气压值，p表示实际足端气压值；t表示足端从上一足端坐标运动至当前位置所用时间；表示管道轴线上任一点在机器人坐标系中的Z轴坐标。
[0024]依据修正后的机器人各支撑腿足端落足点坐标，在切换规律基础上增加修正后的足端落足点坐标，以对六根支撑腿摆动序列进行更新，进一步结合足端轨迹T1，就可以得到修正后的足端轨迹T2。
[0025]上述步骤S5中，基于修正后的足端轨迹，利用逆运动学公式计算，得到机器人各关节配置序列genr表示配置序列生成过程的中间状态：
[0026][0027]式中，p
m,x
、p
m,y
、p
m,z
分别表示修改后的足端轨迹中第m条支撑腿足端在机器人坐标系中的坐标。
[0028]机器人各关节通过驱动电机驱动相应的运动轴来实现转动。依据配本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种吸附式六足管道机器人安全移动步态控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1确定机器人移动前的初始状态构型；所述机器人包括机器人本体和经关节与机器人本体连接的六根支撑腿，六根所述支撑腿结构相同且沿机器人本体对称分布；所述支撑腿包括顺次设置三段支架，相邻两段支架之间通过关节连接；所述机器人初始状态构型是指机器人各关节所在位置的关节角；S2生成机器人从初始状态移动至落足状态的切换规律；S3基于初始状态构型和切换规律，生成机器人从初始状态移动至落足状态的足端轨迹；S4对足端轨迹进行修正；S5基于修正后的足端轨迹生成各关节从初始状态至落足状态过程中的关节角配置序列；S6依据确定的关节角配置序列，控制机器人执行动作，沿管道壁面运动。2.根据权利要求1所述的吸附式六足管道机器人安全移动步态控制方法，其特征在于，步骤S1中，基于管道参数和机器人参数来确定机器人初始状态构型；所述管道参数是指管道内径R；所述机器人参数包括三段支架的长度和机器人本体半宽度。3.根据权利要求2所述的吸附式六足管道机器人安全移动步态控制方法，其特征在于，设沿远离机器人本体的方向，支撑腿三段支架分别为第一支架、第二支架和第三支架，长度分别为l1、l2、l3；三支架投影在XOY平面的投影与机器人坐标系X轴之间的夹角为第一关节角θ1，第一支架与第二支架之间的夹角为第二关节角θ2，第二支架与第三支架之间的夹角为第三关节角θ3；根据机器人在管道中的初始位置，可以确定任一支撑腿第一关节角θ1和第二关节角θ2；则第三关节角可以由以下公式计算得到：式中，θ
m,i
表示第m条支撑腿的第i个关节角，m＝1、2、
…
、6，i＝1、2、3；a表示机器人本体半宽度；l2支撑腿第二支架的长度；l3支撑腿第三支架的长度；R表示管道半径；根据轴对称原理，确定其他支撑腿的各关节角数据，从而生成适应该管道的机器人初始状态构型init表示初始状态。4.根据权利要求1所述的吸附式六足管道机...

【专利技术属性】
技术研发人员：马丛俊，佃松宜，张宏祥，李小龙，
申请(专利权)人：成都海光核电技术服务有限公司，
类型：发明
国别省市：