[发明专利]一种机器人三自由度腿部的阻抗新构型生成方法及系统

权利要求书

1.一种机器人三自由度腿部的阻抗新构型生成方法，其特征在于，包括：

获取待控制机器人腿部液压驱动系统的数学模型，所述数学模型包括：腿部运动学模型、腿部静力学模型、腿部动力学模型、腿部阻抗特性模型、腿部各关节液压驱动单元伸长度与各关节转角间映射关系以及各关节液压驱动单元受力与各关节转角转矩之间映射关系；所述关节包括：髋关节、膝关节和踝关节；

当所述待控制机器人的足端受到干扰力时，根据所述数学模型确定各关节液压驱动单元中位置控制内环输入信号的变化量；

当足端处于外负载位置时，根据所述数学模型确定各关节液压驱动单元力控制内环输入信号的变化量；

通过足端运动空间内，腾空相和着地相各关节液压驱动单元等效质量分布情况、外干扰特性差异和等效质量分布对关节液压驱动单元阻抗控制性影响，为腿部不同关节设置阻抗内环控制方式，最终得到液压驱动型足式机器人三自由度腿部阻抗新构型；

髋关节液压驱动单元位置变化会产生更大的足端变化量，由于髋关节的等效质量相对于其他关节最小，所以髋关节液压驱动单元阻抗内环控制方式为位置控制；

腿部液压驱动系统处于腾空相时，膝关节相对于其他关节等效质量最大，腿部液压驱动系统处于着地相时，膝关节液压驱动单元等效质量大幅大于髋关节，所以膝关节液压驱动单元阻抗内环控制方式为力控制；

腿部液压驱动系统处于着地相时，足端接触地面，踝关节液压驱动单元的跟随精度对于提升机器人腿部处于支撑相时，机身的运动精度更重要，同时在足端大部分运动空间内，踝关节的等效质量相对于其他两个关节最大，所以踝关节液压驱动单元阻抗内环控制方式为力控制；

设置所述髋关节液压驱动单元控制内环为位置控制，膝关节液压驱动单元控制内环为力控制，踝关节液压驱动单元控制内环为力控制的阻抗新构型生成，利用伺服阀得到髋关节、膝关节以及踝关节液压驱动单元的输出位置和输出力；

根据髋关节、膝关节以及踝关节液压驱动单元的输出位置和输出力，采用腿部运动学模型、腿部静力学模型、各关节液压驱动单元伸长度与各关节转角间映射关系，以及各关节液压驱动单元受力与各关节转角转矩之间映射关系正解得到腿部足端的实际位置和力的变化量。

2.根据权利要求1所述的机器人三自由度腿部的阻抗新构型生成方法，其特征在于，所述获取待控制机器人腿部液压驱动系统数学模型之前还包括：

获取待控制机器人的腿部液压驱动系统中各构件的长度、各关节的旋转角度和各关节所受力矩；构件包括：大腿构件、小腿构件和足部构件；

根据所述各构件长度、所述各关节的旋转角度构建所述腿部运动学模型；

根据所述各构件的长度、所述各关节的旋转角度和所述各关节所受力矩构建所述腿部静力学模型；

根据拉格朗日动力学方程构建腿部动力学模型。

3.根据权利要求1所述的机器人三自由度腿部的阻抗新构型生成方法，其特征在于，所述当所述待控制机器人足端受到干扰力时，根据所述数学模型确定各关节液压驱动单元中位置控制内环输入信号的变化量，具体包括：

当所述待控制机器人的足端受到干扰力时，各关节液压驱动单元中的力传感器检测出力信号，利用所述腿部动力学模型反解得到各关节液压驱动单元中的力传感器信号中的足端干扰力分量后，采用所述腿部静力学模型，各关节液压驱动单元伸长度与各关节转角间映射关系，各关节液压驱动单元受力与各关节转角转矩之间映射关系正解得到足端受到的干扰力；

采用腿部阻抗特性求解器，获得与所述足端受到的干扰力相对应的足端位置变化量；

根据所述足端位置变化量，采用所述腿部运动学模型，各关节液压驱动单元伸长度与各关节转角间映射关系反解得到各关节液压驱动单元中位置控制内环输入信号的变化量。