[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

说明书

本发明涉及一种应用于液压驱动型足式机器人三自由度腿部的阻抗新构型生成方法及系统。该生成方法和系统，根据获取的数学模型分别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和力控制内环输入信号的变化量，选取腿部液压驱动系统髋关节液压驱动单元采用位置控制、膝关节液压驱动单元采用力控制，踝关节液压驱动单元采用力控制这种阻抗新构型控制模式，通过采用腿部数学模型正解得到腿部足端的实际位置和力的变化量，完成对待控制机器人足端在运动空间内的运动控制，发挥阻抗新构型控制模式在控制精度、响应速度等方面优势。同时，所提出的阻抗新构型控制模式，可有效解决三自由度机器人腿部在进行阻抗控制时存在静力学多解问题。

技术领域

本发明涉及机器人控制领域，特别是涉及一种应用于液压驱动型足式机器人三自由度腿部的阻抗新构型生成方法及系统。

背景技术

近些年来，机器人在各行各业中得到了广泛的应用。移动机器人是机器人的重要组成部分，通常根据移动形式分成以下几类：轮式机器人、足式机器人、球形机器人和履带式机器人等。足式仿生机器人相对于其他运动方式的机器人，对未知、非结构环境具有更好的适应能力。尤其与具有高功重比的液压驱动相结合后，其运动性能和负载能力得到了极大的提升，能够更好的完成复杂环境(冰面、雪地、沙地和瓦砾等)下的物资运输、救援、探测和军事辅助等任务，成为各国学者广泛关注的热点。

液压驱动型足式机器人的整机步态控制性能由每条腿的运动控制性能决定，而腿部腾空相的轨迹跟随性能与其着地相的柔顺控制性能共同决定着腿部运动控制性能。阻抗控制是一种既可以使腿部实现轨迹跟随，又可以使其具备柔顺性的有效控制方法，它是以液压控制内环为核心，并加入阻抗控制外环，使系统实现位置和力的对应输出关系，常用的液压控制内环有位置和力两种方式，所形成的阻抗控制方法称为基于位置的阻抗控制和基于力的阻抗控制，但由于两种阻抗控制方法在数学模型搭建、核心控制器设计、参数选取和实验系统搭建等方面均有明显差异，因此其具有明显不同的动态柔顺性。现如今，两种阻抗控制方法均已广泛应用于各类足式机器人，虽然针对各方法已有较为成熟的优化控制方法，但由于阻抗控制机理的制约，使得它们在控制精度和响应能力的提升空间有限，如何能够进一步提升该类机器人腿部运动控制性能已成为本领域的研究挑战之一。因此，有必要打破常规、摒弃传统观念，在腿部各关节中优选不同的内环核心控制方式，充分发挥二者的优势。

综上所述，在液压驱动型足式机器人腿部柔顺控制领域中，迫切需要针对三自由度腿部设计一种新型的阻抗构型及系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种机器人三自由度腿部的阻抗新构型生成方法及系统，以能够进一步提升机器人腿部运动控制性能。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种机器人三自由度腿部的阻抗新构型生成方法包括：

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；

通过选取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；