[发明专利]水下六足机器人壁面攀爬及跨越的运动规划与控制方法

说明书

本发明提出了一种混合驱动水下六足机器人壁面攀爬及跨越的运动规划与控制方法。具体包括如下步骤：S1：针对已知倾角的壁面，利用测距设备获取水下六足机器人质心到壁面的前向距离；S2：依据质心与壁面的前向距离和水下六足机器人俯仰角与壁面倾角之间的误差，判断应采用何种步态(攀爬步态/跨越步态)；S3：针对攀爬步态，依据航向误差设计刀锋腿支撑角变化规律，提出基于CPG的三足步态规划方法；S4：针对跨越步态，依据壁面倾角和水下六足机器人当前俯仰角，设计振荡器输出信号与刀锋腿期望关节角度的映射关系，提出基于CPG的跨越步态规划方法。本发明的规划与控制方法能够使水下六足机器人跨越不同倾角的壁面并实现稳定攀爬。

技术领域

本发明涉及水下机器人技术领域，具体为一种混合驱动水下六足机器人壁面攀爬及跨越的运动规划与控制方法。

背景技术

海洋蕴含了丰富的矿产资源、生物资源以及石油天然气资源，合理、有效地开发海洋资源是人类生存和发展的必经之路。传统自主水下航行器(AUV)或无人遥控潜水器(ROV)无法同时满足大范围巡游探测作业和局部精细化作业需求，而由推进器和刀锋腿混合驱动的水下机器人同时具备水中巡游、着落壁面和壁面行走的能力。

现有足式机器人的步态规划方法通常分为两类：基于运动解算的步态规划方法和基于仿生学的步态规划方法。前者在获取足式机器人运动学模型的基础上，分析攀爬壁面的运动约束条件，设置期望的运动参考量，利用优化方法或随机搜索方法，获取当前的期望步态。后者通过设计自激振荡的中枢模式发生器(CPG)模型来控制多足机器人的步态，并结合生物反射原理对常见地形设计了牵张反射、姿态反射和障碍反射机制，最终实现工作面攀爬。前者尽管能规划出最优的攀爬步态，但对机器人腿部模型依赖度高、计算复杂；后者尽管具有规划简单、迅速的优点，但生成的周期步态难以适用于不同倾角壁面间的过渡情况。

水下六足机器人通常需要在不同的壁面上进行作业，若不合理规划行走步态，会使水下六足机器人难以在不同作业面间灵活跨越，即无法从一个作业面平稳过渡到另一个作业面，最终导致作业任务无法继续进行。因此，如何协调多个腿的行走动作实现在不同倾角壁面间平稳跨越以及在不同倾角壁面稳定攀爬是一项极具挑战性的研究课题。

发明内容

(1)技术问题

设计混合驱动水下六足机器人壁面攀爬及跨越的运动规划与控制方法时主要存在以下难点：1、如何设计CPG输出信号与刀锋腿期望关节角度的映射关系，使得步态适应壁面倾角及水下机器人当前姿态角；2、如何设计推进器输入使得水下机器人在跨越壁面时能够满足纵向不打滑要求；3、如何提高系统的自适应性，使得水下六足机器人可以平稳跨越并攀爬不同倾角的壁面。

针对现有步态规划方法自适应性差，无法使得水下六足机器人在不同倾角壁面稳定攀爬及平稳跨越的问题，本发明基于CPG算法，提出了一种混合驱动水下六足机器人壁面攀爬及跨越的运动规划与控制方法。该方法既保留基本步态易于规划的优点，同时通过一定的足力分析，求解与刀锋腿关节转矩相适应的推进器推力，使得水下机器人胜任不同倾角壁面间平稳跨越的任务。

(2)技术方案

本发明提供了一种混合驱动水下六足机器人壁面攀爬及跨越的运动规划与控制方法，包括如下步骤：

S1：针对已知倾角的壁面，获取水下六足机器人质心到壁面的前向距离；

S2：依据质心与壁面的前向距离和水下六足机器人俯仰角与壁面倾角之间的误差，判断应采用何种步态(攀爬步态/跨越步态)；

S3：针对攀爬步态，依据航向误差设计刀锋腿支撑角变化规律，提出基于CPG的三足步态规划方法；在此基础上，为了提高水下六足机器人攀爬的稳定性，一方面对水下六足机器人的推进器施加基础推力，保证水下六足机器人在攀爬时刀锋腿的不打滑，另一方面为降低恢复力和恢复力矩对水下六足机器人稳定攀爬的影响，依据水下六足机器人当前的姿态角，对水下六足机器人的推进器施加额外推力，以克服恢复力和恢复力矩；