[发明专利]基于优化支撑比的足式机器人足端力分配方法

摘要

本发明涉及一种基于优化支撑比的足式机器人足端力分配方法，属于机器人足力分配优化技术领域。本发明(1)分析垂直载荷时，直接对支撑比进行优化分配。多足机器人足端力分配的重要目标之一是行走稳定性，本发明首先对支撑比进行优化，因此首先保证了行走稳定性。(2)在保证行走稳定性的情况下，继续分析水平方向分力，并直接对力的方向进行优化。传统方法的优化目标是总力矩最小或者功率消耗最低，这样的优化目标无法保证足端力最优，而本方法直接瞄准足端力及其方向进行优化，从更高层次上保证了优化结果。(3)在进行力分配时，每个环节都考虑了足端力位置，因此充分利用了力和力矩平衡的特点，进一步确保优化结果。

主权项

1.一种基于优化支撑比的足式机器人足端力分配方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、以机身坐标系为参考坐标系，假设左后腿hl为摆动腿，其余三条腿右后腿hr、左前腿fl以及右前腿fr为支撑腿，将所有支撑腿简化为一条虚拟支撑腿，基于机身虚拟伺服力，建立机身力矩平衡方程，从而求取虚拟支撑腿期望零力矩点；S2、采用最小二乘法设计支撑比的优化目标函数，求取各支撑腿的实际支撑比，并得到三条支撑腿在z方向的力；S3、设计各支撑腿的水平方向分力为未知数，基于未知足端力方向和期望足端力方向，得到足端力方向的优化目标函数，从而获取各支撑腿在x和y方向的分力，即各支撑腿的足端力方向；假设左后腿为摆动腿，其余三条腿为支撑腿，则步骤S1具体包括：S11、求取期望零力矩点COP的y轴坐标：在yz平面上，机身质心受到绕x轴的力矩Mx，沿y轴和z轴的作用力Fy和Fz，期望零力矩点COP在该yz平面上受到相同方向和大小的y轴和z轴方向作用力Fy和Fz，期望零力矩点COP的z轴坐标zc等于机身估计高度H，由此基于Mx、Fy、Fz、zc，期望零力矩点COP的y轴坐标yc，列出yz方向的力矩平衡方程，最终获得yc：‑Fyzc+Fzyc＝Mx                        (1)S12：求取期望零力矩点COP的x轴坐标：在xz平面上，机身质心受到绕y轴的力矩My，沿x轴和z轴的作用力Fx和Fz，期望零力矩点COP在该xz平面上受到相同方向和大小的x轴和z轴方向作用力Fx和Fz，期望零力矩点COP的z轴坐标zc等于机身估计高度H，由此基于My、Fx、Fz、zc，期望零力矩点x轴坐标xc，列出xz方向的力矩平衡方程，最终获得xc：Fxzc‑Fzxc＝My                          (2)；步骤S2具体包括：S21：设计各条支撑腿的实际支撑比为未知数rfl,rfr,rhr，期望支撑比r’fl,r’fr,r’hr为已知数，得到关系式：其中，Fz为虚拟支撑腿期望零力矩点COP在z方向所受的力，三个等式右边的分子分别表示对应三条支撑腿在z方向所受的力；步骤S22：建立各支撑腿的足端坐标和实际支撑比，与期望零力矩点坐标的函数，即：f(xj，rj)表示自变量为xj、rj的函数，f(yj,rj)表示自变量为yj、rj的函数，其中下标j＝fl,fr,hr；xj、yj表示对应支撑腿的足端x、y轴坐标；步骤S23：基于实际支撑比和期望支撑比，建立支撑比优化目标函数；J＝f(rfl,rfr,rhr,r’fl,r’fr,r’hr)                        (5)步骤S24：基于步骤S22和步骤S23，求解实际支撑比，再根据公式(3)求得三条支撑腿在z方向的力。