液压驱动型仿生单腿双环控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种液压驱动型仿生单腿双环控制方法，由外环力/位混合控制和内环单关节力控制两个环节组成，在外环力/位混合控制环节，接收外部输入的原始期望足端位置轨迹，针对原始期望足端位置轨迹依次进行重新规划、自抗扰控制、基于扩展雅克比的冗余优化得到仿生单腿各个关节的原始关节空间控制量；在内环单关节力控制环节，采集仿生单腿各个关节的输出力信息，基于输出力信息对仿生单腿各个关节的原始关节空间控制量进行修正得到修正后的关节空间控制量，分别基于仿生单腿各个关节的关节空间控制量控制仿生单腿各个关节的液压动作器的动作。本发明具有地形适应能力好、柔顺能力好、通用性强、鲁棒性高、应用范围广的优点。
【专利说明】液压驱动型仿生单腿双环控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及足式仿生机器人非结构化地形适应性控制【技术领域】，具体涉及一种用于解决足式机器人非结构化地形适应性控制中的摆动腿精确轨迹跟踪与柔顺接触控制问题的液压驱动型仿生单腿双环控制方法。
【背景技术】
[0002]四足仿生机器人是以步行、奔跑和跳跃为移动方式的机器人平台，其主要特点是载荷大、重量轻、灵活性好和良好的地形适应性。在非结构化地形条件下，如丛林、丘陵和山地等环境，一般的机械化运输工具无法胜任运输任务，而四足仿生机器人具备各种地形下的高通过能力，因此具有重要的研究意义；另外，除了担负辅助运输任务外，四足机器人也可以承担仓库、营地周边巡逻安保任务，可以广泛于军警、地质和石油勘探等部门。运动控制系统作为四足仿生机器人移动任务执行的核心，其主要目标就是实现在非结构化地形环境中的稳定行走。为了实现对不同已知/未知地形的柔顺与适应，在机械结构设计过程中仿生单腿采用4自由度冗余设计，足端与地面采用点接触方式。另外，从运动控制角度来看，为了使四足仿生机器人具有较高的地面通过能力，不仅需要采用合适的运动规划方法，构建仿生单腿的柔顺能力也是影响其适应能力的重要方面。其中，对于仿生单腿的控制而言，不仅需要完成摆动相位下的精确位置控制，还需要完成接触相和支撑相的柔顺控制，其中摆动相末段与地面的柔顺接触控制对于机器人的稳定能力具有重要作用。机器人控制技术中，机器人对接触环境顺从的能力称为柔顺性。柔顺性可分为主动柔顺性和被动柔顺性，被动柔顺性指机器人借助辅助柔顺机构对环境作用力产生自然顺从，主动柔顺性指机器人根据力反馈信息采取一定的控制策略去主动控制作用力，实现对接触环境的主动顺从。仿生单腿在结构设计上已经考虑了被动柔顺机构，如踝部弹簧等，但适应能力有限。当四足仿生机器人在未知不平整地面上行走时，若仍采用传统的位置控制方法，则有可能因为足端与地面的意外碰撞而产生过大的接触力，对机器人行走稳定性造成不良影响，甚至损害足部机构、关节传动/驱动部件，因此需进一步考虑如何增强其主动柔顺能力以适应不平整地面。因此，针对包括液压驱动型四足仿生机器人在内的液压驱动型多足机器人，如何提高仿生单腿的地形适应能力和柔顺能力，已经成为一项亟待解决的关键技术问题。
【发明内容】
[0003]本发明要解决的技术问题是提供一种地形适应能力好、柔顺能力好、通用性强、鲁棒性高、应用范围广的液压驱动型仿生单腿双环控制方法。
[0004]为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为:
[0005]一种液压驱动型仿生单腿双环控制方法，其实施步骤如下:
[0006]I)接收外部输入的原始期望足端位置轨迹；
[0007]2)采集仿生单腿的足端力信息，当足端力信息显示足端完全接触到地面时，获取仿生单腿各个关节的关节位置信息，根据所述关节位置信息进行正运动学解算得到足端实际位置，根据所述足端实际位置对原始期望足端位置轨迹进行重新规划，得到重新规划后的期望足端位置轨迹；
[0008]3)将所述期望足端位置轨迹包含的足端X、y、z三个方向的期望轨迹分别进行自抗扰控制，分别得到足端X、y、Z三个方向的控制量，所述足端X、y、Z三个方向的控制量构成仿生单腿的操作空间控制量；
[0009]4)利用指定的优化目标构造约束条件并建立扩展雅可比矩阵，基于扩展雅克比的冗余优化方法将所述操作空间控制量转换为仿生单腿各个关节的原始关节空间控制量；
[0010]5)采集仿生单腿各个关节的输出力信息，基于所述输出力信息对仿生单腿各个关节的原始关节空间控制量进行修正得到修正后的关节空间控制量，分别基于仿生单腿各个关节的关节空间控制量控制仿生单腿各个关节的液压动作器的动作。
[0011]进一步地，所述步骤2)中具体是指根据式(I)对原始期望足端位置轨迹进行重新规划；
[0012]
【权利要求】
1.一种液压驱动型仿生单腿双环控制方法，其特征在于实施步骤如下: 1)接收外部输入的原始期望足端位置轨迹； 2)采集仿生单腿的足端力信息，当足端力信息显示足端完全接触到地面时，获取仿生单腿各个关节的关节位置信息，根据所述关节位置信息进行正运动学解算得到足端实际位置，根据所述足端实际位置对原始期望足端位置轨迹进行重新规划，得到重新规划后的期望足端位置轨迹； 3)将所述期望足端位置轨迹包含的足端X、y、z三个方向的期望轨迹分别进行自抗扰控制，分别得到足端X、1、Z三个方向的控制量，所述足端X、1、Z三个方向的控制量构成仿生单腿的操作空间控制量； 4)利用指定的优化目标构造约束条件并建立扩展雅可比矩阵，基于扩展雅克比的冗余优化方法将所述操作空间控制量转换为仿生单腿各个关节的原始关节空间控制量； 5)采集仿生单腿各个关节的输出力信息，基于所述输出力信息对仿生单腿各个关节的原始关节空间控制量进行修正得到修正后的关节空间控制量，分别基于仿生单腿各个关节的关节空间控制量控制仿生单腿各个关节的液压动作器的动作。
2.根据权利要求1所述的液压驱动型仿生单腿双环控制方法，其特征在于:所述步骤2)中具体是指根据式(I)对原始期望足端位置轨迹进行重新规划；
3.根据权利要求2所述的液压驱动型仿生单腿双环控制方法，其特征在于，所述步骤3)中将期望足端位置轨迹包含的足端X方向的期望轨迹进行自抗扰控制的详细步骤如下: 3.1)安排过渡过程:根据所述期望足端位置轨迹包含的足端X方向的期望轨迹为自抗扰控制器安排过渡过程，得到如式(2)所示的光滑的输入信号及其微分信号；
4.根据权利要求3所述的液压驱动型仿生单腿双环控制方法，其特征在于，所述步骤.4)的详细步骤如下: . 4.1)选择指定的优化目标； .4.2)根据所述优化指标生成约束条件； . 4.3)基于所述约束条件建立如式(6)所示的扩展雅克比矩阵；
5.根据权利要求4所述的液压驱动型仿生单腿双环控制方法，其特征在于:所述步骤4.1)选择指定的优化目标为能量消耗、液压油的流速、液压缸的伸缩速度、使腿运动范围最大中的一种。
【文档编号】G05B13/00GK103941582SQ201410113518
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年3月25日 优先权日:2014年3月25日
【发明者】王剑, 马宏绪, 陈阳祯, 韦庆, 王建文, 郎琳, 安宏雷, 侯文琦, 朱开盈, 蔡润斌 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学