[发明专利]考虑外力冲击干扰和阻尼的多足机器人能量裕度计算方法

说明书

一种考虑外力冲击干扰和阻尼的多足机器人能量裕度计算方法，包括如下步骤：步骤一：把机器人的翻转动作转换为包含弹簧阻尼特性的机械旋转系统，计算机器人的能量裕度表达式；步骤二：建立机器人在笛卡尔坐标系下的D‑H数学模型；步骤三：结合步骤二解析机器人能量裕度函数所需有关参数。本发明依据重心位置、虚拟弹性阻尼、合力矩得出，最终用于机器人在复杂路面行走时因外力冲击和自身惯性力矩作用，判定是否发生倾覆，以确保机器人稳定的行走。最终提出一种能适用于多种地形，且时效的稳定性计算方法。

技术领域

本发明涉及机器人稳定性领域，具体涉及一种考虑外力冲击干扰和阻尼的多足机器人能量裕度计算方法。

背景技术

近年来，随着机器人技术日益成熟，在探险、焊接、太空、搬运、服务方面得到非常广泛的应用。多足机器人是一个复杂的机电一体化系统。作为被控对象，其本身是一个高度非线化、多变量、多参数耦合的复杂系统，使对其稳定性控制变的尤为困难。因此机器人稳定性控制问题成为近年来研究的热点问题。

机器人在野外行走，六足机器人相对二足、四足机器人而言，具有更丰富的运动步态。且六足机器人具有冗余的腿，机器人在复杂路面行走时，即使当一条腿或若干腿失效时，只要有三条腿能保持支撑状态，机器人能继续保持一定的运动能力。因此本发明以六足机器人在崎岖地面上行走作为研究对像。

目前针对六足机器人在崎岖地面上动态稳定性研究，通常采用是零力矩(ZMP)判定、压力中心法(COP)，然而其只考虑了机器人的足端反力，考虑因素过少，且不能反映机器人的抗干扰能力。传统的能量稳定边界法没有考虑到机器人的机械震荡属性。而李雅普诺夫稳定性理论难于对时变、非线性化做出瞬时响应。因此，目前需要一种机器人稳定性判定的方法能实时监测机器人的稳定性，使机器人能快速做出调整，保持稳定的行走。

发明内容

针对现有的稳定性判定方法存在考虑影响因素太少或时效性差的问题，本发明提出一种考虑外力冲击干扰和阻尼的多足机器人能量裕度计算方法。该算法主要依据重心位置、虚拟弹性阻尼、合力矩得出，最终用于机器人在复杂路面行走时因外力冲击和自身惯性力矩作用，判定是否发生倾覆，以确保机器人稳定的行走。最终提出一种能适用于多种地形，且时效的稳定性计算方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种考虑外力冲击干扰和阻尼的多足机器人能量裕度计算方法，包括如下步骤：

步骤一：把机器人的翻转动作转换为包含弹簧阻尼特性的机械旋转系统，计算机器人的能量裕度表达式；

步骤二：建立机器人在笛卡尔坐标系下的D-H数学模型；

步骤三：结合步骤二解析机器人能量裕度函数所需有关参数。

进一步，所述的步骤一通过以下方式实现：

1.1)根据牛顿第二定律列出机器人的动力学微分方程：

其中，将绕边线翻转时的机器人，视为一个机械旋转系统，该系统由转动惯量为J_i、扭转刚度为K_S和粘性阻尼系数为C的阻尼器组成；

1.2)求解机器人绕边线旋转的实时重心处合力矩，即驱动力矩：

式中，M_Gi为实时重心处重力相对旋转边线产生的力矩；M_I为实时重心处的等效惯性力矩；M_ri为着地脚因支撑力产生的力矩；f_i为各足端竖直向上的力；θ_i为直线AB与水平面夹角，δ_i为重心绕边线到最高点的旋转角度；θ为斜线倾角；r_i为各足端到旋转边线的距离；e_i为旋转边线的单位法向量，以支撑多边形逆时针方向为正方向；