一種重型載人足式機器人線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的路感模擬方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于足式機器人的操縱技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種針對駕駛員操縱重型足式機器人轉(zhuǎn)向過程中的路感模擬方法。
【背景技術(shù)】
[0002]重型載人足式機器人因其大負重、高穩(wěn)定、適應(yīng)性強等特點已成為機器人領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點之一，但現(xiàn)有針對足式移動機器人的自主智能控制算法還不能確保機器人在極其復(fù)雜地形的良好通過性，這就需要將人的決策元素融入到足式機器人的控制體系當(dāng)中，因此開發(fā)出一套具有良好交互性的操縱系統(tǒng)已成為彌補足式機器人現(xiàn)有智能技術(shù)不足的有效途徑。
[0003]由于重型載人足式機器人結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運動離散程度高等實際問題為操縱系統(tǒng)的設(shè)計增添了不小的難度，所以在實際應(yīng)用過程中常采用線控的方式來搭建足式機器人的操縱系統(tǒng)。本發(fā)明所涉及的足式機器人線控操縱系統(tǒng)只面向轉(zhuǎn)向環(huán)節(jié)，由于取消了操縱系統(tǒng)內(nèi)機械連接的傳動方式，這會造成路感信息反饋的缺失，導(dǎo)致駕駛員在駕駛過程中感受不到機器人與路面的接觸信息，從而為重型足式機器人在駕駛還擊中帶來了失穩(wěn)，誤操作及調(diào)控不及時等操縱隱患。綜上所述，對于重型載人足式機器人線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的路感模擬方法的研究是提升駕駛員操縱穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性的不可或缺的條件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明是為了解決重型載人足式機器人由于采取了線控轉(zhuǎn)向的模式而導(dǎo)致的路感缺失問題，現(xiàn)提供一種重型載人足式機器人線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的路感模擬方法。
[0005]針對重型載人足式機器人線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的路感模擬方法，首先要確定線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及操縱方式。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基于模塊化的思想對該系統(tǒng)進行設(shè)計，主要分為三部分:方向盤模塊、運動控制單元模塊及轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊。重型載人足式移動機器人線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的操縱方式可劃分為四部分:駕駛員操控方向盤輸出目標(biāo)轉(zhuǎn)角;方向盤轉(zhuǎn)角經(jīng)運動控制單元模塊轉(zhuǎn)換成機器人轉(zhuǎn)向過程中支撐相的落足點坐標(biāo)及擺動相的足端軌跡;將運動控制單元模塊規(guī)劃出的足端信息發(fā)送到單腿控制器通過對相應(yīng)腿各關(guān)節(jié)的目標(biāo)轉(zhuǎn)角的解算，推導(dǎo)出腿部各液壓缸活塞桿的目標(biāo)伸縮量，從而支撐機器人完成轉(zhuǎn)向動作;將重型載人足式移動機器人轉(zhuǎn)向過程中的足-地接觸信息通過路感電機輸出相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩來進行模擬，并將轉(zhuǎn)矩通過轉(zhuǎn)向軸及方向盤反饋給駕駛員。
[0006]所述的重型載人足式機器人線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的路感模擬方法，具體包括以下步驟:步驟1:根據(jù)足式機器人的具體構(gòu)型，建立運動學(xué)方程，規(guī)劃出駕駛員操縱方向盤所輸出的轉(zhuǎn)角值與機體轉(zhuǎn)向過程中轉(zhuǎn)向半徑之間的映射關(guān)系；
步驟2:在運動學(xué)方程基礎(chǔ)上，建立機器人動力學(xué)方程，推導(dǎo)出足式機器人轉(zhuǎn)向過程中的足-地接觸力與關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，再通過腿部各液壓缸運動-力學(xué)方程解析出各關(guān)節(jié)的實際轉(zhuǎn)矩，從而求解出足-地接觸力作用在機體重心處的解析力矩； 步驟3:建立足-地作用的力學(xué)理論模型，通過足端與機體重心的位置關(guān)系，推導(dǎo)出足-地接觸力作用在機體重心處的理論力矩值；
步驟4:確定重載足式機器人進行路感模擬的控制方案，通過對足式機器人運動特性及線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動力學(xué)分析，采取滑模理論對路感電機進行跟蹤控制，最終實時模擬出機器人轉(zhuǎn)向過程中足端與地面作用而產(chǎn)生的路感信息，再將此路感信息通過電機所輸出的阻力矩形式反饋給駕駛員；
步驟5:通過建立李雅普諾夫正定函數(shù)，判定所設(shè)計的滑?？刂破鞯姆€(wěn)定性。
[0007]本發(fā)明有以下有益效果:
所述的一種重型載人足式機器人線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的路感模擬方法，一方面，基于路感電機的狀態(tài)參數(shù)設(shè)計出滑?？刂葡到y(tǒng)的切換函數(shù)，從而提升了控制系統(tǒng)輸出量的抗干擾能力，使路感電機能更快速的響應(yīng)，并能更真實的反饋出路感信息；另一方面通過模擬出的高保真路感信息，使駕駛員能實時感受到機器人轉(zhuǎn)向過程中足-地接觸信息，從而指導(dǎo)駕駛員更穩(wěn)定、更精確的操縱機器人完成指定任務(wù)。
【附圖說明】
[0008]圖1為重型載人足式機器人線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)路感模擬的控制結(jié)構(gòu)框圖；
圖2為足式機器人行進間轉(zhuǎn)向模態(tài)切換的示意圖；
圖3為足式機器人足-地接觸理論力學(xué)模型的示意圖；
圖4為足式機器人足端與機體重心的位置關(guān)系示意圖；
圖5為足式機器人單腿跟關(guān)節(jié)內(nèi)部運動規(guī)劃示意圖；
圖6為足式機器人單腿髖關(guān)節(jié)及踝關(guān)節(jié)內(nèi)部運動規(guī)劃示意圖；
圖7為路感模擬系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0009]【具體實施方式】1:參照附圖1具體說明本實施方式，本實施方式所述的重型載人足式機器人線性轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的路感模擬方法，首先需要確定線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本組成，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)包括方向盤模塊、運動控制模塊及轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊，所述的方向盤模塊由方向盤、轉(zhuǎn)向軸、扭矩傳感器、轉(zhuǎn)角傳感器、路感電機、減速器及電機電流傳感器組成;所述的運動控制單元模塊由運動規(guī)劃單元及運動控制器組成;所述的轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊由單腿控制器、三自由液壓驅(qū)動腿、旋轉(zhuǎn)變壓器、壓力傳感器及位移傳感器組成。
[0010]【具體實施方式】2:本實施方式是基于【具體實施方式】1所述的重型載人足式機器人線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，針對各個模塊在路感模擬環(huán)節(jié)中的作用作進一步說明，本實施方案中，方向盤輸出轉(zhuǎn)角與機體轉(zhuǎn)向半徑在操控上成比例關(guān)系，本發(fā)明所使用的方向盤單側(cè)正/反向轉(zhuǎn)動范圍在，而機器人轉(zhuǎn)向半徑的大小取值決定了機體轉(zhuǎn)向的模態(tài)，當(dāng)轉(zhuǎn)向半徑趨近于時，機器人進入原地轉(zhuǎn)向模式，當(dāng)轉(zhuǎn)向半徑趨近于無窮大時，機器人趨于直線行走模式。為保證操縱準(zhǔn)確性及計算的便捷性，方向盤在單側(cè)正/反向轉(zhuǎn)過轉(zhuǎn)角的范圍內(nèi)，規(guī)定機器人不執(zhí)行轉(zhuǎn)向運動，當(dāng)超過這個角度閾值時，機器人才進入轉(zhuǎn)向模式。因此將機器人轉(zhuǎn)動半徑的范圍設(shè)定在，方向盤轉(zhuǎn)角值與機體轉(zhuǎn)過的半徑值采用一一對應(yīng)的方式并且兩變量保持正比關(guān)系，即可規(guī)劃出方向盤的角傳動比為2:1。[0011 ]【具體實施方式】3:本實施方式是基于【具體實施方式】1所述的重型載人足式機器人線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，針對各個模塊在路感模擬環(huán)節(jié)中的作用作進一步說明，本實施方案中，方向盤輸出轉(zhuǎn)角發(fā)送到運動控制單元模塊，其內(nèi)部的運動規(guī)劃單元包括三部分內(nèi)容:一方面通過所建立的運動學(xué)方程求解出機器人轉(zhuǎn)向運動過程中支撐相的落足點坐標(biāo)及擺動相的足端軌跡，并將足端信息發(fā)送到單腿控制器；另一方面，通過所建立的機器人動力學(xué)模型，推導(dǎo)出足-地接觸力的解析值與各關(guān)節(jié)實際轉(zhuǎn)矩的對應(yīng)關(guān)系，再由單腿控制器通過接收到的足端信息，求解出各關(guān)節(jié)的實際轉(zhuǎn)矩，并將實際轉(zhuǎn)矩值發(fā)送到運動規(guī)劃單元，通過運動學(xué)方程求解出的足端位置坐標(biāo)實時求解出足-地接觸力作用在重心處的解析力矩;最后一方面，通過滑模理論規(guī)劃路感電機的控制算法，基于其內(nèi)部已有的足-地接觸力作用在機體重心處的理論力矩，將此理論力矩與解析力矩的差值定義為滑模面，使解析力矩能更真實的模擬出足-地接觸信息。運動控制單元模塊內(nèi)的運動控制器負責(zé)將所要模擬出的路感信息通過線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動力學(xué)方程轉(zhuǎn)換成路感電機的控制指令，從而控制其輸出相應(yīng)的阻力矩，并將此力矩通過轉(zhuǎn)向軸及方向盤反饋給駕駛員。
[0012]【具體實施方式】4:本實施方式是基于【具體實施方式】1所述的重型載人足式機器人線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，針對各個模塊在路感模擬環(huán)節(jié)中的作用作進一步說明，本實施方案中，單腿控制器包括兩部分內(nèi)容:一方面負責(zé)接收運動控制單元發(fā)送的足端信息，并通過內(nèi)部的運動學(xué)方程將其轉(zhuǎn)換成關(guān)節(jié)的目標(biāo)轉(zhuǎn)角，再通過幾何關(guān)系及腿部各液壓缸的運動-力學(xué)方程解算出各關(guān)節(jié)的實際轉(zhuǎn)矩，將實際轉(zhuǎn)矩值反饋到運動控制單元模塊;另一方面，單腿控制器接收到運動控制模塊發(fā)送的操控指令，按規(guī)劃算法驅(qū)動指定腿的各液壓缸內(nèi)活塞桿的伸縮量，從而支撐機器人完成轉(zhuǎn)向運動，最后將所采集到的各傳感器信息經(jīng)處理后發(fā)送到運動控制單元模塊。
[0013]【具體實施方式】5:本實施方式是根據(jù)【具體實施方式】1、2、3、4所述的重型載人足式機器人線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及各個模塊在路感模擬環(huán)節(jié)中的作用，具體描述如何進行路感的模擬，該模擬方法包括以下步驟: