申请/专利权人：中国人民解放军陆军装甲兵学院;军事科学院系统工程研究院军需工程技术研究所;浙江省轨道交通运营管理集团有限公司

申请日：2020-07-29

公开（公告）日：2024-04-09

公开（公告）号：CN111857170B

主分类号：G05D1/49

分类号：G05D1/49;B62D57/032;G05D109/12

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.09#授权;2020.11.17#实质审查的生效;2020.10.30#公开

摘要：本发明涉及智能机器人技术领域，且公开了一种四足机器人腿部关节负载规律分析方法，按以下方法进行分析：S1、利用弹簧倒立摆及虚拟模型控制算法对四足机器人行走进行控制；S2、并在各自由度的理想位置与实际位置之间添加虚拟弹簧阻尼元件；S3、基于弹簧倒立摆及虚拟模型的四足机器人行走控制算法及负载规律分析。通过运用D‑H参数法对四足机器人进行了正逆运动学分析，获取了足端位置与关节转角之间的关系，然后在运动学分析的基础上，对四足机器人进行了动力学分析，并运用弹簧倒立摆及虚拟模型控制方法实现了四足机器人对角步态下的直线变速行走，分析得到了四足机器人对角步态行走过程中各关节的负载规律。

主权项：1.一种四足机器人腿部关节负载规律分析方法，其特征在于：按以下方法进行分析：S1、利用弹簧倒立摆及虚拟模型控制算法对四足机器人行走进行控制；所述弹簧倒立摆主要包括机体及无质量的弹簧腿两部分，髋关节在机体形心处，弹簧腿可以绕髋关节转动；S2、并在各自由度的理想位置与实际位置之间添加虚拟弹簧阻尼元件，利用弹簧阻尼元件产生的虚拟负载拉动机体使其跟踪理想位置；S3、基于弹簧倒立摆及虚拟模型的四足机器人行走控制算法及负载规律分析；四足机器人机体增加虚拟模型后，机体受力、位置及速度的关系为: 2.25其中，和分别为机体重心在绝对坐标系和方向的位置，为机体重心高度，为对应的增益系数，下标表示变量的期望值，为俯仰角，为偏航角，在得到机体所受虚拟力后须将其分配到支撑腿足端，以得到支撑腿的驱动关节力矩，在此忽略四足机器人惯性力及科氏力作用，仅考虑四足机器人静平衡时的受力，因此其整体受力可知： 2.26其中，、、为各腿足端在机体坐标系中的坐标，各支撑腿足端沿方向的力为，沿方向的力为，沿方向的力为，其中，为机体在方向上的虚拟力，为机体在方向的虚拟力，为机体在方向的虚拟力，为四足机器人自重，而后结合雅克比矩阵得到支撑腿的驱动关节力矩，同时采用弹簧倒立摆控制算法以实现侧向速度控制；四足机器人从静止开始加速、匀速和减速至再次静止的过程称为全运动过程，四足机器人负重时相当于机体质量增大，为方便研究，本发明定义四足机器人半载为2倍机身质量，满载为3倍机身质量；四足机器人腿部关节采用液压驱动单元的驱动形式，因此需要根据液压缸在关节处的结构参数换算得到液压缸活塞杆在四足机器人行走过程中的运动和受力；设液压缸的伸长量为，各关节力矩和角速度与液压缸活塞杆出力和速度的关系如下：髋侧摆关节： 2.27 2.28髋纵摆关节： 2.29 2.30膝关节： 2.31 2.32将四足机器人各驱动关节力矩导入式2.27、2.28、2.29、2.30、2.31和2.32可得到液压驱动单元中液压缸活塞杆的出力，四足机器人腿部关节负载呈现周期性变化，且可将同一周期分为两阶段，阶段一为负载较小且变化幅度较小，此时腿部腾空，向前迈动，可称作快速摆动阶段；阶段二为负载较大且变化幅度很大，此时腿部触地，实现支撑，将该阶段称作触地支撑阶段，在腿部快速摆动阶段，腿部腾空，受力很小；而在腿部触地支撑阶段，腿部接触地面以支撑机体，此时，腿部运动很小，但执行器受力较大，将各关节角速度导入式2.27、2.29和2.31可得到机器人各关节运动过程中液压缸的整体长度，将其与相应的初始长度作差可得到各关节液压缸的位移，而后对位移取时间微分，可得到各液压缸的速度；仿真过程中四足机器人的速度先增大然后匀速最后减小，由关节液压缸的速度及出力可得，随着四足机器人行走速度的变化；从而得到四足机器人腿部关节的负载规律分析。

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