[发明专利]基于优化支撑比的足式机器人足端力分配方法

说明书

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。

技术领域

本发明涉及机器人足力分配优化技术领域，具体涉及一种基于优化支撑比的足式机器人足端力分配方法。

背景技术

对于多足机器人而言，至少有三条腿处于支撑状态，才能保持机身稳定。由于每个足端存在三个方向的分力，存在9个未知数，而移动机器人只能列出6个平衡方程，因此多足机器人足端力分配具有多种解法，而不同解法将导致不同的足端力分配结果。足端力分配解法主要分为两大类。第一种是伪逆法，采用螺旋理论列出多肢体系统的平衡方程和足端摩擦力约束方程，根据伪逆思想，推导足端支反力的求解公式，该方法得到的结果不能保证机器人关节的控制力矩最优。第二种是优化法，推导以关节力矩为变量的动力学方程，摩擦约束方程等，以关节力矩平方和最小、电机所需功率总和最小为目标函数，进行优化求解。第一种方法的不足在于，无法获得最优解；第二种方法的不足在于，需要考虑的因素较多，因此计算复杂，效率低下。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何设计一种足式机器人足端力分配方法，对支撑比、力的大小以及力的方向进行优化，保证优化效果。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于优化支撑比的足式机器人足端力分配方法，包括以下步骤：

S1、以机身坐标系为参考坐标系，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。

(三)有益效果

本发明在考虑足端位置的基础上，对支撑比、力的大小以及力的方向进行优化，直接保证了优化效果。具体为：(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。

附图说明

图1是期望零力矩点分析示意图；

图2是各条腿支撑比分析示意图；

图3是各条腿作用力分析示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。