[发明专利]水下六足机器人壁面攀爬及跨越的运动规划与控制方法

权利要求书

1.一种水下六足机器人壁面攀爬及跨越的运动规划与控制方法，水下机器人包括：8个推进器、6条半圆弧型刀锋腿和机器人本体，其中4个推进器垂直分布，4个推进器水平矢量分布，6条半圆弧型刀锋腿髋关节与机器人本体左右两侧的6个驱动电机连接，水下机器人壁面攀爬与跨越运动规划与控制方法的其特征在于，所述运动规划与控制方法包括如下步骤：

S1：针对已知倾角的壁面，获取水下六足机器人质心到壁面的前向距离；

S2：依据质心与壁面的前向距离以及水下六足机器人俯仰角与壁面倾角之间的误差，判断采用攀爬步态或者跨越步态；

S3：针对攀爬步态，依据航向误差设计刀锋腿支撑角变化规律，得出基于CPG的三足步态规划方法；依据水下六足机器人当前的姿态角，对水下六足机器人的推进器施加额外推力，以克服恢复力和恢复力矩；

S4：针对跨越步态，依据壁面倾角和水下六足机器人当前俯仰角，设计振荡器输出信号与刀锋腿期望关节角度的映射关系，得出基于CPG的跨越步态规划方法；依据水下六足机器人当前的横滚角，对水下六足机器人的推进器施加额外推力，以克服水下六足机器人的横滚；

其中，步骤S3包括：

六足机器人采用基于CPG步态规划方法，所述CPG步态生成器由6个Hopf振荡器组成，分别对应6条半圆弧型刀锋腿，第i个Hopf振荡器的数学模型可表示为：

其中，X_i＝[u_i v_i]^T为第i个振荡器的状态，σ为收敛因子，R为振荡器输出的幅值大小，w为振荡器的振荡频率，λ为耦合系数，为CPG网络中第j个振荡器对第i个振荡器的作用，其可表示为：

其中，为第j个振荡器对第i个振荡器的相位差，i＝1,2,...,6，j＝1,2,...,6；

第i个Hopf振荡器的输出[u_i v_i]^T与水下六足机器人第i条腿的期望关节角度之间的关系映射为：

其中，θ_si为第i条腿的支撑角；θ_ti为第i条腿的摆动角，且满足θ_ti＝2π-θ_si；

依据刀锋腿支撑相和摆动相，定义表征刀锋腿是否触地的变量a_i，当刀锋腿关节角度转到支撑相时，刀锋腿触地，否则刀锋腿悬空，具体如下：

为了使水下六足机器人具备定向攀爬功能，第i条腿的支撑角可设计为

θ_si＝k_ψM(i)(ψ-ψ_d)+θ_s0

其中，k_ψ为大于零的常数，ψ_d为水下六足机器人期望的航向角，ψ为水下六足机器人实际的航向角，θ_s0为支撑角的初始值,M(i)可定义为

采用PD控制，将水下六足机器人刀锋腿期望关节角度转换为刀锋腿关节转矩τ_i，i＝1,...,6，控制律如下

其中，k_p、k_d为待调的控制参数，q_i、分别为刀锋腿真实关节角度和真实关节角速度；

根据触地刀锋腿的关节转矩τ_i，可得

其中，F_τix、F_τiy分别为刀锋腿关节转矩对触地点处作用力在触地点坐标系下的分量，l_r为水下机器人刀锋腿半径；

根据不打滑约束求出刀锋腿触地点所需的垂向作用力F_Tiy，具体如下

其中，μ为地面摩擦系数；N_i为触地点处所受地面支持力；

依据D-H坐标变换，F_Tiy与机器人质心所受推进器推力T_x、T_y、T_z满足如下关系

其中，a_i为第i条刀锋腿的触地状态，为触地点坐标系到体坐标系的旋转矩阵；

因此，水下六足机器人8个推进器基础推力T_i^b，i＝1,...,8为：

其中，T_i^b，i＝1,2,...,8为第i个推进器的基础推力值；C_t为推力分配矩阵；

水下六足机器人的恢复力F_gx、F_gy、F_gz和恢复力矩M_gx、M_gy、M_gz如下：

其中，B为机器人浮力，G为机器人重力，θ为水下机器人本体的俯仰角，为水下机器人本体的横滚角,x_c,y_c,z_c为水下机器人浮心在体坐标系下的坐标；

因此，水下六足机器人8个推进器额外推力T_i^a，i＝1,...,8为：

其中，T_i^a，i＝1,2,...,8为第i个推进器的额外推力值；

综上，水下六足机器人第i个推进器总的推力值为T_i＝T_i^b+T_i^a，i＝1,2,...,8。