水下六足机器人壁面攀爬及跨越的运动规划与控制方法技术

本发明专利技术提出了一种混合驱动水下六足机器人壁面攀爬及跨越的运动规划与控制方法。具体包括如下步骤：S1：针对已知倾角的壁面，利用测距设备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和水下六足机器人俯仰角与壁面倾角之间的误差，判断应采用何种步态(攀爬步态/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，提出基于CPG的三足步态规划方法；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，提出基于CPG的跨越步态规划方法。本发明专利技术的规划与控制方法能够使水下六足机器人跨越不同倾角的壁面并实现稳定攀爬。机器人跨越不同倾角的壁面并实现稳定攀爬。机器人跨越不同倾角的壁面并实现稳定攀爬。

【技术实现步骤摘要】
水下六足机器人壁面攀爬及跨越的运动规划与控制方法


[0001]本专利技术涉及水下机器人
，具体为一种混合驱动水下六足机器人壁面攀爬及跨越的运动规划与控制方法。

技术介绍

[0002]海洋蕴含了丰富的矿产资源、生物资源以及石油天然气资源，合理、有效地开发海洋资源是人类生存和发展的必经之路。传统自主水下航行器(AUV)或无人遥控潜水器(ROV)无法同时满足大范围巡游探测作业和局部精细化作业需求，而由推进器和刀锋腿混合驱动的水下机器人同时具备水中巡游、着落壁面和壁面行走的能力。
[0003]现有足式机器人的步态规划方法通常分为两类：基于运动解算的步态规划方法和基于仿生学的步态规划方法。前者在获取足式机器人运动学模型的基础上，分析攀爬壁面的运动约束条件，设置期望的运动参考量，利用优化方法或随机搜索方法，获取当前的期望步态。后者通过设计自激振荡的中枢模式发生器(CPG)模型来控制多足机器人的步态，并结合生物反射原理对常见地形设计了牵张反射、姿态反射和障碍反射机制，最终实现工作面攀爬。前者尽管能规划出最优的攀爬步态，但对机器人腿部模型依赖度高、计算复杂；后者尽管具有规划简单、迅速的优点，但生成的周期步态难以适用于不同倾角壁面间的过渡情况。
[0004]水下六足机器人通常需要在不同的壁面上进行作业，若不合理规划行走步态，会使水下六足机器人难以在不同作业面间灵活跨越，即无法从一个作业面平稳过渡到另一个作业面，最终导致作业任务无法继续进行。因此，如何协调多个腿的行走动作实现在不同倾角壁面间平稳跨越以及在不同倾角壁面稳定攀爬是一项极具挑战性的研究课题。

技术实现思路

[0005](1)技术问题
[0006]设计混合驱动水下六足机器人壁面攀爬及跨越的运动规划与控制方法时主要存在以下难点：1、如何设计CPG输出信号与刀锋腿期望关节角度的映射关系，使得步态适应壁面倾角及水下机器人当前姿态角；2、如何设计推进器输入使得水下机器人在跨越壁面时能够满足纵向不打滑要求；3、如何提高系统的自适应性，使得水下六足机器人可以平稳跨越并攀爬不同倾角的壁面。
[0007]针对现有步态规划方法自适应性差，无法使得水下六足机器人在不同倾角壁面稳定攀爬及平稳跨越的问题，本专利技术基于CPG算法，提出了一种混合驱动水下六足机器人壁面攀爬及跨越的运动规划与控制方法。该方法既保留基本步态易于规划的优点，同时通过一定的足力分析，求解与刀锋腿关节转矩相适应的推进器推力，使得水下机器人胜任不同倾角壁面间平稳跨越的任务。
[0008](2)技术方案
[0009]本专利技术提供了一种混合驱动水下六足机器人壁面攀爬及跨越的运动规划与控制
方法，包括如下步骤：
[0010]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；
[0011]S2：依据质心与壁面的前向距离和水下六足机器人俯仰角与壁面倾角之间的误差，判断应采用何种步态(攀爬步态/跨越步态)；
[0012]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，提出基于CPG的三足步态规划方法；在此基础上，为了提高水下六足机器人攀爬的稳定性，一方面对水下六足机器人的推进器施加基础推力，保证水下六足机器人在攀爬时刀锋腿的不打滑，另一方面为降低恢复力和恢复力矩对水下六足机器人稳定攀爬的影响，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；
[0013]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，提出基于CPG的跨越步态规划方法；在此基础上，为了提高水下六足机器人在不同倾角壁面间跨越的稳定性，一方面对水下六足机器人的推进器施加基础推力，保证水下六足机器人在跨越时刀锋腿的不打滑，另一方面为降低水下六足机器人在跨越时的横滚，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。
[0014]针对本专利技术的示例性实施例，S1中利用测距设备获取水下六足机器人质心到壁面的前向距离。
[0015]针对本专利技术的示例性实施例，S2中依据质心与壁面的前向距离和水下六足机器人俯仰角与壁面倾角之间的误差，判断应采用何种步态(攀爬步态/跨越步态)。
[0016]根据测距设备获取的水下六足机器人质心与倾斜壁面的距离信息，设置表征从攀爬到跨越步态切换的开关信号c1，具体为
[0017][0018]其中，d为水下六足机器人质心到倾斜壁面的距离，D为距离阈值。
[0019]依据水下六足机器人俯仰角θ与待攀爬壁面k的倾角之间的误差，设置表征从跨越到攀爬步态切换的开关信号c2，具体为
[0020][0021]其中，为误差阈值。
[0022]针对本专利技术的示例性实施例，S3中针对攀爬步态，依据航向误差设计刀锋腿支撑角变化规律，提出基于CPG的三足步态规划方法；在此基础上，为了提高水下六足机器人攀爬的稳定性，一方面对水下六足机器人的推进器施加基础推力，保证水下六足机器人在攀爬时刀锋腿的不打滑，另一方面为降低恢复力和恢复力矩对水下六足机器人稳定攀爬的影响，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。具体如下：
[0023]为了实现水下六足机器人在不同壁面上的稳定攀爬及跨越，本专利技术采用三足步态，即让腿2、3、6与腿1、4、5以交替触地/悬空摆动的方式运动，为此采用基于CPG的步态规
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条刀锋腿。第i(i＝1,2,
…
,6)个Hopf振荡器的数学模型可表示为
[0024][0025]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(j＝1,2,
…
,6)个振荡器对第i个振荡器的作用，其可表示为
[0026][0027]其中，为第j个振荡器对第i个振荡器的相位差。
[0028]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
[0029][0030]其中，θ
si
为第i条腿的支撑角，即支撑相阶段第i条腿转过的角度；θ
ti
为第i条腿的摆动角，即摆动相阶段第i条腿转过的角度，且满足θ
ti
＝2π
‑
θ
si
。
[0031]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
[0032][0033]为了使水下机器人具备定向攀爬功能，第i条腿的支撑角可设计为
[0本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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。2.根据权利要求1所述的运动规划与控制方法，其特征在于，利用测距设备获取水下机器人质心到壁面的前向距离。3.根据权利要求1所述的运动规划与控制方法，其特征在于，步骤S2包括：根据测距设备获取的水下六足机器人质心与倾斜壁面的前向距离，设置表征从攀爬到跨越步态切换的开关信号c1，具体为其中，d为水下六足机器人质心到倾斜壁面的前向距离，D为距离阈值；依据水下六足机器人俯仰角θ与待攀爬壁面k的倾角之间的误差，设置表征从跨越到攀爬步态切换的开关信号c2，具体为其中，为误差阈值。4.根据权利要求1所述的运动规划与控制方法，其特征在于，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
ψ
M(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...

【专利技术属性】
技术研发人员：严卫生，马飞宇，崔荣鑫，陈乐鹏，张守旭，许晖，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：