一种重型载人足式机器人线控转向系统的路感模拟方法
【技术领域】
[0001]本发明属于足式机器人的操纵技术领域，具体涉及一种针对驾驶员操纵重型足式机器人转向过程中的路感模拟方法。
【背景技术】
[0002]重型载人足式机器人因其大负重、高稳定、适应性强等特点已成为机器人领域内的研究热点之一，但现有针对足式移动机器人的自主智能控制算法还不能确保机器人在极其复杂地形的良好通过性，这就需要将人的决策元素融入到足式机器人的控制体系当中，因此开发出一套具有良好交互性的操纵系统已成为弥补足式机器人现有智能技术不足的有效途径。
[0003]由于重型载人足式机器人结构复杂，运动离散程度高等实际问题为操纵系统的设计增添了不小的难度，所以在实际应用过程中常采用线控的方式来搭建足式机器人的操纵系统。本发明所涉及的足式机器人线控操纵系统只面向转向环节，由于取消了操纵系统内机械连接的传动方式，这会造成路感信息反馈的缺失，导致驾驶员在驾驶过程中感受不到机器人与路面的接触信息，从而为重型足式机器人在驾驶还击中带来了失稳，误操作及调控不及时等操纵隐患。综上所述，对于重型载人足式机器人线控转向系统的路感模拟方法的研究是提升驾驶员操纵稳定性及准确性的不可或缺的条件。
【发明内容】
[0004]本发明是为了解决重型载人足式机器人由于采取了线控转向的模式而导致的路感缺失问题，现提供一种重型载人足式机器人线控转向系统的路感模拟方法。
[0005]针对重型载人足式机器人线控转向系统的路感模拟方法，首先要确定线控转向系统的结构及操纵方式。线控转向系统基于模块化的思想对该系统进行设计，主要分为三部分:方向盘模块、运动控制单元模块及转向执行模块。重型载人足式移动机器人线控转向系统的操纵方式可划分为四部分:驾驶员操控方向盘输出目标转角;方向盘转角经运动控制单元模块转换成机器人转向过程中支撑相的落足点坐标及摆动相的足端轨迹;将运动控制单元模块规划出的足端信息发送到单腿控制器通过对相应腿各关节的目标转角的解算，推导出腿部各液压缸活塞杆的目标伸缩量，从而支撑机器人完成转向动作;将重型载人足式移动机器人转向过程中的足-地接触信息通过路感电机输出相应的转矩来进行模拟，并将转矩通过转向轴及方向盘反馈给驾驶员。
[0006]所述的重型载人足式机器人线控转向系统的路感模拟方法，具体包括以下步骤:步骤1:根据足式机器人的具体构型，建立运动学方程，规划出驾驶员操纵方向盘所输出的转角值与机体转向过程中转向半径之间的映射关系；
步骤2:在运动学方程基础上，建立机器人动力学方程，推导出足式机器人转向过程中的足-地接触力与关节转矩的关系，再通过腿部各液压缸运动-力学方程解析出各关节的实际转矩，从而求解出足-地接触力作用在机体重心处的解析力矩； 步骤3:建立足-地作用的力学理论模型，通过足端与机体重心的位置关系，推导出足-地接触力作用在机体重心处的理论力矩值；
步骤4:确定重载足式机器人进行路感模拟的控制方案，通过对足式机器人运动特性及线控转向系统的动力学分析，采取滑模理论对路感电机进行跟踪控制，最终实时模拟出机器人转向过程中足端与地面作用而产生的路感信息，再将此路感信息通过电机所输出的阻力矩形式反馈给驾驶员；
步骤5:通过建立李雅普诺夫正定函数，判定所设计的滑模控制器的稳定性。
[0007]本发明有以下有益效果:
所述的一种重型载人足式机器人线控转向系统的路感模拟方法，一方面，基于路感电机的状态参数设计出滑模控制系统的切换函数，从而提升了控制系统输出量的抗干扰能力，使路感电机能更快速的响应，并能更真实的反馈出路感信息；另一方面通过模拟出的高保真路感信息，使驾驶员能实时感受到机器人转向过程中足-地接触信息，从而指导驾驶员更稳定、更精确的操纵机器人完成指定任务。
【附图说明】
[0008]图1为重型载人足式机器人线控转向系统路感模拟的控制结构框图；
图2为足式机器人行进间转向模态切换的示意图；
图3为足式机器人足-地接触理论力学模型的示意图；
图4为足式机器人足端与机体重心的位置关系示意图；
图5为足式机器人单腿跟关节内部运动规划示意图；
图6为足式机器人单腿髋关节及踝关节内部运动规划示意图；
图7为路感模拟系统的控制结构示意图。
【具体实施方式】
[0009]【具体实施方式】1:参照附图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的重型载人足式机器人线性转向系统的路感模拟方法，首先需要确定线控转向系统的基本组成，线控转向系统包括方向盘模块、运动控制模块及转向执行模块，所述的方向盘模块由方向盘、转向轴、扭矩传感器、转角传感器、路感电机、减速器及电机电流传感器组成;所述的运动控制单元模块由运动规划单元及运动控制器组成;所述的转向执行模块由单腿控制器、三自由液压驱动腿、旋转变压器、压力传感器及位移传感器组成。
[0010]【具体实施方式】2:本实施方式是基于【具体实施方式】1所述的重型载人足式机器人线控转向系统的结构，针对各个模块在路感模拟环节中的作用作进一步说明，本实施方案中，方向盘输出转角与机体转向半径在操控上成比例关系，本发明所使用的方向盘单侧正/反向转动范围在，而机器人转向半径的大小取值决定了机体转向的模态，当转向半径趋近于时，机器人进入原地转向模式，当转向半径趋近于无穷大时，机器人趋于直线行走模式。为保证操纵准确性及计算的便捷性，方向盘在单侧正/反向转过转角的范围内，规定机器人不执行转向运动，当超过这个角度阈值时，机器人才进入转向模式。因此将机器人转动半径的范围设定在，方向盘转角值与机体转过的半径值采用一一对应的方式并且两变量保持正比关系，即可规划出方向盘的角传动比为2:1。[0011 ]【具体实施方式】3:本实施方式是基于【具体实施方式】1所述的重型载人足式机器人线控转向系统的结构，针对各个模块在路感模拟环节中的作用作进一步说明，本实施方案中，方向盘输出转角发送到运动控制单元模块，其内部的运动规划单元包括三部分内容:一方面通过所建立的运动学方程求解出机器人转向运动过程中支撑相的落足点坐标及摆动相的足端轨迹，并将足端信息发送到单腿控制器；另一方面，通过所建立的机器人动力学模型，推导出足-地接触力的解析值与各关节实际转矩的对应关系，再由单腿控制器通过接收到的足端信息，求解出各关节的实际转矩，并将实际转矩值发送到运动规划单元，通过运动学方程求解出的足端位置坐标实时求解出足-地接触力作用在重心处的解析力矩;最后一方面，通过滑模理论规划路感电机的控制算法，基于其内部已有的足-地接触力作用在机体重心处的理论力矩，将此理论力矩与解析力矩的差值定义为滑模面，使解析力矩能更真实的模拟出足-地接触信息。运动控制单元模块内的运动控制器负责将所要模拟出的路感信息通过线控转向系统的动力学方程转换成路感电机的控制指令，从而控制其输出相应的阻力矩，并将此力矩通过转向轴及方向盘反馈给驾驶员。
[0012]【具体实施方式】4:本实施方式是基于【具体实施方式】1所述的重型载人足式机器人线控转向系统的结构，针对各个模块在路感模拟环节中的作用作进一步说明，本实施方案中，单腿控制器包括两部分内容:一方面负责接收运动控制单元发送的足端信息，并通过内部的运动学方程将其转换成关节的目标转角，再通过几何关系及腿部各液压缸的运动-力学方程解算出各关节的实际转矩，将实际转矩值反馈到运动控制单元模块;另一方面，单腿控制器接收到运动控制模块发送的操控指令，按规划算法驱动指定腿的各液压缸内活塞杆的伸缩量，从而支撑机器人完成转向运动，最后将所采集到的各传感器信息经处理后发送到运动控制单元模块。
[0013]【具体实施方式】5:本实施方式是根据【具体实施方式】1、2、3、4所述的重型载人足式机器人线控转向系统的结构及各个模块在路感模拟环节中的作用，具体描述如何进行路感的模拟，该模拟方法包括以下步骤: