一种腿部可移动六足机器人腿部缺失的容错步态控制方法与流程

本发明属于足式机器人容错控制技术领域，具体涉及一种腿部可移动六足机器人腿部缺失的容错步态控制方法

背景技术：
。

当今，足式机器人在行星探测，灾难应急、反恐任务等领域已成为主要工具。具有有效步态规划的足式机器人在这类任务中发挥重要作用。但是，如果一条腿受损，任务就会因此中断。所以，机器人需要一些替代策略继续完成任务。

目前，从太空探索、灾难应急到排雷，在人们无法触及的环境下，机器人得到了许多应用。周围环境恶劣，危险地形严重，故障率高。因此在这种情况下需要机器人代替人来完成这些任务。足式机器人具有广泛的应用范围，能够完成许多轮式机器人无法完成的任务。在本文中，我们讨论了常见的六足机器人，虽然足式机器人走路受到腿的个数的影响，但腿的个数和腿的个数对机器人的影响是相似的。关于机器人腿部失效的策略。例如，一条腿受损的六足机器人腿部故障情况。腿和底盘重排，以满足工作系数的要求，并提出了每条腿的大工作空间。换句话说，机器人应该有腿长和运动空间相互干扰。然而，这种重排也改变了机器人的身体配置。此外，对于某些情况，长腿不可能有大的工作空间。推荐的六足机器人"容错"步态方法，每一步仅有两条腿抬起。即使一条故障腿站立，由于机器人的重心始终定位在支撑面对角线的交点上，稳定性也保持不变，所以可以使用五条腿步态。锁定损坏的电机关节也有利于保持稳定性。因此，锁定的关节腿可以用于支撑而不是移动，并且机器人的步态顺序必须相应地重新排列，但是锁定机制始终无法提供支持。当在腿部的第二或第三关节发生故障时，腿部可能不再保持稳定。

当机器人的一或两条腿停止运转时，它仍然可以通过切换到另一种步态来保持稳定性。但在三或四条腿失效时，稳定性明显下降，甚至发生了临界稳定性。因此nasa建议爬行和滑翔步态来解决这个问题。但是，前面提到的所有方法都受到一些限制。从上面的讨论可以说，足式机器人的腿有几种故障。一个是"锁定连接"方案，它假定连接的设计方式是在检测到故障时可以锁定它。然后，锁定的关节腿可以用来支撑身体而不是移动。第二个是"自由摆动"方案，它假设故障的电机或关节失去了它的大部分抵抗外部负荷，把受损的腿作为一个自由旋转的悬吊肢体。本发明重点研究了"断腿"方案和"滑腿"方法，以保持机器人的效率和稳定性。因为，受伤的腿会对其他腿部和机器人整体系统产生一些不必要的副作用。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种腿部可移动六足机器人腿部缺失的容错步态控制方法，通过一种腿部可移动方法来解决这一问题，其中故障腿可以分离，其他腿部可以通过操作员的命令移动到更佳的位置，以获得最佳的替代步态配置，根据腿部序列、步幅、纵向稳定性和效率，对替代步态进行了评价。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种腿部可移动六足机器人腿部缺失的容错步态控制方法，其组成包括：六足机器人，所述的六足机器人机体由腿部滑动装置、机体、基节和腿部模块，所述的机体的两侧设置有所述的腿部滑动装置，所述的腿部滑动装置与基节的一侧连接，所述的基节的另一侧与所述的腿部模块连接，所述的腿部模块由大腿结构、小腿结构和足体组成，所述的大腿结构与所述的小腿结构的一端连接，所述的小腿结构的另一端与所述的足端连接，

所述的六足机器人为具有可移动滑动腿的六足机器人，

六足机器人腿部缺失的容错步态控制方法，该方法包括如下步骤：

(1)六足机器人模型腿部可移动的使用：

所述的每条腿模块的第一关节安装有滑动机构，腿部可以自由移动，甚至通过操作者的指挥分离，现在以6-2-l3r3类型为例，当腿部l3和r3故障时，他们被切断，腿部l2移动到替换l3的位置，同样r2也移动到替换r3由操作员指挥，我们将此策略命名为固定位置调整，通过这种方式，我们可以将低效率的低稳定性6-2-l3r3类型转换为一个非常令人满意的6-2-l2r2型步态策略；

切断和滑动腿的机制可以由操作员远程控制：

第一步:故障腿被移除；

第二步：中间腿滑入移除腿，当腿的位置开始移动并且剩余的腿不能提供稳定的支撑，那么我们必须使用特殊的转移方法使机器人达到稳定的状态，在6-2-l3r3类型的情况下，腿l2和r2是移动他们的位置，然而，当这些腿在地面上方升降时，剩余的腿部无法提供可用的支撑面，在这种情况下，改变这些腿的位置必须伴随着身体的适当运动，首先让l1和r1向后摆动一个距离s，其次使l2和r2也移动在同一方向的量s，然后摆动l1和r1回到原来的立场，重复这些步骤，直到l2和r2移动到所需的固定位置；

(2)调整步态的轴向稳定性：

假设稳定性极限sl小于理论极限，使用连续三步态时，通常不会出现边缘稳定性，因此，最小轴向稳定性极限d最小值介于间隔的长度[sl+，sl-]min之间；

(3)固定位置调整：

固定位置调整策略可用于解决受损腿部的低效率和稳定性，在6-1-n中，对于[3|2]和[2|3]类型，效率状态是相同的，所以不需要转换；在6-2系列由四条腿形成的[2|2]的类型，它由两对对称腿组成，综上所述，6-2-l3r3类型需要对固定位置的腿部移动有特殊的要求，基于上述分析，对于任何足式机器人一侧至少有两条腿，可以通过固定位置调整；

上述中[3|2]表示左边有三条腿和右它有两条腿；

(4)非固定位置调整：

腿部的非固定位置调整是位置与滑动导轨所示，例如，，可以计算腿部的最佳位置以获得最优的dmin；

(5)腿部故障后恢复任务的程序：

在受损的腿部报告故障后是否能立即提供评估做出反应，对于一个腿不能够支撑的概率估计为67％，故障发生在第二或第三关节，因此，损坏的腿必须切断，腿部切断后，通过各种腿部配置的分类和比较得到最佳配置。

本发明的有益效果：

1.本发明对于步态调整，，提出了固定位置调整(fp)和非固定位置调整(nfp)。通过采用建议的固定位置调整(fp)和非固定位置调整(nfp)，六足机器人可以克服任何故障事件和保持稳定性和效率。此外，本发明还研究了可移动滑腿法在六足机器人腿故障中的应用。根据腿部序列、步幅、纵向稳定性和效率，对替代步态进行了评估。此外，我们提出了不同步态序列的表，关于六足机器人在腿部故障后完成任务的渐进效率和程序。这些表可提供步态选择和收集某些关于受损腿部的信息。因此，建议机器人设计师将这些首选步态编程到机器人的内存中，在不利的情况下，它将知道它应该选择哪种替代步态模式。

2.本发明将六足机器人模型视为腿部可移动的六足机器人模型。使用三维坐标系将原点放置在机器人的重心上。同时腿部模块的设计方式可以在需要时丢弃和滑动，每条腿有三自由度，它向后摆动(推进冲程)和向前(返回冲程)的速度相同速度。在本发明中我们假设每条腿的最大步长为2s，这意味着一条腿可以从它的中立位置移动±s。

附图说明

附图1是本发明的具有可移动滑动腿的六足机器人；

附图2是六足机器人原理图；

附图3是本发明六足机器人失去一条腿r2的原理图一；

附图4是本发明六足机器人失去一条腿r2的原理图二；

附图5是本发明六足机器人失去一条腿r2的原理图三；

附图6是本发明六足机器人的增强步态示意图一；

附图7是本发明六足机器人的增强步态示意图二；

附图8是本发明六足机器人腿部故障后完成任务的程序图。

图中：1、引导滑动装置，2、机体，3、基节，4、腿部模块、4-1、大腿结构，4-2、小腿结构，4-3、足体。

具体实施方式

具体实施方式1：一种腿部可移动六足机器人腿部缺失的容错步态控制方法，其组成包括：六足机器人，所述的六足机器人机体由引导滑动装置1、机体2、基节3和腿部模块4，所述的机体的两侧设置有所述的引导滑动装置，所述的引导滑动装置与基节的一侧连接，所述的基节的另一侧与所述的腿部模块连接，所述的腿部模块由大腿结构4-1、小腿结构4-2和足体4-3组成，所述的大腿结构与所述的小腿结构的一端连接，所述的小腿结构的另一端与所述的足体连接，所述的六足机器人为具有可移动滑动腿的六足机器人。

具体实施方式2：

调整步态的轴向稳定性：

在本发明中，我们假设地形平坦。粗糙地形的稳定性难以测量。稳定性裕度是机器人步态规划的重要因素之一。在发生临界稳定情况后，机器人丢弃了损伤腿，改变了步态规划。理论上，边际稳定性(重心在支撑面边界)仍然被认为是稳定的。但在实际应用中，即使机器人是完全对称的形状，但由于一些因素(例如:手动装配误差、零件材料、不平等)，机器人的重心不能与几何中心重合。因此，我们假设稳定性极限(sl)小于理论极限，使用连续三步态时，通常不会出现边缘稳定性。因此，最小轴向稳定性极限d最小值介于间隔的长度[sl+，sl-]min之间。如图2所示，sl+是前轴的稳定极限，sl-是后轴的稳定极限。如图2所示，标准步长为2s。前后腿的最大摆动假定为1.75s。该区域旨在避免边缘稳定性的发生，dmin＝0。

共用腿：

大多数昆虫可以用三步态行走，这是一个快速稳定平衡步态(sbg)。然而，当一个或多个腿丢失，常规三步态不再适用。要解决这个，一个"共用腿"需要在两个三步态中共享。下面一节中的示例将详细介绍"共用退"。

替代步态配置：

对于一个六足机器人失去一条腿r2(如图3、图4、图5所示)。其静态平衡步态(sbg)，仍然需要两组三条腿做支撑。

但是只有五条腿，为了解决这个，必须在两组三条腿支撑下有一条"共用腿"。让我们研究dmin＝0的(6-1-r2)情况，如图3中的机器人原理图所示。步态循环由一系列重复的步行步骤组成，每个前进步骤的支撑多边形都显示在连接所有站立腿的虚线线上。机器人的重心附图5永远不能落在支撑面之外。比较图3和图5的支持三角形，我们看到r3腿部是共同的腿。在机体旁边绘制的垂直线是腿部的可能位移范围，相对于机体定义。在每一步，如果一条腿移动，它从灰色点移动到我们的原理图中的白点。我们可以看到，腿最初放置在他们的中立位置，当支撑腿移动时，所有腿向后摆动，有助于机体向前运动。

具体实施方式3：我们为不同的步态序列生成了一个表，dmin与步长的关系及渐进效率见表1。从本文的研究中，由于腿部缺陷而产生的替换代步态序列中，它们可实现的运动学特性只占很少的部分。更多的则是缺乏足够的步行速度，边缘稳定性或者用较小的步伐，以至于步伐变得明显不均匀。在某些情况下，步态功能完全丧失。表2显示了各种类型的断腿步态模式，我们用纵向稳定性sl表示s。由于结构复杂、工作环境恶劣，多腿机器人的腿部故障概率很高。因此，在故障发生时解决故障问题是非常重要的。为此，提出了在步态规划方面的一些变化。

表1对故障步态的步长与效率之间的关系进行了最小化调整

表2六足双腿步态序列的总结

具体实施方式4：

固定位置调整(fp)：

固定位置(fp)调整策略可用于解决受损腿部的低效率和稳定性。我们仍然使用图2中的模型作为测量稳定性的基础。在(6-1-n)中，对于[3|2](表示左边有3条腿和右它有两条腿)和[2|3]类型，效率的正常状态是相同的，所以不需要转换。在(6-2)系列由四条腿，[2|2]的类型，这有两对对称，综上所述，(6-2-l3r3)类型需要对固定位置(fp)的腿部移动有特殊的要求。基于上述分析，对于任何足式机器人一侧至少有两条腿，可以通过固定位置调整，这有效地解决了机器人由于一条或多支腿的损失导致稳定性或效率不足的故障问题。

具体实施方式5：

非固定位置调整(nfp)：

对腿部运输到一些固定位置调整进行了讨论。但是，腿部的非固定位置(nfp)调整也可能是位置与滑动导轨如图1所示。例如，可以计算腿部的最佳位置以获得最优的dmin。

具体实施方式6：

腿部故障后恢复任务的程序

一种机器人在严重腿部故障后恢复其任务的程序，如图8所示，在受损的腿部报告故障后是否能立即提供评估做出反应。对于一个腿不能够支撑的概率估计为67％(故障发生在第二或第三关节)。因此，损坏的腿必须切断。腿部切断后，通过各种腿部配置的分类和比较得到最佳配置。

表2显示了最佳类型发生的概率。例如，对于(6-2-n)类别，最佳类型的匹配仅为17％。但是，如果使用固定位置调整(fp),则非最佳类型始终可以转换为最佳类型。此外，在应用fp后,通过引入非固定位置调整(nfp)，可以更详细地调整机器人步态。通过遵循此程序，可以实现最佳的腿部配置，从而最大限度地提高稳定性和效率。