CN116859966B - 一种吸附式六足管道机器人安全移动步态控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种吸附式六足管道机器人安全移动步态控制方法，首先确定机器人移动前的初始状态构型；然后基于初始状态构型和切换规律，生成机器人从初始状态移动至落足状态的足端轨迹；并对足端轨迹进行修正；再基于修正后的足端轨迹生成各关节从初始状态至落足状态过程中的关节角配置序列；最后依据确定的关节角配置序列，控制机器人执行动作，沿管道壁面运动。本发明能够安全有效地实现机器人在管道内外壁360°移动的步态控制，进而能够解决吸附式多足机器人在克服重力进行攀爬运动过程中存在的吸附状态不可控、移动安全性低、负载能力有限等问题。

Description

一种吸附式六足管道机器人安全移动步态控制方法

技术领域

本申请属于多足机器人运动控制技术领域，涉及机器人移动步态控制，尤其涉及吸附式六足管道机器人实现360°安全移动的步态控制。

背景技术

管道移动机器人多采用壁压轮式机构，但是该方式往往无法适应内部有支撑物的管道，此类管道多出现在电力系统变电环节的输电设备中，如气体绝缘开关设备母线管道、气体绝缘输电线路管道、封闭母线管道等电气设备管道内部均布置有支撑绝缘子、导电柱等对壁压轮式管道机器人移动过程产生障碍的部件，因此足式移动机器人利用其优异的跨越和移动能力，很好地解决了管道内壁移动受限的问题，同时针对管道外壁移动也提供了一种高可行性的解决思路。但是常规足式移动机器人只能在管道内壁的底部移动，而无法克服重力实现管道内外壁的360°移动。

专利申请CN202111642536.X公开了一种六足爬壁机器人及其步态控制方法，其带电控永磁吸盘的六足可以让它在港口岸桥起重机的外表面进行自由爬行，在任意的空间位置下机器人都可以稳定吸附在金属壁表面。然而其并不适用于管道壁面的弧面场景移动。

专利申请CN202110242825.4公开了一种管道内壁四足爬壁机器人及其运动学分析方法，虽然其可以对机器人在管道中的位置和姿态进行分析，又对机器人单腿坐标系进行分析，求出机器人运动的正逆学解，进而实现对机器人的运动控制。然而该运动学分析方法不能解决吸附式多足机器人在管道场景的移动步态问题，也就不能解决机器人在管道场景下安全有效地实现360°移动的问题。

发明内容

本发明目的旨在提供一种吸附式六足管道机器人安全移动步态控制方法，实现对吸附式多足机器人在管道内外壁安全有效地实现360°移动的步态控制。

本发明主要针对吸盘吸附管道内外壁的吸附式多足移动机器人，从初始状态构型生成、腿部支撑和摆动状态切换规律、足端生成轨迹与吸附补偿机制四个方面去实现机器人步态控制。

本发明提供的吸附式六足管道机器人安全移动步态控制方法，其包括以下步骤：

S1确定机器人移动前的初始状态构型；

所述机器人包括机器人本体和经关节与机器人本体连接的六根支撑腿，六根所述支撑腿结构相同且沿机器人本体对称分布；所述支撑腿包括顺次设置三段支架，相邻两段支架之间通过关节连接；所述机器人初始状态构型是指机器人各关节所在位置的关节角；

S2生成机器人从初始状态移动至落足状态的切换规律；

S3基于初始状态构型和切换规律，生成机器人从初始状态移动至落足状态的足端轨迹；

S4对足端轨迹进行修正；

S5基于修正后的足端轨迹生成各关节从初始状态至落足状态过程中的关节角配置序列；

S6依据确定的关节角配置序列，控制机器人执行动作，沿管道壁面运动。

上述步骤S1中，主要是基于管道参数和机器人参数来确定机器人初始状态构型。所述管道参数是指管道内径R。所述机器人参数包括三段支架的长度和机器人本体半宽度。设沿远离机器人本体的方向，支撑腿三段支架分别为第一支架、第二支架和第三支架，长度分别为l₁、l₂、l₃；三支架投影在XOY平面的投影与机器人坐标系X轴之间的夹角为第一关节角θ₁，第一支架与第二支架之间的夹角为第二关节角θ₂，第二支架与第三支架之间的夹角为第三关节角θ₃；机器人坐标系X轴平行于机器人本体宽度方向。根据机器人在管道中的初始位置，可以确定任一支撑腿第一关节角θ₁和第二关节角θ₂；则第三关节角可以由以下公式计算得到：

式中，θ_m,i表示第m条支撑腿的第i个关节角，m＝1、2、…、6，i＝1、2、3；a表示机器人本体半宽度；l₂支撑腿第二支架的长度；l₃支撑腿第三支架的长度；R表示管道半径。

可以进一步根据轴对称原理，确定其他支撑腿的各关节角数据，从而生成适应该管道的机器人初始状态构型C₁(init表示初始状态)。

上述步骤S2中，所述切换规律包括一个支撑相和至少两个摆动相，所述支撑相是指六根支撑腿同时支撑于管道内外壁；所述摆动相是指六根支撑腿中的部分支撑腿脱离管道内外壁移动；且在机器人坐标系中，机器人六根支撑腿足端初始状态与落足状态时的坐标重合。在具体实现方式中，根据六根支撑腿足端落足位置，所述切换规律即为六根支撑腿摆动序列，这里以六根支撑腿足端在机器人坐标系中的坐标来表征六根支撑腿摆动序列。

上述步骤S3中，由于切换规律给出了六根支撑腿的摆动序列，结合初始状态构型，可以得到机器人从初始状态移动至落足状态的足端轨迹T1。本发明中，机器人六根支撑腿足端抬起和落下的瞬间方向与壁面半径方向重合，确保了落足的准确性，提高吸盘与壁面的贴合程度。

上述步骤S4中，机器人在管道壁面一定高度位置移动时，由于吸盘变形、使用的弹簧压缩以及机器人装配可能存在的间隙等问题会直接导致足端无法仅依靠步骤S3确定的足端轨迹实现有效贴合壁面，即理想落足点与实际落足点之间存在空间距离，定义为轨迹偏差d_p≥0。因此本发明结合机器人腿部气压传感器数据，利用以下公式，对步骤S3确定的机器人六根支撑腿的足端轨迹T₁中的落足时足端点坐标进行修正，修正后的足端轨迹为T₂，以补偿机器人足端存在的运动误差，确保足端吸盘能够与壁面贴合。

式中，表示步骤S3中确定的第m根支撑腿足端的落足坐标；表示修正后的第m根支撑腿足端的落足坐标；d_p＝k_v(sgn(p_min-p)+1)t，k_v为设定的足端运动的速度系数，当k_v较大时、机器人运动较快，当k_v较小时，机器人运动较慢；p_min表示满足吸附条件的最小气压值，p表示实际足端气压值；t表示足端从上一足端坐标运动至当前位置所用时间；表示管道轴线上任一点在机器人坐标系中的Z轴坐标。

依据修正后的机器人各支撑腿足端落足点坐标，在切换规律基础上增加修正后的足端落足点坐标，以对六根支撑腿摆动序列进行更新，进一步结合足端轨迹T₁，就可以得到修正后的足端轨迹T₂。

上述步骤S5中，基于修正后的足端轨迹，利用逆运动学公式计算，得到机器人各关节配置序列genr表示配置序列生成过程的中间状态：

式中，p_m,x、p_m,y、p_m,z分别表示修改后的足端轨迹中第m条支撑腿足端在机器人坐标系中的坐标。

机器人各关节通过驱动电机驱动相应的运动轴来实现转动。依据配置序列C₂，可以确定机器人各支撑腿关节角的变化，进而可以转化为驱动各运动轴转动的脉冲信号，从而实现机器人在管道壁面上安全有效地360°移动。

本发明提供的吸附式六足管道机器人安全移动步态控制方法，具有以下有益效果：

1)本发明基于支撑相和摆动相构建机器人各支撑腿的切换规律，再结合机器人初始状态构型，生成足端轨迹并修正，然后基于修正后的足端轨迹生成机器人各支撑腿的关节角配置序列，从而能够安全有效地实现机器人在管道内外壁360°移动的步态控制，进而能够解决吸附式多足机器人在克服重力进行攀爬运动过程中存在的吸附状态不可控、移动安全性低、负载能力有限等问题；

2)本发明具有一定的可扩展性和广泛适应性，可适应不同尺寸管道内外壁，完成管道壁面360°移动，可通过变更初状态参数，使之扩展至竖直平面、刃面、折角面等轴对称壁面场景，可应用于双足、四足、六足、八足等多足吸附式移动机器人。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明提供地吸附式六足管道机器人安全移动步态控制方法流程示意图。

图2为机器人构型；其中，1-机器人本体，2-支撑腿，21-支架。

图3为机器人沿管道壁面支撑与摆动切换规律。

图4为机器人支撑腿足端轨迹位置与形状。

图5为机器人在管道内壁360°移动示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例主要针对吸附式多足移动机器人；通过吸盘的吸气、放气实现机器人在管道内外壁的固定和移动；当处于吸气状态时，通过吸盘吸附在管道内外壁上；当处于放气状态时，机器人支撑腿可以自由摆动，从而实现机器人沿管道内外壁的移动。

如图1所示，本实施例提供的吸附式六足管道机器人安全移动步态控制方法，其包括以下步骤：

S1确定机器人移动前的初始状态构型。

本步骤主要是基于管道参数和机器人参数来确定机器人初始状态构型。管道参数是指管道内径R。

如图2所示，本实施例所针对的机器人包括机器人本体1和经关节与机器人本体连接的六根支撑腿2。六根支撑腿结构相同且沿机器人本体对称分布，同时六根支撑腿相互平行。支撑腿包括顺次设置三段支架21，相邻两段支架之间通过关节连接。机器人初始状态构型是指机器人各关节所在位置的关节角。

机器人参数包括三段支架的长度和机器人本体半宽度。设沿远离机器人本体的方向，支撑腿三段支架分别为第一支架、第二支架和第三支架，长度分别为l₁、l₂、l₃；三支架投影在XOY平面的投影与机器人坐标系X轴之间的夹角为第一关节角θ₁，第一支架与第二支架之间的夹角为第二关节角θ₂，第二支架与第三支架之间的夹角为第三关节角θ₃；机器人坐标系X轴平行于机器人本体宽度方向。根据机器人在管道中的初始位置，可以确定任一支撑腿第一关节角θ₁和第二关节角θ₂；则第三关节角可以由以下公式计算得到：

式中，θ_m,i表示第m条支撑腿的第i个关节角，m＝1、2、…、6，i＝1、2、3；a表示机器人本体半宽度；l₂支撑腿第二支架的长度；l₃支撑腿第三支架的长度；R表示管道半径。

可以进一步根据轴对称原理，确定其他支撑腿的各关节角数据，从而生成适应该管道的机器人初始状态构型C₁(init表示初始状态)。

S2生成机器人从初始状态移动至落足状态的切换规律P₁。

切换规律P₁即是支撑腿支撑和摆动状态的切换规律，该规律的出发点为提升机器人吸附移动过程的稳定性、安全性和负载能力。切换规律P₁包括一个支撑相和至少两个摆动相。支撑相是指六根支撑腿同时支撑于管道内外壁，摆动相是指六根支撑腿中的部分支撑腿脱离管道内外壁移动；本实施例中支撑相是指六根支撑腿的足部吸附于管道内外壁上，摆动相为其中三根支撑腿的足部处于吸附状态，另外三根支撑腿足部处于自由状态，可以自由摆动。本实施例是在机器人坐标系中实现的。根据六根支撑腿足端落足位置，切换规律P₁即为六根支撑腿摆动序列，这里以六根支撑腿足端在机器人坐标系中的坐标来表征六根支撑腿摆动序列。机器人六根支撑腿足端初始状态与落足状态时的坐标重合。

图3给出了机器人沿管道壁面支撑与摆动切换规律。沿Z轴负方向朝机器人俯视看去，切换规律P₁需完成如下七个子步态：①至②为六足支撑相，②～⑤为腿1，3，5三足摆动相，⑤～⑧为腿2，4，6三足摆动相，中间过程用带有箭头的黑色实线表示。⑧与①为一个周期内的初始与完成状态，中间过程用带有箭头的灰色实线表示。在支撑相环节，切换规律P₁将传统三足步态中两个三足支撑相合为一个六足支撑相，保证了机器人本体在相对壁面移动过程中的全足吸附，从而提高了机器人移动过程中的稳定性和负载能力，且移动效率未受影响。

结合图3，本实施例给出的切换规律具体如式(2)所示。

式中，p_m,j表示第m条支撑腿在第j个角点的足端坐标；为了避免支撑腿标识与角点混淆，这里的m＝L₁、L₂、L₃、L₄、L₅、L₆，j＝1、2、3、4。

对应于图3中的①，机器人支撑腿不动，各支撑腿足端均在角点坐标1位置；从①到②，机器人支撑腿不动，其足端坐标相对于机器人本体而言，从角点坐标1变换到角点坐标2，这个可以通过控制各支撑腿关节来实现；从②到③，即机器人L₄～L₆支撑腿不动，L₁～L₃支撑腿足端坐标相对于机器人本体而言，从角点坐标2变换到角点坐标3，此时L₁～L₃支撑腿吸盘处于放弃状态，通过控制相应关节，可以实现机器人摆动；依次类推，可以得到公式(2)给出的切换规律。最终，机器人在初状态下坐标为p_m,1与落足时足端坐标重复(相对于机器人本体而言)。

S3基于初始状态构型和切换规律，生成机器人从初始状态移动至落足状态的足端轨迹。

结合切换规律P₁，利用公式(2)，从初始状态构型开始，将各个角点连接，即可得到一个周期内足端轨迹T₁，如图4所示；以管道内壁机器人沿圆周方向运动为例，图4中给出了足端轨迹相对机器人和管道壁面的位置关系和轨迹形状。从轨迹与壁面的相对位置关系可看出，在轨迹T₁的作用下，足端抬起和落下的瞬间方向与壁面半径方向重合，确保了落足的准确性，提高吸盘与壁面的贴合程度。

S4对足端轨迹进行修正。

由于机器人在管道壁面一定高度位置移动时，吸盘形变、弹簧压缩和装配间隙等问题会直接导致足端无法仅依靠机器人足端轨迹T₁实现有效贴合壁面，即理想落足点p_m,1与实际落足点之间存在空间距离(即轨迹偏差)d_p≥0，因此本实施例结合机器人腿部气压传感器数据，利用以下公式(3)，针对足端轨迹T₁中的落足时足端点坐标进行修正。

式中，表示步骤S3中确定的第m根支撑腿足端的落足坐标；表示修正后的第m根支撑腿足端的落足坐标；d_p＝k_v(sgn(p_min-p)+1)t，k_v为设定的足端运动的速度系数，p_min表示满足吸盘吸附条件的最小气压值，p表示实际足端气压值；t表示足端从上一足端坐标运动至当前位置所用时间；表示管道轴线上任一点在机器人坐标系中的Z轴坐标。

依据修正后的机器人各支撑腿足端落足点坐标，在切换规律基础上增加修正后的足端落足点坐标，以对六根支撑腿摆动序列进行更新，即在公式(2)基础上增加公式(4)中第5行和第9行。

进一步结合足端轨迹T₁，就可以得到修正后的足端轨迹T₂，以补偿机器人足端存在的运动误差，确保足端吸盘能够与壁面贴合。

S5基于修正后的足端轨迹生成各关节从初始状态至落足状态过程中的关节角配置序列。

得到足端轨迹T₂后，利用逆运动学公式(5)进行计算，可得到机器人各关节配置序列C₂

式中，p_m,x、p_m,y、p_m,z分别表示修改后的足端轨迹中第m条支撑腿足端在机器人坐标系中的坐标。

S6依据确定的关节角配置序列，控制机器人执行动作，沿管道壁面运动。

依据配置序列C₂，可以确定机器人各支撑腿关节角的变化，进而可以转化为驱动各运动轴转动的脉冲信号，从而实现机器人在管道壁面上安全有效地360°移动。

利用上述吸附式六足管道机器人安全移动步态控制方法对机器人步态控制效果如图5所示。从图5中可以看出，通过本发明提供的吸附式六足管道机器人安全移动步态控制方法对机器人在管道的内外壁实现360°吸附移动的过程。

综上所述，本发明提供的述吸附式六足管道机器人安全移动步态控制方法的关键点包括：

1)本发明从提高吸附稳定性与负载能力的角度提出一种吸附式六足机器人支撑与摆动切换规律；

2)本发明从提高落足与吸附精准性的角度提出一种带有补偿机制的足端轨迹；

3)本发明具有一定的可扩展性和广泛适应性，可适应不同尺寸管道内外壁，完成管道壁面360°移动，可通过变更初状态参数，使本发明扩展至竖直平面、刃面，折角面等具有轴对称壁面场景执行移动任务，实现安全、稳定、有效的360°运动步态；同时可应用于双足、四足、六足、八足等多足吸附式移动机器人。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种吸附式六足管道机器人安全移动步态控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1确定机器人移动前的初始状态构型；

所述机器人包括机器人本体和经关节与机器人本体连接的六根支撑腿，六根所述支撑腿结构相同且沿机器人本体对称分布；所述支撑腿包括顺次设置三段支架，相邻两段支架之间通过关节连接；所述机器人初始状态构型是指机器人各关节所在位置的关节角；

S2生成机器人从初始状态移动至落足状态的切换规律；

S3基于初始状态构型和切换规律，生成机器人从初始状态移动至落足状态的足端轨迹；

S4利用以下公式，对步骤S3确定的机器人六根支撑腿的足端轨迹T₁中的落足时足端点坐标进行修正，修正后的足端轨迹为T₂；

式中，表示步骤S3中确定的第m根支撑腿足端的落足坐标； 表示修正后的第m根支撑腿足端的落足坐标；d_p表示轨迹偏差，d_p＝k_v(sgn(p_min-p)+1)t，k_v为足端运动的速度系数，p_min表示满足吸附条件的最小气压值，p表示实际足端气压值；t表示足端从上一足端坐标运动至当前位置所用时间； 表示管道轴线上任一点在机器人坐标系中的Z轴坐标；

S5基于修正后的足端轨迹生成各关节从初始状态至落足状态过程中的关节角配置序列；

S6依据确定的关节角配置序列，控制机器人执行动作，沿管道壁面运动。

2.根据权利要求1所述的吸附式六足管道机器人安全移动步态控制方法，其特征在于，步骤S1中，基于管道参数和机器人参数来确定机器人初始状态构型；所述管道参数是指管道内径R；所述机器人参数包括三段支架的长度和机器人本体半宽度。

3.根据权利要求2所述的吸附式六足管道机器人安全移动步态控制方法，其特征在于，设沿远离机器人本体的方向，支撑腿三段支架分别为第一支架、第二支架和第三支架，长度分别为l₁、l₂、l₃；三支架投影在XOY平面的投影与机器人坐标系X轴之间的夹角为第一关节角θ₁，第一支架与第二支架之间的夹角为第二关节角θ₂，第二支架与第三支架之间的夹角为第三关节角θ₃；根据机器人在管道中的初始位置，可以确定任一支撑腿第一关节角θ₁和第二关节角θ₂；则第三关节角可以由以下公式计算得到：

式中，θ_m,i表示第m条支撑腿的第i个关节角，m＝1、2、…、6，i＝1、2、3；a表示机器人本体半宽度；l₂支撑腿第二支架的长度；l₃支撑腿第三支架的长度；R表示管道半径；

根据轴对称原理，确定其他支撑腿的各关节角数据，从而生成适应该管道的机器人初始状态构型init表示初始状态。

4.根据权利要求1所述的吸附式六足管道机器人安全移动步态控制方法，其特征在于，步骤S2中，所述切换规律包括一个支撑相和至少两个摆动相，所述支撑相是指六根支撑腿同时支撑于管道内外壁；所述摆动相是指六根支撑腿中的部分支撑腿脱离管道内外壁移动；且在机器人坐标系中，机器人六根支撑腿足端初始状态与落足状态时的坐标重合。

5.根据权利要求4所述的吸附式六足管道机器人安全移动步态控制方法，其特征在于，所述切换规律即为六根支撑腿摆动序列，以六根支撑腿足端在机器人坐标系中的坐标来表征六根支撑腿摆动序列。

6.根据权利要求1所述的吸附式六足管道机器人安全移动步态控制方法，其特征在于，步骤S5中，基于修正后的足端轨迹，利用逆运动学公式计算，得到机器人各关节配置序列 genr表示配置序列生成过程的中间状态：

式中，p_m,x、p_m,y、p_m,z分别表示修改后的足端轨迹中第m条支撑腿足端在机器人坐标系中的坐标。