摘 要：傳統(tǒng)的四足機器人跳躍步態(tài)控制階段一般為單向形式，其控制效率低，導致最終移位差增大，因此本文設計核電站含脊柱關節(jié)驅(qū)動四足機器人跳躍步態(tài)控制方法。根據(jù)當前控制需求建立控制坐標系，采用多階方式提升控制效率，設計多階段機器人跳躍步態(tài)控制，構(gòu)建脊柱關節(jié)驅(qū)動四足機器人跳躍步態(tài)控制模型，采用步態(tài)次序平衡調(diào)整的方式來進行控制。測試結(jié)果表明，在單騰空態(tài)跳躍、雙騰空態(tài)跳躍2種狀態(tài)下，與交叉耦合四足機器人步態(tài)控制方法、Trot四足機器人行走姿態(tài)控制策略相比，本文設計的方法最終得到的移位差比較小，說明該方法針對性較強，控制效果更好，應用價值更高。

關鍵詞：核電站；自主巡檢；四足機器人；無人機；定位；巡航

中圖分類號：TP 242 " " " 文獻標志碼：A

核電站的作業(yè)環(huán)境比較復雜，使用傳統(tǒng)的自動化與遠程操控手段通常會面對許多挑戰(zhàn)，例如輻射區(qū)域的風險性高、狹窄空間內(nèi)的靈活作業(yè)需求以及在緊急情況下快速響應的迫切性等。為解決上述難題，本文制造了含脊柱關節(jié)驅(qū)動的四足機器人。模擬生物四肢與脊柱的協(xié)同運動機制，在平坦或崎嶇不平的地形中靈活穿梭，甚至完成跳躍等高級動態(tài)行為，極大程度地提高機器人的靈活性和動態(tài)平衡能力。但是當環(huán)境切換時，機器人的步態(tài)控制存在一定的問題，例如無法精準著陸固定區(qū)域、接近目標但是出現(xiàn)移位以及耗時較長等。為解決這些問題，研究人員設計了控制方法，例如交叉耦合四足機器人步態(tài)控制方法利用足間動力學耦合效應，調(diào)整步伐節(jié)奏與著地位置，精確計算并協(xié)調(diào)各足間的運動相位與力度，使步態(tài)轉(zhuǎn)換平穩(wěn)、流暢，提升能量利用效率[1]。Trot四足機器人行走姿態(tài)控制策略利用四足機器人側(cè)擺肩關節(jié)的電機對步態(tài)進行精細調(diào)整，模擬自然界中動物的奔跑姿態(tài)，優(yōu)化關節(jié)角度與運動軌跡，降低能耗，提升行走效率[2]。這類方法可以達到預期的控制目標，但是可控性較差，時間消耗較多，在復雜環(huán)境中不能迅速撤離目標區(qū)域。因此本文設計核電站含脊柱關節(jié)驅(qū)動四足機器人跳躍步態(tài)控制方法。分析脊柱關節(jié)與四肢的協(xié)調(diào)運動規(guī)律，結(jié)合控制算法與傳感器技術使機器人在復雜地形中能夠穩(wěn)定跳躍與精準定位，擴大控制范圍，提高控制效果，步態(tài)控制更靈活、多變，為核電站自動化與智能化發(fā)展貢獻力量。

1 建立含脊柱關節(jié)驅(qū)動四足機器人跳躍步態(tài)控制方法

1.1 建立控制坐標系

建立控制坐標系是四足機器人進行平衡控制的關鍵，可以有效規(guī)劃并控制脊柱關節(jié)以及四肢的協(xié)調(diào)運動?？刂谱鴺讼狄匀肿鴺藶橹鱗3]，將機器人身體的中心點或某一個固定點作為核心點，根據(jù)該點位定義各關節(jié)的局部坐標?？刂谱鴺讼到Y(jié)構(gòu)如圖1所示。設計該結(jié)構(gòu)并在實踐中進行分析，然后標定核心點位，在這個過程中利用角度或位移參數(shù)來描述其驅(qū)動方式，并根據(jù)建立的坐標系計算機器人步態(tài)的初始控制范圍[4]，如公式（1）所示。

P=γ2-（m+n） " " " " " "（1）

式中：P為初始控制范圍；γ為自適應覆蓋區(qū)域；m為移動的角度；n為位移參數(shù)。將計算得到的初始控制范圍設定為坐標的控制約束范圍標準。結(jié)合機器人跳躍步態(tài)中的動力學特性和運動軌跡標定其受力點，在不同的工況條件下采集實時數(shù)據(jù)和信息，待后續(xù)使用[5]。設計的坐標系并不是固定的，一般針對四足機器人的應用需求進行設定以及移動，保證后續(xù)步態(tài)控制的靈活度和穩(wěn)定性[6]。

1.2 機器人跳躍步態(tài)控制多階段設計

上文設計的坐標系針對機器人的跳躍動作和受力、著力點方向，根據(jù)巡航需求設計機器人跳躍步態(tài)控制階段[7]，其分為觸地緩沖階段、蹬地階段和預備觸地階段。觸地緩沖階段四足機器人自身的重力會出現(xiàn)不同的變化，身體的勢能會轉(zhuǎn)換為腿部的勢能[8]。如果整體的重心降低，那么對應的運動速度也會降低。觸地緩沖階段勢能變化如圖2所示。在這個階段，需要采用豎直彈簧機器人來緩沖足端與軀干之間的作用力，在勢能轉(zhuǎn)換的過程中保持平衡。四足機器人腿部并不是伸縮式的，因此這部分利用半無限線性規(guī)劃（Semi-Infinite Linear Programming，SILP）技術進行輔助，建立位置與力之間的映射關系。改變髖關節(jié)的位置，預設腿的推動方向并計算最大蹬地速度，如公式（2）所示。

（2）

式中：M為最大蹬地速度；a為推動距離；f為節(jié)點控制距離；i為控制節(jié)點；x為重疊區(qū)域；v為蹬地次數(shù)。結(jié)合計算得到的最大蹬地速度進一步調(diào)整機器人髖關節(jié)的腳尖指向，使位置映射與力映射之間保持平衡。預備觸地階段是在完成蹬地后四足機器人腿部向基礎方向持續(xù)后撤的階段，為保證足端軌跡平滑、連續(xù)，進行階段性控制處理。根據(jù)速度變化調(diào)整對應的控制標準，控制腿觸緩沖耗時，如公式（3）所示。

O=（h-s）2·π " " " " " "（3）

式中：O為腿觸緩沖耗時；h為腿部緩沖的速度變化；s為阻尼系數(shù)。

根據(jù)計算得到的腿觸緩沖耗時對機器人的運行軌跡進行基礎性規(guī)劃處理，形成完整、細化的控制標準。

1.3 構(gòu)建脊柱關節(jié)驅(qū)動四足機器人跳躍步態(tài)控制模型

針對上文設計的各個基礎控制階段，根據(jù)實際的步態(tài)控制要求設計脊柱關節(jié)驅(qū)動四足機器人跳躍步態(tài)控制模型。了解當前四足機器人各關節(jié)的運動學關系和動力學特性，分析脊柱關節(jié)的力矩與角加速度的關系，如公式（4）所示。

Jspine=Ispineθ+sθ2 " " " " （4）

式中：Jspine為脊柱關節(jié)的驅(qū)動力矩；Ispine為脊柱的轉(zhuǎn)動慣量；θ為脊柱關節(jié)的角加速度。根據(jù)上述計算調(diào)整四足機器人的運行狀態(tài)，在保持平衡后，基于驅(qū)動條件的變化設計模型結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

設計驅(qū)動四足機器人跳躍步態(tài)控制模型結(jié)構(gòu)并進行分析。根據(jù)上述模擬，分別調(diào)整脊柱彎曲角度和四肢推力組合測試，使步態(tài)跳躍效果達到最佳，模型的步態(tài)控制最優(yōu)解計過程如公式（5）所示。

E=ι-∫BX+Q " " " " （5）

式中：E為步態(tài)控制最優(yōu)解；ι為步態(tài)控制范圍；B為跳躍次數(shù)；X為四肢推力強度；Q為外部推力。分析得到的結(jié)果，實時調(diào)整脊柱關節(jié)和四肢的控制參數(shù)，保證機器人在復雜多變的核電站環(huán)境中能夠穩(wěn)定、可靠地執(zhí)行跳躍步態(tài)。

1.4 步態(tài)次序平衡調(diào)整控制處理

步態(tài)控制的關鍵是使各足部按照預定次序協(xié)調(diào)運動，保證在跳躍過程中力量分配合理、動作連貫。四足機器人步態(tài)劃分為支撐相與擺動相，兩者交替進行以維持動態(tài)平衡。四足機器人步態(tài)次序平衡調(diào)整結(jié)構(gòu)如圖4所示。結(jié)合測試設備比較力反饋與姿態(tài)控制，可以預設多個巡航仿真測試環(huán)境，機器人利用內(nèi)置的傳感器實時監(jiān)測自身姿態(tài)，并按照指令執(zhí)行動作與跳躍步態(tài)，快速響應，使重心保持穩(wěn)定。機器人步態(tài)次序平衡處理須結(jié)合脊柱關節(jié)的柔性驅(qū)動進行調(diào)整，這樣可以靈活地適應地面變化，提高跳躍過程中的穩(wěn)定性。

2 方法測試

針對實時的測試環(huán)境并結(jié)合四足機器人的運行特征與需求搭建脊柱關節(jié)驅(qū)動四足機器人跳躍步態(tài)控制方法的測試環(huán)境。為保證最終測試結(jié)果的真實性與可靠性，選擇多個核電站作為測試背景，將交叉耦合四足機器人步態(tài)控制方法、Trot四足機器人行走姿態(tài)控制策略以及本文方法進行對比。整合往期數(shù)據(jù)，將其存儲在測試的輔助平臺中，根據(jù)過程中實際的控制要求對基礎測試環(huán)境進行細化處理，便于后續(xù)進行分析。

2.1 測試基礎準備

搭建核電站含脊柱關節(jié)驅(qū)動四足機器人的跳躍步態(tài)控制方法的測試環(huán)境。隨機選定3組四足機器人作為測試目標，在內(nèi)部設定監(jiān)測節(jié)點，便于實時控制、調(diào)整。設置四足機器人測試控制參數(shù)，見表1。預設跳躍步態(tài)測試的周期為5 h，加速后，運動逐漸趨于平穩(wěn)。預設俯仰角的限制標準，便于穩(wěn)定控制跳躍運動。

2.2 仿真測試過程與結(jié)果

在上文搭建的測試環(huán)境中，結(jié)合核電站的應用需求對脊柱關節(jié)驅(qū)動四足機器人的跳躍步態(tài)控制方法進行測試。預設2組測試指令，分別為單騰空態(tài)跳躍和雙騰空態(tài)跳躍，在接受指令后，四足機器人按照要求做出對應的步態(tài)動作。在這個過程中利用設計的模型針對步態(tài)實況調(diào)整角度，進行移位，記錄各個周期的變化數(shù)據(jù)與信息。針對以上測試結(jié)果分析四足機器人各關節(jié)角速度變化，如圖5所示。

對四足機器人各關節(jié)角速度變化進行分析，由圖5可知，機器人各關節(jié)角速度波動不大，比較平穩(wěn)，說明步態(tài)控制比較穩(wěn)定。此時，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)計算最終的控制移位差，如公式（6）所示。

Z=ε-ξ " " " " " "（6）

式中：Z為控制移位差；ε為預估移位值；ξ為實際移位值。測試結(jié)果見表2，由表2可知，在單騰空態(tài)跳躍、雙騰空態(tài)跳躍2種狀態(tài)下，與交叉耦合四足機器人步態(tài)控制方法、Trot四足機器人行走姿態(tài)控制策略相比，使用本文方法最終得到的移位差較小，說明本文方法針對性較強，控制效果更好，應用價值更高。

3 結(jié)語

本文對核電站含脊柱關節(jié)驅(qū)動四足機器人的跳躍步態(tài)控制方法進行研究。在真實的測試環(huán)境中，與傳統(tǒng)四足機器人控制技術相比，本文設計的步態(tài)控制方法在特殊作業(yè)環(huán)境中的整體適應性明顯提升。優(yōu)化脊柱關節(jié)與四肢的協(xié)同控制機制，結(jié)合智能感知與決策處理技術，不斷提高機器人在復雜地形中的跳躍穩(wěn)定性與效率，提升機器人自主導航、環(huán)境感知與任務執(zhí)行能力，保障核電站安全運行。

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