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基于逆运动学和足端轨迹优化的水下六足机器人控制系统设计

路纲泰 杨柯 陈徽

路纲泰, 杨柯, 陈徽. 基于逆运动学和足端轨迹优化的水下六足机器人控制系统设计[J]. 水下无人系统学报, xxxx, x(x): x-xx doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0087
引用本文: 路纲泰, 杨柯, 陈徽. 基于逆运动学和足端轨迹优化的水下六足机器人控制系统设计[J]. 水下无人系统学报, xxxx, x(x): x-xx doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0087
LU Gangtai, YANG Ke, CHEN Hui. Design of Control System for Underwater Hexapod Robot Based on Inverse kinematics and Foot Trajectory Optimization[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0087
Citation: LU Gangtai, YANG Ke, CHEN Hui. Design of Control System for Underwater Hexapod Robot Based on Inverse kinematics and Foot Trajectory Optimization[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0087

基于逆运动学和足端轨迹优化的水下六足机器人控制系统设计

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0087
详细信息
    作者简介:

    路纲泰(1999-), 男, 在读硕士, 研究方向为水下机器人

  • 中图分类号: U674.94; TJ630.33;

Design of Control System for Underwater Hexapod Robot Based on Inverse kinematics and Foot Trajectory Optimization

  • 摘要: 水下六足机器人具有强带负载能力、地形适应能力, 非常适合在复杂多变的海底环境进行近地观测和采样。控制系统是实现水下六足机器人稳定行走的关键技术。文中提出了基于逆运动学和足端轨迹优化的水下六足机器人控制系统设计方法。建立D-H坐标系, 推导出足端轨迹与关节角之间的解析关系(正运动学); 通过多项式优化的方式规划出平滑的足端轨迹, 进而求解出对应的关节角(逆运动学); 以PC104为主控单元, 在ROS2环境中进行足端轨迹优化和逆运动学求解, 通过EtherCAT技术实现关节电机的同步跟踪, 设计出适用于水下六足机器人的控制系统。在水池中对水下六足机器人的典型运动方式(直行和转动)进行了验证。实验结果表明, 文中设计的控制系统可以实现水下六足机器人的稳定行走。

     

  • 图  1  水下六足机器人

    Figure  1.  The underwater hexapod robot

    图  2  水下六足机器人D-H坐标系

    Figure  2.  D-H coordinate system of the underwater hexapod robot

    图  3  矩形轨迹曲线

    Figure  3.  Curves of rectangular trajectory

    图  4  总体框图

    Figure  4.  Overall block diagram

    图  5  电机控制节点定时通信流程图

    Figure  5.  Flow chart of the timing communication of the motor control node

    图  6  机器人控制节点接口函数

    Figure  6.  The interface function of robot control node

    图  7  运动状态切换

    Figure  7.  Motion state switching

    图  8  水下六足机器人直行运动实验

    Figure  8.  Straight motion test of underwater hexapod robot

    图  9  水下六足机器人直行轨迹

    Figure  9.  Straight trajectory of underwater hexapod robot

    图  10  直行实验中2号腿关节角跟踪曲线

    Figure  10.  The joint angle tracking curves of leg 2 in straight experiment

    图  11  直行实验中5号腿关节角跟踪曲线

    Figure  11.  The joint angle tracking curves of leg 5 in straight experiment

    图  12  直行实验中2号腿关节扭矩曲线

    Figure  12.  Torque curves of leg 2 in straight experiment

    图  13  直行实验中5号腿关节扭矩曲线

    Figure  13.  Torque curves of leg 5 in straight experiment

    图  14  艏向角曲线

    Figure  14.  Heading angle curve

    图  15  转动实验中2号腿关节角跟踪曲线

    Figure  15.  The joint angle tracking curves of leg 2 in turning experiment

    图  16  转动实验中5号腿关节角跟踪曲线

    Figure  16.  The joint angle tracking curve of leg 5 in turning experiment

    图  17  转动实验中2号腿关节扭矩曲线

    Figure  17.  Torque curve of leg 2 in turning experiment

    图  18  转动实验中5号腿关节扭矩曲线

    Figure  18.  Torque curve of leg 5 in turning experiment

    表  1  机械腿D-H参数表

    Table  1.   D-H parameters of mechanical leg

    i ${a_{j\left( {i - 1} \right)}}/{\text{m}}$ ${\alpha _{j\left( {i - 1} \right)}}/( \circ )$ ${d_{ji}}/{\text{m}}$ ${\theta _{ji}}/( \circ )$
    0 ${l_{j{\text{0}}}}$ 0 0 ${\theta _{j{\text{0}}}}$
    1 0 0 0 ${\theta _{j1}}$
    2 ${l_{j1}}$ $90$ 0 ${\theta _{j2}}$
    3 ${l_{j2}}$ 0 0 ${\theta _{j3}}$
    4 ${l_{j3}}$ 0 0 0
    下载: 导出CSV

    表  2  机器人控制节点包含的相关变量

    Table  2.   Related variables contained in robot control node

    变量名 含义
    origin_thigh_trans[6,4] $\left\{ {{O_B}} \right\}$到$\left\{ {{O_{j0}}} \right\}$坐标和偏转角度
    joint_length[3] $ {l}_{j1}、{l}_{j2}、{l}_{j3} $
    theta_stand[6,3] 初始关节角度
    theta_now[6,3] 实际关节角度
    theta_target[6,3] 期望关节角度
    ground_base_coord[3] ${}^G{f_B}$
    foot_coordinate_base[6,3] 当前${}^B{f_{j4}}$
    foot_coordinate_base_target[6,3] 期望${}^B{f_{j4}}$
    speed_target[3] 期望机器人移动速度
    step_size[3] 机器最大横纵步幅和
    零半径旋转幅度
    centroid_h 机器人足端离底最大高度
    gait_mode 步态模式
    robot_mode 工作模式
    下载: 导出CSV

    表  3  机器人控制节点包含的相关函数

    Table  3.   Related functions contained in robot control node

    变量名 含义
    Init() 变量初始化
    T_joint_state_init() 正运动学计算
    Inverse_Kinematics() 逆运动学计算
    Point_to_point_arc() 空间点到点轨迹生成
    Foot_track_ground() 摆动腿足端轨迹生成
    Stand_init() 站立初始化
    Walk_init() 移动速度加速行走
    Walk() 移动速度匀速行走
    Walk_end() 移动速度减速行走
    Period_cal() 状态转换周期计算
    Walking_pattern_3() 三角步态工作模式
    Walking_pattern_5() 五足步态工作模式
    Robot_walk_mode_swap() 移动控制指令是否改变
    Robot_interface() 类接口函数
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-05-23
  • 修回日期:  2024-06-25
  • 录用日期:  2024-07-03
  • 网络出版日期:  2024-09-13

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