本发明涉及单腿机器人技术领域，更具体地，涉及一种单腿机器人恒力补偿能量方法。
背景技术：
在单腿机器人的能量研究中，以往的研究工作大多忽略了阻尼的作用。然而，在单腿机器人的实际系统中，会产生多种能量的消耗方式，如驱动阻尼、关节摩擦阻尼、机器人足部与地面碰撞等。为了能够准确地补偿单腿机器人的系统能量，在研究中将不能忽略机器人系统中存在的机器人与地面碰撞而损失能量的问题。一些学者在研究时也考虑了单腿机器人能量补偿的方法，但常用的方法是在系统中加入一定的能量，但该种方法仅能够满足单腿机器人在平坦地面上稳定运动的情形，但是并不能够满足单腿机器人在没有固定约束且处于动态运动过程中的情形。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服目前没有应用于单腿机器人在地形不平稳的条件下运动时的能量补偿方法的不足，提供一种单腿机器人恒力补偿能量方法，能够便于开展有关单腿机器人恒力补偿的实验，提高单腿机器人稳定运动的目的。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
提供一种单腿机器人恒力补偿能量方法，包括以下步骤：
s1.建立单腿机器人模型；
s2.在步骤s1之后，根据所述单腿机器人模型的运动行为，建立质量弹性倒立模型；
s3.在步骤s2之后，通过模拟所述单腿机器人模型的运动状态，将所述质量弹性倒立模型的运动状态分为腾空阶段与着地阶段；
s4.在步骤s3之后，使所述质量弹性倒立模型以自由落体的方式朝向地面落下，所述质量弹性倒立模型从腾空阶段运动至着地阶段；
s5.在步骤s4之后，在进入着地阶段的瞬间对所述质量弹性倒立模型施加恒力；
s6.在步骤s5之后，分析所述质量弹性倒立模型在运动期间的能量转化以及能量损失。
本发明为一种单腿机器人恒力补偿能量方法，通过单腿机器人的腿足式生物结构形态组成，建立单腿机器人模型，将单腿机器人简化；再根据单腿机器人模型的运动行为来建立质量弹性倒立模型，将单腿机器人进一步简化，能够便于研究其运动过程中的能量变化。
优选地，在步骤s1中，所述单腿机器人模型包括躯干、腿部、足部，所述腿部的一端与躯干转动连接，另一端通过弹性件与足部连接。
优选地，所述弹性件为弹簧阻尼器。
优选地，所述腿部与躯干通过转动关节连接。
优选地，在步骤s2中，所述质量弹性倒立模型包括第一质量块和第二质量块，所述第一质量块与第二质量块弹性连接。
优选地，所述第一质量块与第二质量块通过弹簧连接。
优选地，在步骤s5中，施加的恒力的方向与所述质量弹性倒立模型自由落体的方向一致。
优选地，在步骤s6中，具有如下动力学表达式：
式中，l0表示弹簧的原长，m1表示第一质量块的质量，m2表示第二质量块的质量，a1表示第一质量块的质心距地面的距离，a2表示第一质量块的质心与第二质量块的质心之间的距离，
优选地，在步骤s6中，通过如下公式计算所述质量弹性倒立模型的能量：
式中，pi表示能量传递比，p表示所述质量弹性倒立模型在整个运动过程中的总能量，mg表示所述质量弹性倒立模型的总重力，v表示所述质量弹性倒立模型在整个运动过程中的平均速度。
优选地，所述质量弹性倒立模型的总能量的计算公式为：
p＝ek ep-ei；
式中，ek表示所述质量弹性倒立模型在整个运动过程中的总动能，ep表示所述质量弹性倒立模型在整个运动过程中的总弹性势能，ei表示所述质量弹性倒立模型在运动过程中第i次触地时损失的动能。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明为一种单腿机器人恒力补偿能量方法，通过单腿机器人的腿足式生物结构形态组成，建立单腿机器人模型，将单腿机器人简化；再根据单腿机器人模型的运动行为来建立质量弹性倒立模型，将单腿机器人进一步简化，能够便于研究其运动过程中的能量变化。
附图说明
图1为本发明一种单腿机器人恒力补偿能量方法的流程图。
图2为本发明单腿机器人模型的结构示意图。
图3为本发明质量弹性倒立模型的结构示意图一。
图4为本发明质量弹性倒立模型的结构示意图二。
图5为本发明质量弹性倒立模型的运动状态阶段示意图。
图6为本发明单腿机器人能量转化形式以及能量传递效率之间的关系图。
图示标记说明如下：
1-单腿机器人模型，11-躯干，12-腿部，13-足部，14-弹性件，15-转动关节，2-质量弹性倒立模型，21-第一质量块，22-第二质量块，23-弹簧。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
实施例1
如图1至图6所示为本发明一种单腿机器人恒力补偿能量方法的第一实施例，包括以下步骤：
s1.建立单腿机器人模型1；
s2.在步骤s1之后，根据单腿机器人模型1的运动行为，建立质量弹性倒立模型2；
s3.在步骤s2之后，通过模拟单腿机器人模型1的运动状态，将质量弹性倒立模型2的运动状态分为腾空阶段与着地阶段；
s4.在步骤s3之后，使质量弹性倒立模型2以自由落体的方式朝向地面落下，质量弹性倒立模型2从腾空阶段运动至着地阶段；
s5.在步骤s4之后，在进入着地阶段的瞬间对质量弹性倒立模型2施加恒力；
s6.在步骤s5之后，分析质量弹性倒立模型2在运动期间的能量转化以及能量损失。
通过单腿机器人的腿足式生物结构形态组成，建立单腿机器人模型，将单腿机器人简化；再根据单腿机器人模型的运动行为来建立质量弹性倒立模型，将单腿机器人进一步简化，能够便于研究其运动过程中的能量变化。
另外，在步骤s1中，单腿机器人模型1包括躯干11、腿部12、足部13，腿部12的一端与躯干11转动连接，另一端通过弹性件14与足部13连接。如图2所示，本实施例中躯干11、腿部12均为圆柱状，足部13为半圆球状。在建立单腿机器人模型1时，可采用solidworks、proe等三维绘图设计软件进行绘制。
其中，弹性件14为弹簧阻尼器；腿部12与躯干11通过转动关节15连接。需要说明的是，腿足式生物结构包括躯体、大腿、小腿、足、髋关节和膝关节，本实施例中根据该形态组成，将单腿机器人模型1的躯干11与躯体对应，腿部12与大腿、小腿对应，足部13与足对应，转动关节15与髋关节对应，弹性件14与膝关节对应。根据单腿机器人的运动行为，能够得到单腿机器人模型1的躯干11随着腿部12的摆动而运动，继而压缩弹性件14，挤压足部13触地而损失能量。
其中，在步骤s2中，质量弹性倒立模型2包括第一质量块21和第二质量块22，第一质量块21与第二质量块22弹性连接。具体地，第一质量块21与第二质量块22通过弹簧23连接。本实施例中第一质量块21与单腿机器人模型1的躯干11相对应，第二质量块22与单腿机器人模型1的腿部12相对应，足部13的质量忽略不计。
其中，在步骤s5中，施加的恒力的方向与质量弹性倒立模型2自由落体的方向一致。如图5所示，恒力f在第一质量块21的顶部施加，在质量弹性倒立模型2进入着地阶段之后，将进入下一个腾空阶段。
实施例2
本实施例与实施例1类似，所不同之处在于，在步骤s6中，具有如下动力学表达式：
式中，l0表示弹簧的原长，m1表示第一质量块21的质量，m2表示第二质量块22的质量，a1表示第一质量块21的质心距地面的距离，a2表示第一质量块21的质心与第二质量块22的质心之间的距离，
其中，在步骤s6中，通过如下公式计算质量弹性倒立模型2的能量：
式中，pi表示能量传递比，p表示质量弹性倒立模型2在整个运动过程中的总能量，mg表示质量弹性倒立模型2的总重力，v表示质量弹性倒立模型2在整个运动过程中的平均速度。
其中，质量弹性倒立模型2的总能量的计算公式为：
p＝ek ep-ei；
式中，ek表示质量弹性倒立模型2在整个运动过程中的总动能，ep表示质量弹性倒立模型2在整个运动过程中的总弹性势能，ei表示质量弹性倒立模型2在运动过程中第i次触地时损失的动能。当质量弹性倒立模型2通过自由落体的方式从距离地面一定高度落下时，第一质量块21在重力的作用下自然下落压缩弹簧23，使弹簧23受到一个向下的压力压缩第二质量块22，将重力势能转化为弹簧23的弹性势能，从而把弹性势能储存在弹簧23中，便于质量弹性倒立模型2迅速切换到腾空阶段。
当质量弹性倒立模型2运动到腾空阶段后，弹簧23由着地阶段的压缩状态转化为伸长状态，弹簧23伸长的过程把弹性势能转化为第一质量块21、第二质量块22的动能，并保持质量弹性倒立模型2有较好的动能再次着地，实现稳定运动，提高着地-腾空阶段切换的效率，使其机动性能更高。
在实际中，如图6所示，对于单腿机器人来说，单腿机器人先由电源提供电能给驱动器，驱动器把电能转化为扭矩传递给机械部件，并驱动单腿机器人做一定的运动；驱动器输出的力矩压缩弹簧，使得弹簧储能，并在不施加力的情况下释放能量，从而使其能够循环往复地运动。且单腿机器人还包括其电动势能，即单腿机器人的总能量计算公式为：
ps＝eks eps ems-eis；
式中，ps表示单腿机器人在实际运动中的总能量，eks表示单腿机器人在整个运动过程中的总动能，eps表示单腿机器人的弹簧在整个运动过程中的总弹性势能，ems表示单腿机器人在整个运动过程中的总电动势能，eis表示单腿机器人在运动过程中第i次触地时损失的动能。则有，先将单腿机器人放置在距地面一定高度，使其处于悬空状态，即腾空阶段，然后启动单腿机器人的电源，使其从腾空阶段运动到着地阶段，弹簧被压缩，由势能转化为动能，单腿机器人运动在触地瞬间其足部与地面发生碰撞，此时地面会给机器人一个反作用力，使单腿机器人损失动能，而不能再次恢复到原来的运动所需的势能。因此为了补偿损失的动能，在单腿机器人着地阶段的瞬间，由单腿机器人的控制系统向单腿机器人的髋关节处的电机发送恒力补偿控制的指令，以补偿单腿机器人触地时损失的能量，以使单腿机器人具有运动到腾空阶段的动能。
其中，恒力补偿控制的表达式为：
式中，p表示单腿机器人的总能量，ei表示单腿机器人损失的动能，l0表示单腿机器人的弹簧的原长，li表示单腿机器人的弹簧在压缩时的长度。由于对单腿机器人施加了恒力补偿，压缩弹簧会储存一定能量，在弹簧伸长时转化为势能。具有恒力补偿控制的单腿机器人在运动过程中受到地面的反作用力后，电机不断调节使其在更高的功率状态下运行，从而完成更多的化学能到机械能的有效转化，维持具有周期的恒定力作用在单腿机器人上。具有恒力补偿控制的单腿机器人还能改补充碰撞能量损失。还有，具有恒力补偿控制的单腿机器人在着地后，其弹簧可以用来收集在腾空阶段、弹簧伸长时释放的能量，在着地阶段能够储存弹簧受躯干质量压缩时的动能。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
1.一种单腿机器人恒力补偿能量方法，其特征在于，包括以下步骤：
s1.建立单腿机器人模型(1)；
s2.在步骤s1之后，根据所述单腿机器人模型(1)的运动行为，建立质量弹性倒立模型(2)；
s3.在步骤s2之后，通过模拟所述单腿机器人模型(1)的运动状态，将所述质量弹性倒立模型(2)的运动状态分为腾空阶段与着地阶段；
s4.在步骤s3之后，使所述质量弹性倒立模型(2)以自由落体的方式朝向地面落下，所述质量弹性倒立模型(2)从腾空阶段运动至着地阶段；
s5.在步骤s4之后，在进入着地阶段的瞬间对所述质量弹性倒立模型(2)施加恒力；
s6.在步骤s5之后，分析所述质量弹性倒立模型(2)在运动期间的能量转化以及能量损失。
2.根据权利要求1所述的一种单腿机器人恒力补偿能量方法，其特征在于，在步骤s1中，所述单腿机器人模型(1)包括躯干(11)、腿部(12)、足部(13)，所述腿部(12)的一端与躯干(11)转动连接，另一端通过弹性件(14)与足部(13)连接。
3.根据权利要求2所述的一种单腿机器人恒力补偿能量方法，其特征在于，所述弹性件(14)为弹簧阻尼器。
4.根据权利要求2所述的一种单腿机器人恒力补偿能量方法，其特征在于，所述腿部(12)与躯干(11)通过转动关节(15)连接。
5.根据权利要求2所述的一种单腿机器人恒力补偿能量方法，其特征在于，在步骤s2中，所述质量弹性倒立模型(2)包括第一质量块(21)和第二质量块(22)，所述第一质量块(21)与第二质量块(22)弹性连接。
6.根据权利要求5所述的一种单腿机器人恒力补偿能量方法，其特征在于，所述第一质量块(21)与第二质量块(22)通过弹簧(23)连接。
7.根据权利要求5所述的一种单腿机器人恒力补偿能量方法，其特征在于，在步骤s5中，施加的恒力的方向与所述质量弹性倒立模型(2)自由落体的方向一致。
8.根据权利要求7所述的一种单腿机器人恒力补偿能量方法，其特征在于，在步骤s6中，具有如下动力学表达式：
式中，l0表示弹簧的原长，m1表示第一质量块(21)的质量，m2表示第二质量块(22)的质量，a1表示第一质量块(21)的质心距地面的距离，a2表示第一质量块(21)的质心与第二质量块(22)的质心之间的距离，
9.根据权利要求8所述的一种单腿机器人恒力补偿能量方法，其特征在于，在步骤s6中，通过如下公式计算所述质量弹性倒立模型(2)的能量：
式中，pi表示能量传递比，p表示所述质量弹性倒立模型(2)在整个运动过程中的总能量，mg表示所述质量弹性倒立模型(2)的总重力，v表示所述质量弹性倒立模型(2)在整个运动过程中的平均速度。
10.根据权利要求9所述的一种单腿机器人恒力补偿能量方法，其特征在于，所述质量弹性倒立模型(2)的总能量的计算公式为：
p＝ek ep-ei；
式中，ek表示所述质量弹性倒立模型(2)在整个运动过程中的总动能，ep表示所述质量弹性倒立模型(2)在整个运动过程中的总弹性势能，ei表示所述质量弹性倒立模型(2)在运动过程中第i次触地时损失的动能。
技术总结