核電站含脊柱關節驅動四足機器人跳躍步態控制方法

摘 要：傳統的四足機器人跳躍步態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驅動四足機器人跳躍步態控制方法。根據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控制，構建脊柱關節驅動四足機器人跳躍步態控制模型，采用步態次序平衡調整的方式來進行控制。測試結果表明，在單騰空態跳躍、雙騰空態跳躍2種狀態下，與交叉耦合四足機器人步態控制方法、Trot四足機器人行走姿態控制策略相比，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

核電站的作業環境比較復雜，使用傳統的自動化與遠程操控手段通常會面對許多挑戰，例如輻射區域的風險性高、狹窄空間內的靈活作業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驅動的四足機器人。模擬生物四肢與脊柱的協同運動機制，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行為，極大程度地提高機器人的靈活性和動態平衡能力。但是當環境切換時，機器人的步態控制存在一定的問題，例如無法精準著陸固定區域、接近目標但是出現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控制方法利用足間動力學耦合效應，調整步伐節奏與著地位置，精確計算并協調各足間的運動相位與力度，使步態轉換平穩、流暢，提升能量利用效率[1]。Trot四足機器人行走姿態控制策略利用四足機器人側擺肩關節的電機對步態進行精細調整，模擬自然界中動物的奔跑姿態，優化關節角度與運動軌跡，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，在復雜環境中不能迅速撤離目標區域。因此本文設計核電站含脊柱關節驅動四足機器人跳躍步態控制方法。分析脊柱關節與四肢的協調運動規律，結合控制算法與傳感器技術使機器人在復雜地形中能夠穩定跳躍與精準定位，擴大控制范圍，提高控制效果，步態控制更靈活、多變，為核電站自動化與智能化發展貢獻力量。

1 建立含脊柱關節驅動四足機器人跳躍步態控制方法

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，可以有效規劃并控制脊柱關節以及四肢的協調運動。控制坐標系以全局坐標為主[3]，將機器人身體的中心點或某一個固定點作為核心點，根據該點位定義各關節的局部坐標。控制坐標系結構如圖1所示。設計該結構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來描述其驅動方式，并根據建立的坐標系計算機器人步態的初始控制范圍[4]，如公式（1）所示。

P=γ2-（m+n） " " " " " "（1）

式中：P為初始控制范圍；γ為自適應覆蓋區域；m為移動的角度；n為位移參數。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。結合機器人跳躍步態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據和信息，待后續使用[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，保證后續步態控制的靈活度和穩定性[6]。

1.2 機器人跳躍步態控制多階段設計

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，根據巡航需求設計機器人跳躍步態控制階段[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不同的變化，身體的勢能會轉換為腿部的勢能[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為節點控制距離；i為控制節點；x為重疊區域；v為蹬地次數。結合計算得到的最大蹬地速度進一步調整機器人髖關節的腳尖指向，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后撤的階段，為保證足端軌跡平滑、連續，進行階段性控制處理。根據速度變化調整對應的控制標準，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。

根據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劃處理，形成完整、細化的控制標準。

1.3 構建脊柱關節驅動四足機器人跳躍步態控制模型

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

Jspine=Ispineθ+sθ2 " " " " （4）

式中：Jspine為脊柱關節的驅動力矩；Ispine為脊柱的轉動慣量；θ為脊柱關節的角加速度。根據上述計算調整四足機器人的運行狀態，在保持平衡后，基于驅動條件的變化設計模型結構，如圖3所示。

設計驅動四足機器人跳躍步態控制模型結構并進行分析。根據上述模擬，分別調整脊柱彎曲角度和四肢推力組合測試，使步態跳躍效果達到最佳，模型的步態控制最優解計過程如公式（5）所示。

E=ι-∫BX+Q " " " " （5）

式中：E為步態控制最優解；ι為步態控制范圍；B為跳躍次數；X為四肢推力強度；Q為外部推力。分析得到的結果，實時調整脊柱關節和四肢的控制參數，保證機器人在復雜多變的核電站環境中能夠穩定、可靠地執行跳躍步態。

1.4 步態次序平衡調整控制處理

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

2 方法測試

針對實時的測試環境并結合四足機器人的運行特征與需求搭建脊柱關節驅動四足機器人跳躍步態控制方法的測試環境。為保證最終測試結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控制方法、Trot四足機器人行走姿態控制策略以及本文方法進行對比。整合往期數據，將其存儲在測試的輔助平臺中，根據過程中實際的控制要求對基礎測試環境進行細化處理，便于后續進行分析。

2.1 測試基礎準備

搭建核電站含脊柱關節驅動四足機器人的跳躍步態控制方法的測試環境。隨機選定3組四足機器人作為測試目標，在內部設定監測節點，便于實時控制、調整。設置四足機器人測試控制參數，見表1。預設跳躍步態測試的周期為5 h，加速后，運動逐漸趨于平穩。預設俯仰角的限制標準，便于穩定控制跳躍運動。

2.2 仿真測試過程與結果

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

對四足機器人各關節角速度變化進行分析，由圖5可知，機器人各關節角速度波動不大，比較平穩，說明步態控制比較穩定。此時，根據采集的數據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。測試結果見表2，由表2可知，在單騰空態跳躍、雙騰空態跳躍2種狀態下，與交叉耦合四足機器人步態控制方法、Trot四足機器人行走姿態控制策略相比，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 結語

本文對核電站含脊柱關節驅動四足機器人的跳躍步態控制方法進行研究。在真實的測試環境中，與傳統四足機器人控制技術相比，本文設計的步態控制方法在特殊作業環境中的整體適應性明顯提升。優化脊柱關節與四肢的協同控制機制，結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定性與效率，提升機器人自主導航、環境感知與任務執行能力，保障核電站安全運行。

參考文獻

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