Please wait a minute...
工程设计学报
工程设计学报  2024, Vol. 31 Issue (5): 585-591    DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2024.04.129
优化设计     
基于概率-区间混合模型的六足机器人运动稳定性优化设计方法
刘鑫(),李飞虎
长沙理工大学 汽车与机械工程学院，湖南 长沙 410114
Optimization design method for kinematic stability of hexapod robot based on probability-interval hybrid model
Xin LIU(),Feihu LI
College of Automotive and Mechanical Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410114, China
 全文: PDF(2009 KB)   HTML
摘要：

针对中枢模式发生器（central pattern generator，CPG）模型的不确定性参数对六足机器人运动稳定性的影响，提出了一种基于概率-区间混合模型的六足机器人运动稳定性优化设计方法。首先，建立了六足机器人数值模型，并基于Matsuoka 和 Kimura模型建立了六足机器人CPG模型；其次，通过概率-区间混合模型来描述CPG模型的不确定性变量，并建立了六足机器人运动稳定性优化数学模型；再次，采用Karush-Kuhn-Tucker（KKT）最优化条件和基于最大熵原理的二次四阶矩方法对六足机器人运动稳定性优化设计问题进行解耦，将三层嵌套优化设计问题转化为单层优化设计问题，实现对优化问题的高效求解；最后，基于径向基函数建立六足机器人运动稳定性优化近似模型，并利用遗传算法求解最优设计解。结果表明，采用所提出的方法能够高效求解CPG模型的最优参数，提高了六足机器人的运动稳定性。因此，该方法在机器人运动控制领域具有较高的应用价值。
关键词： 六足机器人;  运动稳定性;  概率模型;  区间模型;  解耦策略    
Abstract:

Considering the influence of the uncertain parameters of central pattern generator (CPG) model on the kinematic stability of hexapod robot, an optimization design method for the kinematic stability of hexapod robot based on a probability-interval hybrid model was proposed. Firstly, the numerical model of the hexapod robot was established, and the CPG model of the hexapod robot was established based on the Matsuoka and Kimura models. Secondly, the uncertainty variables of the CPG model were described by the probability-interval hybrid model, and the kinematic stability optimization mathematical model of the hexapod robot was also constructed. Then, Karush-Kuhn-Tucker (KKT) optimization condition and the second order fourth moment method based on the maximum entropy principle were used to decouple the kinematic stability optimization design problem of the hexapod robot, and the three-level nested optimization design problem was transformed into a single-level optimization design problem, which realized the efficient solution of the optimization problem. Finally, the kinematic stability approximate model of hexapod robot was established based on radial basis function, and the optimal design solution was obtained by genetic algorithm. The results showed that the proposed method could effectively solve the optimal parameters of the CPG model and improve the kinematic stability of the hexapod robot. Therefore, this method has high application value in the field of robot motion control.
Key words: hexapod robot    kinematic stability    probability model    interval model    decoupling strategy
收稿日期: 2024-03-29 出版日期: 2024-10-30
CLC:  TP 242  
基金资助: 国家自然科学基金资助项目(52275235);湖南省杰出青年科学基金资助项目(2021JJ10040);湖南省研究生科研创新项目(CX20220900)
作者简介: 刘　鑫（1981—），男，教授，博士，从事机械结构可靠性优化设计研究，E-mail: lxym810205@163.com, http://orcid.org/0000-0003-4766-3517
服务　　
把本文推荐给朋友
加入引用管理器
E-mail Alert
RSS
作者相关文章　　
刘鑫
李飞虎

引用本文:

刘鑫,李飞虎. 基于概率-区间混合模型的六足机器人运动稳定性优化设计方法[J]. 工程设计学报, 2024, 31(5): 585-591.

Xin LIU,Feihu LI. Optimization design method for kinematic stability of hexapod robot based on probability-interval hybrid model[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2024, 31(5): 585-591.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2024.04.129    或    https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2024/V31/I5/585

图1  六足机器人结构模型
结构尺寸数值
机身尺寸/ mm×mm×mm11 003×7 724×328
L1/ mm30
L2/ mm291
L3/ mm222
L4/ mm167.5
表1  六足机器人结构尺寸
图2  六足机器人运动稳定性优化设计方法
图3  六足机器人节律周期信号
图4  六足机器人质心位移变化曲线
13 CAO H， NIU S J， WANG Y， et al. Structural design and simulation of assistant leg based on ADAMS［J］. Chinese Journal of Engineering Design， 2009， 16（5）： 340-343.
14 王丹， 赵强， 尹伟萌. 仿生可重构式机器人移动平台机构及动态特性分析［J］. 机械设计， 2018， 35（11）： 61-67.
WANG D， ZHAO Q， YIN W M. Mechanism and dynamic analysis on mobile platform of bionic reconfigurable robot［J］. Journal of Machine Design， 2018， 35（11）： 61-67.
15 李满宏， 张明路， 张建华， 等. 六足机器人关键技术综述［J］. 机械设计， 2015， 32（10）： 1-8.
LI M H， ZHANG M L， ZHANG J H， et al. Review on key technology of the hexapod robot［J］. Journal of Machine Design， 2015， 32（10）： 1-8.
16 戚景观， 齐向东， 王兴. CMAC在三关节机械臂逆运动学求解中的应用研究［J］. 工程设计学报， 2012， 19（3）： 203-207.
QI J G， QI X D， WANG X. The application research of CMAC in the inverse kinematics solution of three joint mechanical arms［J］. Chinese Journal of Engineering Design， 2012， 19（3）： 203-207.
17 郑浩峻， 张秀丽， 关旭， 等. 基于生物中枢模式发生器原理的四足机器人［J］. 清华大学学报（自然科学版）， 2004， 44（2）： 166-169.
ZHENG H J， ZHANG X L， GUAN X， et al. Quadruped robot based on biological central pattern generator［J］. Journal of Tsinghua University （Science and Technology）， 2004， 44（2）： 166-169.
18 李天睿. 基于概率-区间混合模型的多目标可靠性优化设计方法研究［D］. 长沙： 长沙理工大学， 2022.
LI T R. Research on multi-objective reliability optimization design method based on probability-interval mixed model［D］. Changsha： Changsha University of Science & Technology， 2022.
19 LIU X， WANG X Y， SUN L， et al. An efficient multi-objective optimization method for uncertain structures based on ellipsoidal convex model［J］. Structural and Multidisciplinary Optimization， 2019， 59（6）： 2189-2203.
1 张小俊， 吴亚淇， 刘昊学， 等. 轮足式磁吸附越障爬壁机器人设计与分析［J］. 机械工程学报， 2024， 60（1）： 248-261. doi：10.3901/jme.2024.01.248
ZHANG X J， WU Y Q， LIU H X， et al. Design and analy-sis of wheel-footed magnetic adsorption wall-climbing robot with passing obstacles capability［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2024， 60（1）： 248-261.
doi: 10.3901/jme.2024.01.248
20 张远洋. 基于概率-区间混合模型的可靠性优化设计方法［D］. 长沙： 长沙理工大学， 2020.
ZHANG Y Y. Reliability optimization design method based on probability-interval mixed model［D］. Changsha： Changsha University of Science & Technology， 2020.
21 XU J， DANG C， KONG F. Efficient reliability analysis of structures with the rotational quasi-symmetric point- and the maximum entropy methods［J］. Mechanical Systems and Signal Processing， 2017， 95： 58-76.
22 郑鹏， 刘健， 宋维， 等. 拉丁超立方抽样评估方法改进研究［J］. 核电子学与探测技术， 2017， 37（7）： 734-738.
ZHENG P， LIU J， SONG W， et al. Preliminary study on improved Latin hypercube sampling［J］. Nuclear Electronics & Detection Technology， 2017， 37（7）： 734-738.
23 LIU X， LIU X， ZHOU Z H， et al. An efficient multi-objective optimization method based on the adaptive approximation model of the radial basis function［J］. Structural and Multidisciplinary Optimization， 2021， 63（3）： 1385-1403.
2 惠记庄， 魏芳胜， 高凯， 等. 基于ADAMS的冗余驱动并联机器人动力学仿真研究［J］. 工程设计学报， 2012， 19（5）： 362-365.
HUI J Z， WEI F S， GAO K， et al. Study on dynamics simulation of redundantly actuated parallel robot based on ADAMS［J］. Chinese Journal of Engineering Design， 2012， 19（5）： 362-365.
3 丁杨， 张明路， 焦鑫， 等. 关节电机驱动六足机器人仿生结构设计与柔顺运动控制［J］. 工程设计学报， 2023， 30（2）： 154-163.
DING Y， ZHANG M L， JIAO X， et al. Biomimetic structure design and compliant motion control for hexapod robot driven by joint motors［J］. Chinese Journal of Engineering Design， 2023， 30（2）： 154-163.
4 WEI S X， WU H B， LIU L， et al. A CPG-based gait planning and motion performance analysis for quadruped robot［J］. Industrial Robot—The International Journal of Robotics Research and Application， 2022， 49（4）： 779-797.
5 ZHANG W， GONG Q S， YANG H Y， et al. CPG modulates the omnidirectional motion of a hexapod robot in unstructured terrain［J］. Journal of Bionic Engineering， 2023， 20（2）： 558-567.
6 王健美， 付成龙， 黄元林， 等. 基于CPG的仿人机器人运动控制方法及研究进展［J］. 机械设计与制造， 2009（9）： 1-3.
WANG J M， FU C L， HUANG Y L， et al. CPG-Based locomotion control on biped robot and its development［J］. Machinery Design & Manufacture， 2009（9）： 1-3.
7 ZHANG Y N， CUI R X， LI H Q， et al. CPG-fuzzy heading control for a hexapod robot with arc-shaped blade legs［J］. Journal of Intelligent & Robotic Systems， 2024， 110（1）： 12.
8 张春燕， 丁兵， 何志强， 等. 转盘式多足仿生机器人的运动学分析及优化［J］. 工程设计学报， 2022， 29（3）： 327-338.
ZHANG C Y， DING B， HE Z Q， et al. Kinematics analysis and optimization of rotary multi-legged bionic robot［J］. Chinese Journal of Engineering Design， 2022， 29（3）： 327-338.
9 刘鑫， 何泽波， 周振华， 等. 基于概率-概率盒混合模型的气囊座椅防护特性可靠性分析方法［J］. 机械工程学报， 2022， 58（24）： 324-333. doi：10.3901/jme.2022.24.324
LIU X， HE Z B， ZHOU Z H， et al. Hybrid reliability approach for airbag seat protection performance based on probability and probability box models［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2022， 58（24）： 324-333.
doi: 10.3901/jme.2022.24.324
10 刘鑫， 陈德， 周振华， 等. 基于概率-区间混合模型的汽车乘员约束系统可靠性优化设计［J］. 振动与冲击， 2021， 40（20）： 240-246.
LIU X， CHEN D， ZHOU Z H， et al. Reliability-based design optimization for an occupant restraint system based on a probability and interval hybrid model［J］. Journal of Vibration and Shock， 2021， 40（20）： 240-246.
11 ZAEIMI M， GHODDOSIAN A. System RBDO of truss structures considering interval distribution parameters［J］. Structural Engineering and Mechanics， 2019， 70（1）： 81-96.
12 JIANG C， LU G Y， HAN X， et al. A new reliability analysis method for uncertain structures with random and interval variables［J］. International Journal of Mechanics and Materials in Design， 2012， 8（2）： 169-182.
[1] 丁杨,张明路,焦鑫,李满宏. 关节电机驱动六足机器人仿生结构设计与柔顺运动控制[J]. 工程设计学报, 2023, 30(2): 154-163.