CN112297009A - 一种机器人三自由度腿部的阻抗新构型生成方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于液压驱动型足式机器人三自由度腿部的阻抗新构型生成方法及***。该生成方法和***，根据获取的数学模型分别确定各关节液压驱动单元中位置控制内环输入信号的变化量和力控制内环输入信号的变化量，选取腿部液压驱动***髋关节液压驱动单元采用位置控制、膝关节液压驱动单元采用力控制，踝关节液压驱动单元采用力控制这种阻抗新构型控制模式，通过采用腿部数学模型正解得到腿部足端的实际位置和力的变化量，完成对待控制机器人足端在运动空间内的运动控制，发挥阻抗新构型控制模式在控制精度、响应速度等方面优势。同时，所提出的阻抗新构型控制模式，可有效解决三自由度机器人腿部在进行阻抗控制时存在静力学多解问题。

Description

一种机器人三自由度腿部的阻抗新构型生成方法及***

技术领域

本发明涉及机器人控制领域，特别是涉及一种应用于液压驱动型足式机器人三自由度腿部的阻抗新构型生成方法及***。

背景技术

近些年来，机器人在各行各业中得到了广泛的应用。移动机器人是机器人的重要组成部分，通常根据移动形式分成以下几类：轮式机器人、足式机器人、球形机器人和履带式机器人等。足式仿生机器人相对于其他运动方式的机器人，对未知、非结构环境具有更好的适应能力。尤其与具有高功重比的液压驱动相结合后，其运动性能和负载能力得到了极大的提升，能够更好的完成复杂环境(冰面、雪地、沙地和瓦砾等)下的物资运输、救援、探测和军事辅助等任务，成为各国学者广泛关注的热点。

液压驱动型足式机器人的整机步态控制性能由每条腿的运动控制性能决定，而腿部腾空相的轨迹跟随性能与其着地相的柔顺控制性能共同决定着腿部运动控制性能。阻抗控制是一种既可以使腿部实现轨迹跟随，又可以使其具备柔顺性的有效控制方法，它是以液压控制内环为核心，并加入阻抗控制外环，使***实现位置和力的对应输出关系，常用的液压控制内环有位置和力两种方式，所形成的阻抗控制方法称为基于位置的阻抗控制和基于力的阻抗控制，但由于两种阻抗控制方法在数学模型搭建、核心控制器设计、参数选取和实验***搭建等方面均有明显差异，因此其具有明显不同的动态柔顺性。现如今，两种阻抗控制方法均已广泛应用于各类足式机器人，虽然针对各方法已有较为成熟的优化控制方法，但由于阻抗控制机理的制约，使得它们在控制精度和响应能力的提升空间有限，如何能够进一步提升该类机器人腿部运动控制性能已成为本领域的研究挑战之一。因此，有必要打破常规、摒弃传统观念，在腿部各关节中优选不同的内环核心控制方式，充分发挥二者的优势。

综上所述，在液压驱动型足式机器人腿部柔顺控制领域中，迫切需要针对三自由度腿部设计一种新型的阻抗构型及***。

发明内容

本发明的目的是提供一种机器人三自由度腿部的阻抗新构型生成方法及***，以能够进一步提升机器人腿部运动控制性能。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种机器人三自由度腿部的阻抗新构型生成方法包括：

获取待控制机器人腿部液压驱动***的数学模型，所述数学模型包括：腿部运动学模型、腿部静力学模型、腿部动力学模型、腿部阻抗特性模型、腿部各关节液压驱动单元伸长度与各关节转角间映射关系以及各关节液压驱动单元受力与各关节转角转矩之间映射关系；所述关节包括：髋关节、膝关节和踝关节；

当所述待控制机器人的足端受到干扰力时，根据所述数学模型确定各关节液压驱动单元中位置控制内环输入信号的变化量；

当足端处于外负载位置时，根据所述数学模型确定各关节液压驱动单元力控制内环输入信号的变化量；

通过选取所述髋关节液压驱动单元控制内环为位置控制，膝关节液压驱动单元控制内环为力控制，踝关节液压驱动单元控制内环为力控制的阻抗新构型生成，利用伺服阀得到髋关节、膝关节以及踝关节液压驱动单元的输出位置和输出力；

根据髋关节、膝关节以及踝关节液压驱动单元的输出位置和输出力，采用腿部运动学模型、腿部静力学模型、各关节液压驱动单元伸长度与各关节转角间映射关系，以及各关节液压驱动单元受力与各关节转角转矩之间映射关系正解得到腿部足端的实际位置和力的变化量；

优选的，所述获取待控制机器人腿部液压驱动***数学模型之前还包括：

获取待控制机器人的腿部液压驱动***中各构件的长度、各关节的旋转角度和各关节所受力矩；构件包括：大腿构件、小腿构件和足部构件；

根据所述各构件长度、所述各关节的旋转角度构建所述腿部运动学模型。

根据所述各构件的长度、所述各关节的旋转角度和所述各关节所受力矩构建所述腿部静力学模型。

根据拉格朗日动力学方程构建腿部动力学模型。

优选的，所述当所述待控制机器人足端受到干扰力时，根据所述数学模型确定各关节液压驱动单元中位置控制内环输入信号的变化量，具体包括：

当所述待控制机器人的足端受到干扰力时，各关节液压驱动单元中的力传感器检测出力信号，利用所述腿部动力学模型反解得到各关节液压驱动单元中的力传感器信号中的足端干扰力分量后，采用所述腿部静力学模型，各关节液压驱动单元伸长度与各关节转角间映射关系，各关节液压驱动单元受力与各关节转角转矩之间映射关系正解得到足端受到的干扰力；

采用腿部阻抗特性求解器，获得与所述足端受到的干扰力相对应的足端位置变化量；

根据所述足端位置变化量，采用所述腿部运动学模型，各关节液压驱动单元伸长度与各关节转角间映射关系反解得到各关节液压驱动单元中位置控制内环输入信号的变化量。

优选的，所述当足端处于外负载位置时，根据所述数学模型确定各关节液压驱动单元力控制内环输入信号的变化量，具体包括：

当足端受到外负载位置时，所述各关节液压驱动单元中的位移传感器检测出位置信号后，利用所述腿部运动学模型，各关节液压驱动单元伸长度与各关节转角间映射关系正解得到足端的位置信号；所述足端的位置信号包括：足端输入位置与足端实际位置；

根据所述足端的位置信号得到足端外环期望位置；

通过腿部阻抗特性求解器，将足端外环期望位置转换为对应的足端阻抗期望力信号；将足端阻抗期望力信号通过所述腿部静力学模型，各关节液压驱动单元伸长度与各关节转角间映射关系，各关节液压驱动单元受力与各关节转角转矩之间映射关系进行反解得到各关节液压驱动单元力控制内环输入信号的变化量。

针对于上述提供的控制方法还对应提供了如下对应***：

一种机器人三自由度腿部的阻抗新构型生成***，包括：

第一获取模块，用于获取待控制机器人腿部液压驱动***的数学模型，所述数学模型包括：腿部运动学模型、腿部静力学模型、腿部动力学模型、腿部阻抗特性模型、腿部各关节液压驱动单元伸长度与各关节转角间映射关系以及各关节液压驱动单元受力与各关节转角转矩之间映射关系；所述关节包括：髋关节、膝关节和踝关节；

位置控制信号确定模块，用于当所述待控制机器人的足端受到干扰力时，根据所述数学模型确定各关节液压驱动单元中位置控制内环输入信号的变化量；

力控制信号确定模块，用于当足端处于外负载位置时，根据所述数学模型确定各关节液压驱动单元力控制内环输入信号的变化量；

关节液压驱动单元控制内环选择模块，通过选取所述髋关节液压驱动单元控制内环为位置控制，膝关节液压驱动单元控制内环为力控制，踝关节液压驱动单元控制内环为力控制的阻抗新构型生成，利用伺服阀得到髋关节、膝关节以及踝关节液压驱动单元的输出位置和输出力；

实际位置和力变化量确定模块，用于根据髋关节、膝关节以及踝关节液压驱动单元的输出位置和输出力，采用腿部运动学模型、腿部静力学模型、各关节液压驱动单元伸长度与各关节转角间映射关系，以及各关节液压驱动单元受力与各关节转角转矩之间映射关系正解得到腿部足端的实际位置和力的变化量。

优选的，所述***还包括：

第二获取模块，用于获取待控制机器人的腿部液压驱动***中各构件的长度、各关节的旋转角度和各关节所受力矩；构件包括：大腿构件、小腿构件和足部构件；

腿部运动学模型构建模块，用于根据所述各构件长度、所述各关节旋转角度构建所述腿部运动学模型。

腿部静力学模型构建模块，用于根据所述各构件长度、所述各关节旋转角度和所述各关节所受力矩构建所述腿部静力学模型。

腿部动力学模型构建模块，用于根据拉格朗日动力学方程构建腿部动力学模型。

优选的，所述位置控制信号确定模块具体包括：

干扰力解算单元，用于当所述待控制机器人足端受到干扰力时，各关节液压驱动单元中的力传感器检测出力信号，利用所述腿部动力学模型反解得到各关节液压驱动单元中的力传感器信号中足端干扰力分量后，采用所述腿部静力学模型、各关节液压驱动单元伸长度与各关节转角间映射关系，各关节液压驱动单元受力与各关节转角转矩之间映射关系正解得到足端受到的干扰力；

足端位置变化量确定单元，用于采用腿部阻抗特性求解器，获得与所述足端受到的干扰力相对应的足端位置变化量；

位置控制信号解算单元，用于根据所述足端位置变化量，采用所述腿部运动学模型、各关节液压驱动单元伸长度与各关节转角间映射关系反解得到各关节液压驱动单元中位置控制内环输入信号变化量。

优选的，所述力控制信号确定模块具体包括：

足端位置信号解算单元，用于当足端受到外负载位置时，所述各关节液压驱动单元中的位移传感器检测出位置信号后，利用所述腿部运动学模型、各关节液压驱动单元伸长度与各关节转角间映射关系正解得到足端的位置信号；所述足端的位置信号包括：足端输入位置与足端实际位置；

足端外环期望位置确定单元，用于根据所述足端的位置信号得到足端外环期望位置；

力控制信号确定单元，用于通过腿部阻抗特性求解器，将足端外环期望位置转换为对应的足端阻抗期望力信号；将足端阻抗期望力信号通过所述腿部静力学模型、各关节液压驱动单元伸长度与各关节转角间映射关系，各关节液压驱动单元受力与各关节转角转矩之间映射关系进行反解得到各关节液压驱动单元力控制内环输入信号的变化量。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供的应用于液压驱动型足式机器人三自由度腿部的阻抗新构型生成方法及***，通过对腿部液压驱动***的髋关节液压驱动单元采用位置控制、对膝关节液压驱动单元采用力控制，以及对踝关节液压驱动单元采用力控制的这种阻抗新构型生成模式，来完成待控制机器人足端在运动空间内的运动控制，以克服现有阻抗控制方法在控制机理上的局限性，发挥其在控制精度、响应速度等方面优势。同时，髋关节液压驱动单元采用位置控制、膝关节液压驱动单元采用力控制，以及踝关节液压驱动单元采用力控制的这种阻抗新构型生成模式，可以有效解决三自由度机器人腿部在进行阻抗控制时存在的静力学多解问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明提供的机器人三自由度腿部的阻抗新构型生成方法的流程图；

图2为本发明实施例中足式机器人三自由度腿部液压驱动***模型图；

图3为本发明实施例中腿部运动学正解模型简图；

图4为本发明实施例中腿部运动学反解模型简图；

图5为本发明实施例中关节角度与关节液压驱动单元伸出长度关系图；

图6为本发明实施例中腿部静力学模型简图；

图7为本发明实施例中各关节所受力矩和各关节驱动单元受力关系图；

图8为本发明实施例中腿部动力学模型简图；

图9为本发明实施例中腿部液压驱动***阻抗特性示意图；

图10为本发明实施例中腿部基于位置阻抗控制的实现原理图；

图11为本发明实施例中腿部基于力阻抗控制的实现原理图；

图12为本发明实施例中腿部液压驱动***阻抗构型方案示意图；

图13为本发明实施例中腿部液压驱动***阻抗构型匹配方案原理图；

图14为本发明实施例中腾空相腿部液压驱动***的结构简图；

图15为本发明实施例中着地相腿部液压驱动***的结构简图；

图16为本发明实施例中腿部各关节液压驱动单元的等效质量图；

图17为本发明实施例中基座构件质心位置不变，不同质量时腿部各关节液压驱动单元的等效质量曲线图；

图18为本发明实施例中基座构件质量不变，质心高度不断增加时腿部各关节液压驱动单元的等效质量曲线图；

图19为本发明实施例中装载不同高度均质物体时着地相腿部液压驱动***的结构简图；

图20为本发明实施例中装载重物时，腿部各关节液压驱动单元的等效质量曲线图；

图21为本发明提供的一种机器人三自由度腿部的阻抗新构型生成***的结构示意图。

附图各参数含义如下中：

O——腿部液压驱动***髋关节，E——腿部液压驱动***膝关节，G——腿部液压驱动***踝关节，A——髋关节液压驱动单元与基座连接位置，B——髋关节液压驱动单元与大腿连接位置，C——膝关节液压驱动单元与大腿连接位置，D——膝关节液压驱动单元与小腿连接位置，F——踝关节液压驱动单元与小腿连接位置，H——踝关节液压驱动单元与足部构件连接位置；I——半圆柱形足端的顶点，OE——大腿构件长度，EG——小腿构件长度，GI——足部构件长度，θ₁——髋关节旋转角度：大腿构件与x₀轴正方向所成夹角，θ₂——膝关节旋转角度：小腿构件EG与大腿构件OE延长线所成夹角，θ₃——踝关节旋转角度：小腿构件EG延长线方向与腿部构件GI夹角，α——EG与ED所成夹角，β——OA与x₀轴正方向所成夹角，AB——髋关节液压驱动单元伸出总长度，CD——膝关节液压驱动单元伸出总长度，FH——踝关节液压驱动单元伸出总长度，ΔF_s1——髋关节液压驱动单元力传感器检测信号、ΔF_s2——膝关节液压驱动单元力传感器检测信号，ΔF_s3——踝关节液压驱动单元力传感器检测信号，

——腿部足端x轴方向受力，

——腿部足端y轴方向受力，τ₁——髋关节所受力矩，τ₂——膝关节所受力矩，τ₃——踝关节所受力矩，m₁——大腿构件质量，m₂——小腿构件质量，m₃——足端构件质量，α₁——大腿构件质心和O点连线与OE所成夹角，α₂——小腿构件质心和E点连线与EG所成夹角，α₃——足端构件质心和G点连线与GI所成夹角，M_Dx——x轴方向期望质量，M_Dy——y轴方向期望质量，B_Dx——x轴方向期望阻尼，B_Dy——y轴方向期望阻尼，K_Dx——x轴方向期望刚度，K_Dy——y轴方向期望刚度，

——足端x轴方向阻抗期望位置，

——足端y轴方向阻抗期望位置，

——足端x轴方向输入位置，

——足端y轴方向输入位置，

——x轴方向实际受力，

——y轴方向实际受力，

——逆动力学计算出的足端x轴方向干扰力以外的合力，

——逆动力学计算出的足端y轴方向干扰力以外的合力，Δx_p1——髋关节液压驱动单元伸出长度，Δx_p2——膝关节液压驱动单元伸出长度，Δx_p3——踝关节液压驱动单元伸出长度，m₄——基座构件及基座构件所装配的机械结构总质量，β₁——大腿构件质心和膝关节连线与大腿构件OE夹角，β₂——小腿构件质心和踝关节连线与小腿构件EG夹角，β₃——基座构件质心和髋关节连线与x₀正方向夹角。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种机器人三自由度腿部的阻抗新构型生成方法及***，以能够进一步提升机器人腿部的运动控制性能。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

为了克服现有技术中阻抗控制方法在控制机理上的局限性，发挥控制方法在控制精度、响应速度等方面的优势，最终形成一种腿部阻抗新构型(三自由度腿部液压驱动***的髋关节液压驱动单元采用位置控制、膝关节液压驱动单元采用力控制和踝关节液压驱动单元采用力控制为腿部液压驱动***的阻抗新构型)，该新构型能够兼顾整个运动周期内，腿部液压驱动***在腾空相的轨迹跟随控制性能和着地相的柔顺控制性能，为液压驱动型足式机器人整机的高性能运动控制和腿部结构设计提供重要支持。

基于上述这一新构型，本发明对应提供了一种机器人三自由度腿部的阻抗新构型生成方法，如图1所示，该方法包括：

步骤100：获取待控制机器人的腿部液压驱动***的数学模型。所述数学模型包括：腿部运动学模型、腿部静力学模型、腿部动力学模型、腿部阻抗特性模型、腿部各关节液压驱动单元伸长度与各关节转角间映射关系以及各关节液压驱动单元受力与各关节转角转矩之间映射关系；所述关节包括：髋关节、膝关节和踝关节。

步骤101：当待控制机器人的足端受到干扰力时，根据数学模型确定各关节液压驱动单元中位置控制内环输入信号的变化量。该步骤具体包括：

当待控制机器人足端受到干扰力时，各关节液压驱动单元中的力传感器检测出力信号，利用腿部动力学模型反解得到各关节液压驱动单元中的力传感器信号中足端干扰力分量后，采用腿部静力学模型、各关节液压驱动单元伸长度与各关节转角间映射关系，各关节液压驱动单元受力与各关节转角转矩之间映射关系正解得到足端受到的干扰力。

采用腿部阻抗特性求解器，获得与足端干扰力相对应的足端位置变化量。

根据足端位置变化量，采用腿部运动学模型，各关节液压驱动单元伸长度与各关节转角间映射关系反解得到各关节液压驱动单元中位置控制内环输入信号的变化量。

步骤102：当足端处于外负载位置时，根据数学模型确定各关节液压驱动单元力控制内环输入信号的变化量。该步骤具体包括：

当足端受到外负载位置时，各关节液压驱动单元中的位移传感器检测出位置信号后，利用腿部运动学模型、各关节液压驱动单元伸长度与各关节转角间映射关系正解得到足端的位置信号。足端的位置信号包括：足端输入位置与足端实际位置。

根据足端的位置信号得到足端外环期望位置。

通过腿部阻抗特性求解器，将足端外环期望位置转换为对应足端阻抗期望力信号。将足端阻抗期望力信号通过腿部静力学模型、各关节液压驱动单元伸长度与各关节转角间映射关系，各关节液压驱动单元受力与各关节转角转矩之间映射关系进行反解得到各关节液压驱动单元力控制内环输入信号变化量。

步骤103：通过选取所述髋关节液压驱动单元控制内环为位置控制，膝关节液压驱动单元控制内环为力控制，踝关节液压驱动单元控制内环为力控制的阻抗新构型，利用伺服阀得到髋关节、膝关节以及踝关节液压驱动单元的输出位置和输出力；

步骤104：根据髋关节、膝关节以及踝关节液压驱动单元的输出位置和输出力，采用腿部运动学模型、腿部静力学模型、各关节液压驱动单元伸长度与各关节转角间映射关系，以及各关节液压驱动单元受力与各关节转角转矩之间映射关系正解得到腿部足端的实际位置和力的变化量。

优选的，在步骤100之前还包括：

获取待控制机器人的腿部液压驱动***中各构件的长度、各关节的旋转角度和各关节所受力矩。构件包括：大腿构件、小腿构件和足部构件。

根据构件长度和关节旋转角度构建腿部运动学模型。

根据各构件长度、各关节旋转角度和各关节所受力矩构建静力学模型。

根据拉格朗日动力学方程构建腿部动力学模型。

下面提供一个具体实施案例进一步说明本发明的方案，本发明具体实施案例中以待控制机器人为液压驱动型足式机器人为例进行阐述，在具体应用时，本发明的方案也适用于其他类型的足式机器人。

步骤一：对腿部液压驱动***机械结构进行简化，得到的腿部运动学、静力学模型、动力学模型、各关节液压驱动单元伸出长度与各关节转角之间的映射关系，各关节液压驱动单元受力与各关节转角转矩之间的映射关系。

图2为足式机器人三自由度腿部液压驱动***三维模型，从图2中可以看出，髋关节连接了基座和大腿，通过髋关节液压驱动单元实现髋关节的关节角度控制。膝关节连接了大腿和小腿，通过膝关节液压驱动单元实现膝关节的关节角度控制。其中踝关节连接了小腿和足端构件，通过踝关节液压驱动单元实现踝关节的关节角度控制。通过髋关节、膝关节和踝关节的角度控制，实现腿部足端的位置控制。

各关节液压驱动单元主要由伺服缸、伺服阀、位移传感器和力传感器组成。其中力传感器、位移传感器用于液压驱动单元的力闭环控制和位置闭环控制。

腿部液压驱动***机械结构复杂，为了运动学分析方便，将图2所示足式机器人腿部液压驱动***模型简化至图3，图3为腿部运动学正解模型简图。

根据图3可得机械结构的D-H参数如表1所示。

表1腿部液压驱动***机械结构D-H参数表

表1中，a_i-1表示为z_i-1到z_i沿x_i-1测量的距离。α_i-1表示为z_i-1到z_i绕x_i-1旋转的角度。d_i表示为x_i-1到x_i沿z_i测量的距离。θ_i表示为x_i-1到x_i绕z_i旋转的角度。

在图3所示单腿D-H坐标系中，位姿关系可以用连杆变换通式

来表示。

将式

依次相乘可得

于是由式(2)可以得到运动学模型(运动学正解)为：

式中，l₁为大腿构件的长度，l₂为小腿构件的长度，l₃为足部构件的长度，θ₁为髋关节的旋转角度，θ₂为膝关节的旋转角度，θ₃为踝关节的旋转角度；

图4为腿部运动学反解模型简图，为避免运动学反解时，遇到的不定解问题。本发明将腿部液压驱动***作图4所示的等效，保持髋关节O、踝关节G和足端I三点共线。

根据图4中的几何关系，可得髋关节旋转角度θ₁、膝关节旋转角度θ₂、踝关节旋转角度θ₃为：

图5中a)-c)部分均为各关节角度与各关节液压驱动单元伸出长度关系图。

髋关节液压驱动单元伸出总长度AB、膝关节液压驱动单元伸出总长度CD、踝关节液压驱动单元伸出总长度FH为：

式中，l₀₁为髋关节液压驱动单元的初始长度，l₀₂为膝关节液压驱动单元的初始长度，l₀₃为踝关节液压驱动单元的初始长度。

根据图5中的几何关系，可得髋关节旋转角度θ₁、膝关节旋转角度θ₂、踝关节旋转角度θ₃为：

由上式可得髋关节液压驱动单元伸出长度Δx_p1、膝关节液压驱动单元伸出长度Δx_p2、踝关节液压驱动单元伸出长度Δx_p3为：

图6所示为腿部静力学模型简图。

根据虚功原理，可得各关节力矢量τ如下：

τ＝J^T(q)F (8)

其中，F代表腿部足端受力(N)，J^T(q)代表腿部的力雅克比。

式(8)中，腿部的力雅克比J^T(q)如下：

根据公式(8)、公式(9)可得各关节力矢量τ如下：

式中，τ₁为髋关节所受力矩，τ₂为膝关节所受力矩，τ₃为踝关节所受力矩。

静力学正解是指已知各关节所受力矩求足端受力。本发明通过膝关节和踝关节所受力矩，求足端受力，可得腿部静力学模型(腿部静力学正解)为：

图7中a)-c)部分均为各关节所受力矩和各关节驱动单元受力关系图。

由图7几何关系可知，髋关节、膝关节、踝关节液压驱动单元力传感器检测值ΔF_s1、ΔF_s2、ΔF_s3与髋关节、膝关节、踝关节力矩τ₁、τ₂、τ₃映射关系为：

其中，图7中，液压缸以及关节之间的连线采用的是实线，表征实体。液压缸与关节之间的连线为虚线，为公式推导时的辅助线。

图8为腿部动力学模型简图。考虑到机器人腿部运动过程中，各关节液压驱动单元的质心位置变化不大，本发明忽略运动过程质心位置的变化。

由图3的几何关系，可得大腿构件OE质心的坐标(x₁,y₁)为：

定义大腿构件OE的转动惯量为J₁，大腿构件OE的动能E_k1、大腿构件OE的势能E_p1为：

其中，g表示重力加速度(9.8m/s²)。

由图3的几何关系，可得小腿构件EG质心的坐标(x₂,y₂)为：

定义小腿构件EG的转动惯量为J₂，小腿构件EG的动能E_k2、小腿构件EG的势能E_p2为：

由图3的几何关系，可得足端构件GI质心的坐标(x₃,y₃)为：

定义足端构件GI的转动惯量为J₃，足端构件GI的动能E_k3、足端构件GI的势能E_p3为：

拉格朗日动力学方程为：

式中，Q_j代表广义坐标的广义力，L代表拉格朗日函数，q_j代表关节变量。式(19)拉格朗日函数L表达式如下：

L＝E_k-E_p＝E_k1+E_k2+E_k3-E_p1-E_p2-E_p3 (20)

求解拉格朗日动力学方程，解出机器人腿部结构逆动力学数学关系如下：

式(21)中

步骤二：对腿部液压驱动***及其阻抗控制原理进行介绍，基于腿部运动学、静力学和动力学模型，在不同关节选择不同的阻抗控制方法，形成多种阻抗构型方案，并得到各阻抗构型的实现原理。

图9为腿部液压驱动***阻抗特性示意图，阻抗控制是一种实现机器人柔顺控制的主要方法，腿部液压驱动***阻抗控制通过调整腿部阻抗特性Z_D(包含有期望质量M_D、期望阻尼B_D和期望刚度K_D)，从而使***实现图9所示的期望阻抗特性。

从图9中可以看出，机器人足端位置和环境之间的作用力的关系式为：

将式(23)进行拉普拉斯变换可得：

或

式(24)和式(25)有着相同的腿部阻抗特性组成，但适用于不同的***。式(24)适用于基于位置的阻抗控制，即：当干扰力

和

作用到足端，由于腿部的期望阻抗特性，此时足端产生位移偏差

和

来平衡干扰力

和

式(25)适用于基于力的阻抗控制，即：当干扰位置

和

作用到足端，由于腿部的期望阻抗特性，此时足端产生力偏差

和

来平衡干扰位置

和

图10、图11为腿部基于位置/力阻抗控制的实现原理。由图12可得腿部液压驱动***8种阻抗构型方案如表2所示。

表2腿部液压驱动***阻抗构型匹配方案

图13所示为腿部液压驱动***阻抗构型匹配方案实现原理。图13腿部液压驱动***阻抗构型匹配方案实现原理主要由三部分组成：第一部分的阻抗控制外环、第二部分的阻抗控制内环，以及第三部分的阻抗内环位置控制和力控制切换模块。以缸1的阻抗内环位置控制和力控制切换模块实现原理为例：当C₁赋值一个大于0的值时，切换开关将1赋值给S₁，那么|S₁-1|＝0，此时阻抗内环采用位置控制。当C₁赋值一个小于等于0的值时，切换开关将0赋值给S₁，那么|S₁-1|＝1，此时阻抗内环采用力控制。

图13中腿部液压驱动***的8种阻抗构型匹配方案分为以下四步进行：

第一步：在阻抗外环中将足端干扰力信号转换为各关节位置控制内环输入信号变化量。当足端受到干扰力时，各关节液压驱动单元装有的力传感器检测出力信号，利用腿部逆动力学，解出各关节液压驱动单元力传感器信号中的足端干扰力分量，通过腿部静力学，各关节液压驱动单元伸出长度与各关节转角之间的映射关系，各关节液压驱动单元受力与各关节转角转矩之间映射关系，正解得到足端受到的干扰力

然后，利用腿部阻抗特性求解器(Z_Dx＝M_Dxs²+B_Dxs+K_Dx，Z_Dy＝M_Dys²+B_Dys+K_Dy)，获得足端干扰力对应的足端位置变化量

最后，利用腿部运动学反解，各关节液压驱动单元伸出长度与各关节转角之间的映射关系，得到髋关节、膝关节和踝关节液压驱动单元位置控制内环输入信号变化量。

第二步：在阻抗外环中将外负载位置信号转换为各关节力控制内环输入信号变化量。当足端受到外负载位置时，髋关节、膝关节和踝关节液压驱动单元装有的位移传感器检测出位置信号，通过腿部运动学模型，各关节液压驱动单元伸出长度与各关节转角之间的映射关系，正解得到足端的位置信号，将足端输入位置与足端实际位置做差得到足端外环期望位置。然后，通过腿部阻抗特性求解器，将足端阻抗期望位置转换为对应的足端阻抗期望力信号。将足端阻抗期望力信号通过腿部静力学模型，各关节液压驱动单元伸出长度与各关节转角之间映射关系，各关节液压驱动单元受力与各关节转角转矩之间映射关系，反解得到髋关节、膝关节和踝关节液压驱动单元力控制内环输入信号变化量。

第三步：通过预先设定的C₁、C₂和C₃的值实现缸1、缸2和缸3阻抗内环位置控制和力控制的切换。

第四步：由髋关节液压驱动单元、膝关节液压驱动单元和踝关节液压驱动单元位移传感器信号和力传感器信号经腿部结构运动学正解，静力学正解，各关节液压驱动单元伸出长度与各关节转角之间映射关系，各关节液压驱动单元受力与各关节转角转矩之间映射关系，可得腿部足端实际位置和力的变化量。

步骤三：对足端运动空间内，腿部液压驱动***在腾空相和着地相时，各关节液压驱动单元的等效质量分布情况进行分析。通过足端运动空间内，腾空相和着地相各关节液压驱动单元等效质量分布情况、外干扰特性差异和等效质量分布对关节液压驱动单元阻抗控制性影响，为腿部不同关节选择最优阻抗内环控制方式，最终得到液压驱动型足式机器人三自由度腿部阻抗新构型。

机器人运动过程中，腿部液压驱动***有腾空相和着地相两种状态，因此，本发明进行腿部液压驱动***各关节液压驱动单元等效质量计算时，针对腿部液压驱动***腾空相和着地相两种状态分别进行分析。

图14为腾空相腿部液压驱动***结构简图。

由式(6)可知，髋关节转动速度与髋关节液压驱动单元移动速度关系为：

大腿构件、小腿构件、足部构件绕髋关节转动的动能E_kt1为：

结合式(27)，由动能不变原理可得：

式中，m_Lt1代表大腿构件、小腿构件和足部构件绕髋关节转动的等效质量。

由式(26)、式(27)和式(28)可得，大腿构件、小腿构件和足部构件绕髋关节转动的等效质量m_Lt1为：

由式(6)可知，膝关节转动速度与膝关节液压驱动单元移动速度关系为：

小腿构件、足部构件绕膝关节转动的动能E_kt2为：

结合式(31)，由动能不变原理可得：

公式(32)中，m_Lt2表示小腿构件和足部构件绕膝关节转动的等效质量。

由式(30)、式(31)和式(32)可得，小腿构件和足部构件绕膝关节转动的等效质量m_Lt2为：

由式(6)可知，踝关节转动速度与踝关节液压驱动单元移动速度关系为：

足部构件绕踝关节转动的动能E_kt3为：

结合式(35)，由动能不变原理可得：

公式(36)中，m_Lt3代表足部构件绕踝关节转动的等效质量。

由式(34)、式(35)和式(36)可得，足部构件绕踝关节转动的等效质量m_Lt3为：

图15所示，基座构件、大腿构件和小腿构件绕踝关节转动的动能E_kz3为：

公式(38)中，J₄表示基座构件的转动惯量，l₃₁表示大腿构件质心与踝关节之间的距离，l₃₂表示小腿构件质心与踝关节之间的距离，l₃₄表示基座构件质心与踝关节之间的距离。

由图15的几何关系可得，式(38)中l₃₁、l₃₄为：

结合式(38)，由动能不变原理可得：

公式(40)中，m_Lz3表示基座构件、大腿构件和小腿构件绕踝关节转动的等效质量。

由式(38)、式(39)和式(40)可得，基座构件、大腿构件和小腿构件绕踝关节转动的等效质量m_Lz3为：

基座构件、大腿构件绕膝关节转动的动能E_kz2为：

公式(42)中，l₂₁表示大腿构件质心与膝关节之间的距离，l₂₄表示基座构件质心与膝关节之间的距离。

由图15的几何关系可得，式(42)中l₂₄：

结合式(42)，由动能不变原理可得：

公式(44)中，m_Lz2表示基座构件和大腿构件绕膝关节转动的等效质量。

由式(42)、式(43)和式(44)可得，基座构件和大腿构件绕膝关节转动的等效质量m_Lz2为：

基座构件绕髋关节转动的动能E_kz1为：

结合式(46)，由动能不变原理可得：

公式(47)中，m_Lz1表示基座构件绕髋关节转动的等效质量。

由式(46)和式(47)可得，基座构件绕髋关节转动等效质量m_Lz1为：

图14和图15中腿部结构的具体参数如表3。

表3腿部液压驱动***机械结构简图中的具体参数表

本发明利用MATLAB给出了腾空相和着地相腿部液压驱动***足端运动空间内，各关节液压驱动单元等效质量，如图16中的a)和b)部分所示。

当腿部液压驱动***处于着地状态时，仅考虑腿部本身机械结构质量，膝关节等效质量和踝关节液压驱动单元的等效质量存在交叉部分，在机器人腿部在实际工作过程中,基座构件会装载机器人机身和外负载，导致基座构件的质心位置和质量不断变化，为研究基座构件的质心位置和质量不断变化时，各关节液压驱动单元等效质量的变化情况，本发明设计了3种方案。

方案1：基座构件质心位置不变，基座构件质量m₄依次为：10kg、50kg、100kg和300kg时，腿部各关节液压驱动单元等效质量如图17所示，其中图17的a)-c)部分为基座构件质量不断增大时纵向对比各关节等效质量变化曲线，d)-g)部分为基座构件质量不断增大时横向对比各关节等效质量变化曲线。

方案2：基座构件的质量m₄为3.1498kg保持不变，基座构件质心与坐标原点水平方向距离为100.0957mm保持不变，与坐标原点竖直方向的距离H依次为：100mm、200mm、300mm和400mm时，腿部各关节液压驱动单元的等效质量如图18所示，其中，图18的a)-c)部分为基座构件的质量不断增大时纵向对比的各关节等效质量变化曲线，d)-g)部分为基座构件的质量不断增大时横向对比的各关节等效质量变化曲线。

方案3：假定基座构件上方装载有长为400mm、宽为400mm、高度为h和密度为2700kg/m³的长方体，其示意图如图19所示，假定基座构件和长方体总质量集中于长方体质心，长方体高度h依次为100mm、200mm、300mm和400mm时，基座构件各参数如表4所示。

表4装载构件时基座构件的具体参数表

根据表4，利用MATLAB进行求解，可腿部各关节液压驱动单元的等效质量如图20中a)-g)部分所示。

通过分析，腿部液压驱动***处于腾空相和着地相时，各关节液压驱动单元的等效质量分布的理论公式和分布曲线，本发明可以得到以下结论：

(1)当腿部液压驱动***处于腾空相时：在足端运动空间内，腾空相腿部各关节液压驱动单元等效质量大小关系依次为：膝关节＞髋关节＞踝关节。

(2)当腿部液压驱动***处于着地相时：不论基座构件的质心位置和质量如何变化，在足端大部分运动空间内，各关节液压驱动单元的等效质量大小关系依次为：踝关节＞膝关节＞髋关节。

本发明的主要研究目的在于，针对腿部液压驱动***实际运动过程中，髋关节、膝关节和踝关节液压驱动单元等效负载质量和外干扰特性的差异，在腿部各关节中应用不同内环核心控制方式，最终设计一种腿部多关节阻抗控制新构型，那么等效质量对阻抗控制内环有以下影响：

1、当阻抗控制内环为位置控制时：

负载质量对液压驱动单元位置控制***性能影响很大，更高的惯性往往会降低液压***的固有频率。等效质量越大会导致液压***的固有频率变小，降低***的控制性能，同时等效质量变化的越剧烈会导致液压***的固有频率和阻尼比也会随之发生很大的变化，***的控制性能越差。

2、当阻抗控制内环为力控制时：

负载质量对液压驱动单元力控制***性能有着重要作用，更高的惯性往往提供更高的控制带宽。由于机器人腿部液压驱动***处于腾空相时，靠近基座的关节往往比远离基座的关节具有较重的连杆，因此，靠近基座的关节往往比远离基座的关节有着更好的力跟随性能。

综合足端运动空间内，腾空相和着地相各关节液压驱动单元等效质量分布情况和等效质量分布对关节液压驱动单元阻抗控制性能影响，在腿部液压驱动***各关节选择如下内环控制方式可以提升腿部液压驱动***阻抗控制性能：

1、对于髋关节来说，髋关节由于其安装位置的特点，相对于其他关节更靠近基座构件，根据运动学公式和仿真分析结果，相对于其他关节，髋关节液压驱动单元位置变化会产生更大的足端变化量，因此保证髋关节的位置控制精度对于提高足端的控制精度更重要。同时在腿部液压驱动***处于着地相时，由于髋关节的等效质量相对于其他关节最小，相比于其他两个关节力控性能更差。综合上述两个方面，将髋关节液压驱动单元阻抗内环控制方式选为位置控制是合理的。

2、对于膝关节来说，腿部液压驱动***处于腾空相时，髋关节、膝关节和踝关节液压驱动单元的最大等效质量依次为896.1710kg、1907.1834kg和162.3234kg，膝关节相对于其他关节等效质量最大，相对于其他关节力控性能最好。同时腿部液压驱动***处于着地相时，膝关节液压驱动单元等效质量大幅大于髋关节，虽然小于踝关节但相差不多，且在小部分运动空间中，膝关节负载质量大于踝关节。综合上述两个方面，将膝关节液压驱动单元阻抗内环控制方式选为力控制是合理的。

3、对于踝关节来说，腿部液压驱动***处于着地相时，足端接触地面，基座构件相对于足端转动，推动机器人机身向前移动，踝关节相比于其他关节更靠近足端，踝关节液压驱动单元的跟随精度对于提升机器人腿部处于支撑相时，机身的运动精度更重要。同时在足端大部分运动空间内(囊括大部分机器人步态所运行轨迹)，踝关节的等效质量相对于其他两个关节最大，力控性能最好。综合上述两个方面，将踝关节液压驱动单元阻抗内环控制方式选为力控制是合理的。

综上，表2中，第6种方案(髋关节采用位置控制、膝关节采用力控制和踝关节采用力控制)相对于其他7种方案控制性能更好，为最优的腿部液压驱动***阻抗构型。

针对于上述提供的生成方法还对应提供了一种机器人三自由度腿部的阻抗新构型生成***，如图21所示，该阻抗控制***包括：

第一获取模块1，用于获取待控制机器人腿部液压驱动***的数学模型，所述数学模型包括：腿部运动学模型、腿部静力学模型和腿部动力学模型，腿部阻抗特性模型，腿部各关节液压驱动单元伸长度与各关节转角间映射关系，各关节液压驱动单元受力与各关节转角转矩之间映射关系；所述关节包括：髋关节、膝关节和踝关节；

位置控制信号确定模块2，用于当待控制机器人的足端受到干扰力时，根据数学模型确定各关节液压驱动单元中位置控制内环输入信号的变化量。

力控制信号确定模块3，用于当足端处于外负载位置时，根据数学模型确定各关节液压驱动单元力控制内环输入信号的变化量。

关节液压驱动单元控制内环选择模块4，通过选取所述髋关节液压驱动单元控制内环为位置控制，膝关节液压驱动单元控制内环为力控制，踝关节液压驱动单元控制内环为力控制的阻抗新构型，利用伺服阀得到髋关节、膝关节以及踝关节液压驱动单元的输出位置和输出力；

实际位置和力变化量确定模块5，用于根据髋关节、膝关节以及踝关节液压驱动单元的输出位置和输出力，采用所述数学模型正解得到腿部足端的实际位置和力的变化量。

作为本发明的一优选实施例，上述阻抗控制***还包括：

第二获取模块，用于获取待控制机器人腿部液压驱动***中各构件的长度、各关节的旋转角度和各关节所受力矩。构件包括：大腿构件、小腿构件和足部构件。

腿部运动学模型构建模块，用于根据各构件的长度和各关节的旋转角度构建腿部运动学模型。

腿部静力学模型构建模块，用于根据各构件的长度、各关节的旋转角度和各关节所受力矩构建腿部静力学模型。

腿部动力学模型构建模块，用于根据拉格朗日动力学方程构建腿部动力学模型。

作为本发明的另一优选实施例，上述位置控制信号确定模块2具体包括：

干扰力解算单元，用于当所述待控制机器人的足端受到干扰力时，各关节液压驱动单元中的力传感器检测出力信号，利用所述腿部动力学模型反解得到各关节液压驱动单元中的力传感器信号中的足端干扰力分量后，采用所述腿部静力学模型、各关节液压驱动单元伸长度与各关节转角间映射关系，各关节液压驱动单元受力与各关节转角转矩之间映射关系正解得到足端受到的干扰力；

足端位置变化量确定单元，用于采用腿部阻抗特性求解器，获得与足端受到的干扰力相对应的足端位置变化量。

位置控制信号解算单元，用于根据所述足端位置变化量，采用所述腿部运动学模型，各关节液压驱动单元伸长度与各关节转角间映射关系反解得到各关节液压驱动单元中位置控制内环输入信号的变化量。

作为本发明的又一优选实施例，上述力控制信号确定模块3具体包括：

足端位置信号解算单元，用于当足端受到外负载位置时，所述各关节液压驱动单元中的位移传感器检测出位置信号后，利用所述腿部运动学模型、各关节液压驱动单元伸长度与各关节转角间映射关系，正解得到足端的位置信号；所述足端的位置信号包括：足端输入位置与足端实际位置。

足端外环期望位置确定单元，用于根据足端位置信号得到足端外环期望位置。

力控制信号确定单元，用于通过腿部阻抗特性求解器，将足端外环期望位置转换为对应的足端阻抗期望力信号；将足端阻抗期望力信号通过所述腿部静模型、各关节液压驱动单元伸长度与各关节转角间映射关系，各关节液压驱动单元受力与各关节转角转矩之间映射关系进行反解，得到各关节液压驱动单元力控制内环输入信号的变化量。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的***而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种机器人三自由度腿部的阻抗新构型生成方法，其特征在于，包括：

获取待控制机器人腿部液压驱动***的数学模型，所述数学模型包括：腿部运动学模型、腿部静力学模型、腿部动力学模型、腿部阻抗特性模型、腿部各关节液压驱动单元伸长度与各关节转角间映射关系以及各关节液压驱动单元受力与各关节转角转矩之间映射关系；所述关节包括：髋关节、膝关节和踝关节；

当所述待控制机器人的足端受到干扰力时，根据所述数学模型确定各关节液压驱动单元中位置控制内环输入信号的变化量；

当足端处于外负载位置时，根据所述数学模型确定各关节液压驱动单元力控制内环输入信号的变化量；

通过选取所述髋关节液压驱动单元控制内环为位置控制，膝关节液压驱动单元控制内环为力控制，踝关节液压驱动单元控制内环为力控制的阻抗新构型生成，利用伺服阀得到髋关节、膝关节以及踝关节液压驱动单元的输出位置和输出力；

根据髋关节、膝关节以及踝关节液压驱动单元的输出位置和输出力，采用腿部运动学模型、腿部静力学模型、各关节液压驱动单元伸长度与各关节转角间映射关系，以及各关节液压驱动单元受力与各关节转角转矩之间映射关系正解得到腿部足端的实际位置和力的变化量。

2.根据权利要求1所述的机器人三自由度腿部的阻抗新构型生成方法，其特征在于，所述获取待控制机器人腿部液压驱动***数学模型之前还包括：

获取待控制机器人的腿部液压驱动***中各构件的长度、各关节的旋转角度和各关节所受力矩；构件包括：大腿构件、小腿构件和足部构件；

根据所述各构件长度、所述各关节的旋转角度构建所述腿部运动学模型。

根据所述各构件的长度、所述各关节的旋转角度和所述各关节所受力矩构建所述腿部静力学模型。

根据拉格朗日动力学方程构建腿部动力学模型。

3.根据权利要求1所述的机器人三自由度腿部的阻抗新构型生成方法，其特征在于，所述当所述待控制机器人足端受到干扰力时，根据所述数学模型确定各关节液压驱动单元中位置控制内环输入信号的变化量，具体包括：

当所述待控制机器人的足端受到干扰力时，各关节液压驱动单元中的力传感器检测出力信号，利用所述腿部动力学模型反解得到各关节液压驱动单元中的力传感器信号中的足端干扰力分量后，采用所述腿部静力学模型，各关节液压驱动单元伸长度与各关节转角间映射关系，各关节液压驱动单元受力与各关节转角转矩之间映射关系正解得到足端受到的干扰力；

采用腿部阻抗特性求解器，获得与所述足端受到的干扰力相对应的足端位置变化量；

根据所述足端位置变化量，采用所述腿部运动学模型，各关节液压驱动单元伸长度与各关节转角间映射关系反解得到各关节液压驱动单元中位置控制内环输入信号的变化量。

4.根据权利要求1所述的机器人三自由度腿部的阻抗新构型生成方法，其特征在于，所述当足端处于外负载位置时，根据所述数学模型确定各关节液压驱动单元力控制内环输入信号的变化量，具体包括：

当足端受到外负载位置时，所述各关节液压驱动单元中的位移传感器检测出位置信号后，利用所述腿部运动学模型，各关节液压驱动单元伸长度与各关节转角间映射关系正解得到足端的位置信号；所述足端的位置信号包括：足端输入位置与足端实际位置；

根据所述足端的位置信号得到足端外环期望位置；

通过腿部阻抗特性求解器，将足端外环期望位置转换为对应的足端阻抗期望力信号；将足端阻抗期望力信号通过所述腿部静力学模型，各关节液压驱动单元伸长度与各关节转角间映射关系，各关节液压驱动单元受力与各关节转角转矩之间映射关系进行反解得到各关节液压驱动单元力控制内环输入信号的变化量。

5.一种机器人三自由度腿部的阻抗新构型生成***，其特征在于，包括：

第一获取模块，用于获取待控制机器人腿部液压驱动***的数学模型，所述数学模型包括：腿部运动学模型、腿部静力学模型、腿部动力学模型、腿部阻抗特性模型、腿部各关节液压驱动单元伸长度与各关节转角间映射关系以及各关节液压驱动单元受力与各关节转角转矩之间映射关系；所述关节包括：髋关节、膝关节和踝关节；

位置控制信号确定模块，用于当所述待控制机器人的足端受到干扰力时，根据所述数学模型确定各关节液压驱动单元中位置控制内环输入信号的变化量；

力控制信号确定模块，用于当足端处于外负载位置时，根据所述数学模型确定各关节液压驱动单元力控制内环输入信号的变化量；

关节液压驱动单元控制内环选择模块，通过选取所述髋关节液压驱动单元控制内环为位置控制，膝关节液压驱动单元控制内环为力控制，踝关节液压驱动单元控制内环为力控制的阻抗新构型，利用伺服阀得到髋关节、膝关节以及踝关节液压驱动单元的输出位置和输出力；

实际位置和力变化量确定模块，用于根据髋关节、膝关节以及踝关节液压驱动单元的输出位置和输出力，采用腿部运动学模型、腿部静力学模型、各关节液压驱动单元伸长度与各关节转角间映射关系，以及各关节液压驱动单元受力与各关节转角转矩之间映射关系正解得到腿部足端的实际位置和力的变化量。

6.根据权利要求5所述的机器人三自由度腿部的阻抗新构型生成***，其特征在于，所述***还包括：

第二获取模块，用于获取待控制机器人的腿部液压驱动***中各构件的长度、各关节的旋转角度和各关节所受力矩；构件包括：大腿构件、小腿构件和足部构件；

腿部运动学模型构建模块，用于根据所述各构件长度、所述各关节旋转角度构建所述腿部运动学模型。

腿部静力学模型构建模块，用于根据所述各构件长度、所述各关节旋转角度和所述各关节所受力矩构建所述腿部静力学模型。

腿部动力学模型构建模块，用于根据拉格朗日动力学方程构建腿部动力学模型。

7.根据权利要求5所述的机器人三自由度腿部的阻抗新构型生成***，其特征在于，所述位置控制信号确定模块具体包括：

干扰力解算单元，用于当所述待控制机器人足端受到干扰力时，各关节液压驱动单元中的力传感器检测出力信号，利用所述腿部动力学模型反解得到各关节液压驱动单元中的力传感器信号中足端干扰力分量后，采用所述腿部静力学模型、各关节液压驱动单元伸长度与各关节转角间映射关系，各关节液压驱动单元受力与各关节转角转矩之间映射关系正解得到足端受到的干扰力；

足端位置变化量确定单元，用于采用腿部阻抗特性求解器，获得与所述足端受到的干扰力相对应的足端位置变化量；

位置控制信号解算单元，用于根据所述足端位置变化量，采用所述腿部运动学模型、各关节液压驱动单元伸长度与各关节转角间映射关系反解得到各关节液压驱动单元中位置控制内环输入信号变化量。

8.根据权利要求5所述的机器人三自由度腿部的阻抗新构型生成***，其特征在于，所述力控制信号确定模块具体包括：

足端位置信号解算单元，用于当足端受到外负载位置时，所述各关节液压驱动单元中的位移传感器检测出位置信号后，利用所述腿部运动学模型、各关节液压驱动单元伸长度与各关节转角间映射关系正解得到足端的位置信号；所述足端的位置信号包括：足端输入位置与足端实际位置；

足端外环期望位置确定单元，用于根据所述足端的位置信号得到足端外环期望位置；

力控制信号确定单元，用于通过腿部阻抗特性求解器，将足端外环期望位置转换为对应的足端阻抗期望力信号；将足端阻抗期望力信号通过所述腿部静力学模型、各关节液压驱动单元伸长度与各关节转角间映射关系，各关节液压驱动单元受力与各关节转角转矩之间映射关系进行反解得到各关节液压驱动单元力控制内环输入信号的变化量。

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