一种仿人机器人连续动态稳定跳跃控制方法转让专利
申请号 : CN202110083373.X
文献号 : CN112859901B
文献日 : 2021-12-24
发明人 : 孟立波 , 陈学超 , 余张国 , 黄强 , 齐皓祥 , 石青
申请人 : 北京理工大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种仿人机器人连续动态稳定跳跃控制方法,其特征在于:建立基于浮动基的仿人机器人全身动力学方程;
规划仿人机器人跳跃轨迹,包括起跳阶段、空中阶段和稳定落地阶段;起跳阶段中,仿人机器人的期望外力为: fx=ks*vd;稳定落地阶段中,仿人机器人的期望外力为fx=0、
建立仿人机器人跳跃控制方法:对浮动基的广义自由度进行分解,将仿人机器人全身动力学方程表示为
通过仿人机器人
期望的状态,得到仿人机器人所期望的脚底受力F1与F2,进一步获取仿人机器人下肢各关节驱动力矩τ,将所述驱动力矩τ施加至仿人机器人下肢,根据规划仿人机器人跳跃轨迹,实现仿人机器人连续动态稳定跳跃控制;
其中,kp_jump与kv_jump分别为仿人机器人竖直方向期望外力的PD控制参数,q2为仿人机器人起跳时刻的膝关节角度,q2_jump为仿人机器人起跳时刻的期望膝关节角度, 为仿人机器人起跳时刻的膝关节角速度,fz为仿人机器人上身施加的竖直方向力,fx为仿人机器人水平方向期望受力,ks为仿人机器人水平方向期望外力与上身期望力矩的PD控制参数,vd为仿人机器人水平方向期望的运动速度,z为仿人机器人在竖直方向的位置,为仿人机器人在竖直方向的速度,zinit为仿人机器人初始跳跃高度,kp‑landing和kvz分别为仿人机器人落地时竖直方向期望外力的PD控制参数,Mij为仿人机器人的质量矩阵,qf为浮动基的6个广义自由度,ql为仿人机器人双腿的关节角度向量,hi为仿人机器人重力、科里奥利力矩阵,Ji1与Ji2为从仿人机器人脚底转换到仿人机器人关节空间的雅克比转换矩阵,i、j=1,2。
2.根据权利要求1所述的仿人机器人连续动态稳定跳跃控制方法,其特征在于,在跳跃的过程中,引入仿人机器人稳定的控制条件: px、py分别为浮动基∑f在世界坐标系∑w中沿着x、y方向的位置,fLz和fRz分别为所述F1和F2在z方向的分量,[pRx pRy]和[pLx pLy]分别为根据仿人机器人左右脚的期望接触力和力矩计算的ZMP位置。
3.根据权利要求2所述的仿人机器人连续动态稳定跳跃控制方法,其特征在于,在跳跃的过程中,仿人机器人的ZMP需满足如下约束:Lxmin+δrx<px<Lxmax‑δax和Lymin+δry<py<Lymax‑δay,其中Lxmin、Lxmax为仿人机器人脚底与地面形成的支撑多边形沿x方向的最小值与最大值,δrx与δax分别为沿x方向的补偿量,Lymin、Lxmax为仿人机器人脚底与地面形成的支撑多边形沿y方向的最小值与最大值,δry与δay分别为沿y方向的补偿量。
4.根据权利要求1所述的仿人机器人连续动态稳定跳跃控制方法,其特征在于,所述仿人机器人连续动态稳定跳跃控制具体为:对仿人机器人下肢施加驱动力矩τ,仿人机器人进入起跳阶段,当仿人机器人上身位置到达起跳高度,进入空中阶段,控制仿人机器人各关节达到落地时的期望姿态,当仿人机器人从空中下落并与地面接触时,进入落地阶段,完成一个跳跃循环,并且返回机器人跳跃的初始状态。
5.根据权利要求1所述的仿人机器人连续动态稳定跳跃控制方法,其特征在于,所述仿人机器人全身动力学方程为: 其中Fi为仿人机器人双脚与地面产生的接触力和力矩。
6.根据权利要求1所述的仿人机器人连续动态稳定跳跃控制方法,其特征在于,所述仿人机器人跳跃轨迹包括躯干的运动轨迹与脚踝的运动轨迹,具体为:其中H0为仿人机器人空中阶段质心能达到的最高高度与起跳时的质心高度的高度差,v0为仿人机器人起跳时刻的质心速度,g为重力加速度,为仿人机器人的质心加速度,M为仿人机器人整体质量。
7.根据权利要求1所述的仿人机器人连续动态稳定跳跃控制方法,其特征在于,所述对T
浮动基的广义自由度进行分解,具体为:qf=[px py pz θx θy θz] ,其中px、py、pz分别为浮动基∑f在世界坐标系∑w中沿着x、y、z三个方向的位置,θx、θy、θz分别为浮动基∑f在世界坐标系∑w中沿着x、y、z三个方向的姿态。
说明书 :
一种仿人机器人连续动态稳定跳跃控制方法
技术领域
背景技术
适应能力和实际应用能力。现有关于仿人机器人跳跃的方法,大多为单次跳跃的控制方法,
还未有针对仿人机器人连续跳跃控制方法。
发明内容
段中,仿人机器人的期望外力为fx=0、
通过仿人机器人期望的状态,得到仿人机器人所期望的脚底受力F1与F2,进一步获取仿人机
器人下肢各关节驱动力矩τ,将所述驱动力矩τ施加至仿人机器人下肢,根据规划仿人机器
人跳跃轨迹,实现仿人机器人连续动态稳定跳跃控制;
人机器人起跳时刻的膝关节角速度,fz为仿人机器人上身施加的竖直方向力,fx为仿人机器
人水平方向期望受力,ks为仿人机器人水平方向期望外力与上身期望力矩的PD控制参数,vd
为仿人机器人水平方向期望的运动速度,z为仿人机器人在竖直方向的位置,为仿人机器
人在竖直方向的速度,zinit为仿人机器人初始跳跃高度,kp‑landing和kvz分别为仿人机器人落
地时竖直方向期望外力的PD控制参数,Mij为仿人机器人的质量矩阵,qf为浮动基的6个广义
自由度,ql为仿人机器人双腿的关节角度向量,hi为仿人机器人重力、科里奥利力矩阵,Ji1
与Ji2为从仿人机器人脚底转换到仿人机器人关节空间的雅克比转换矩阵,i、j=1,2。
x、y方向的位置,fLz和fRz分别为所述F1和F2在z方向的分量,[pRx pRy]和[pLx pLy]分别为根据
仿人机器人左右脚的期望接触力和力矩计算的ZMP位置。
成的支撑多边形沿x方向的最小值与最大值,δrx与δax分别为沿x方向的补偿量,Lymin、Lxmax
为仿人机器人脚底与地面形成的支撑多边形沿y方向的最小值与最大值,δry与δay分别为沿
y方向的补偿量。
进入空中阶段,控制仿人机器人各关节达到落地时的期望姿态,当仿人机器人从空中下落
并与地面接触时,进入落地阶段,完成一个跳跃循环,并且返回机器人跳跃的初始状态。
和力矩。
度,M为仿人机器人整体质量。
θx θy θ] ,其中px、py、pz分别为浮动基∑f在世界坐标系∑w中沿着x、y、z三个方向的位置,
θx、θy、θz分别为浮动基∑f在世界坐标系∑w中沿着x、y、z三个方向的姿态。
仿人机器人的期望外力,保证仿人机器人的连续动态稳定跳跃控制,本发明显著提升仿人
机器人的运动能力,进一步增强仿人机器人的环境适应能力。
而引起摔倒情况的发生。
附图说明
具体实施方式
腿大腿质量,m4为仿人机器人左腿小腿质量,机器人足部的质量忽略不计。仿人机器人的运
动自由度简化为具有踝关节q1、膝关节q2、髋关节q3的三个关节所组成的平面机器人。
人重力、科里奥利力矩阵(i=1,2),τ为仿人机器人下肢各个关节的驱动力矩,Fi为仿人机
器人双脚与地面产生的接触力和力矩(包括图1中nr、fr、nl和fl,nr表示右脚与地面产生的力
矩,fr表示右脚与地面产生的接触力,nl表示左脚与地面产生的力矩,fl表示左脚与地面产
生的接触力),Ji1与Ji2为从仿人机器人脚底转换到仿人机器人关节空间的雅克比转换矩
阵,其中i=1时代表右脚,i=2时代表左脚。
跳跃结束的时刻;根据期望的跳跃高度确定躯干的运动轨迹与脚踝的运动轨迹,计算方法
如下:
状态由仿人机器人离开地面的状态决定,式(2)中v0为仿人机器人起跳时刻的质心速度,g
为重力加速度,且起跳时刻的质心速度v0由仿人机器人的质心加速度 积分获得,而 由仿
人机器人期望的地面受力及仿人机器人所受重力决定;M为仿人机器人整体质量,F1、F2表示
仿人机器人所期望的脚底受力。
机器人的期望外力可以由以下公式计算得到:
节角度, 为仿人机器人起跳时刻的膝关节角速度;fz为仿人机器人上身施加的竖直方向
力,且fz=fLz+fRz,可以通过调节kp_jump的大小来调节仿人机器人跳跃的高度;fx为仿人机器
人水平方向期望受力,且fx=fLx+fRx,ks为仿人机器人水平方向期望外力与上身期望力矩的
PD控制参数,vd为仿人机器人水平方向期望的运动速度,可以通过调节vd的大小来调节仿人
机器人跳跃过程中水平方向期望受力。
人机器人起跳结束姿态调整至落地姿态(为现有技术)。
的控制如下:
方向期望外力的PD控制参数,z为仿人机器人在竖直方向的位置,为仿人机器人在竖直方
向的速度;经过仿人机器人落地阶段,仿人机器人的状态将回到起跳阶段。
θy、θz分别为浮动基∑f在世界坐标系∑w中沿着x、y、z三个方向的姿态;令p=[px py pz] 、θ
T
=[θx θy θz],则式(1)可变形为:
(见图
人机器人期望外力与仿人机器人运动状态的基础之上,通过公式(11)的关系,求得仿人机
器人下肢各关节驱动力矩τ,从而获得了使仿人机器人产生跳跃运动的控制量。
制条件:
(Zero Moment Point,零力矩点,为仿人机器人脚底受到沿水平方向合力矩为零的位置,若
该位置位于仿人机器人脚底与地面接触点所组成的支撑多边形内,则仿人机器人能够保持
稳定,不发生翻到)位置,其计算方法如下式:
Lymin、Lxmax为仿人机器人脚底与地面形成的支撑多边形沿y方向的最小值与最大值,δry与
δay分别是沿着y方向的补偿量,使仿人机器人在y方向具有更大的稳定性。
空中阶段控制仿人机器人各关节达到落地时的期望姿态;当仿人机器人从空中下落,并与
地面接触之后,仿人机器人进入跳跃的落地阶段;通过上述三个阶段,仿人机器人完成了一
个跳跃循环,如果未接收到跳跃截止命令,仿人机器人将重新进入到起跳阶段,完成下一个
跳跃循环,直到结束跳跃。
或变型均属于本发明的保护范围。