多肢腿式机器人分布式动力学建模方法技术

一种多肢腿式机器人分布式动力学建模方法，步骤如下：(1)基于虚拟模型控制，以躯干单刚体为对象，将腿部简化为虚拟作动器输入，进行受力分析，建立单刚体动力学模型；(2)采用迭代的肢腿动力学模型解算算法建立肢腿动力学模型；所述肢腿动力学模型解算算法，包括如下步骤：①以肢腿末端与环境接触点为基坐标系，外推得到各杆件质心处所受惯性力与力矩；②由躯干与肢腿连接点出发，以肢腿作用于躯干的力旋量为被控量，内推得到实现此被控量的内部杆件的相互作用力旋量及肢腿与环境接触力旋量。该方法大大降低了模型建立的复杂度，实现了多肢腿机器人动力学的快速更新，满足了控制的实时性要求。

Distributed Dynamics Modeling Method for Multi-leg Robot

【技术实现步骤摘要】
多肢腿式机器人分布式动力学建模方法
本专利技术涉及一种用于多肢腿式机器人的动力学建模方法，属于多肢腿式机器人建模领域。
技术介绍
目前，多肢腿式机器人的运动控制方法一般有位置控制、力控制及力位混合控制。其中位置控制最为常见，基于正逆运动学并结合柔顺控制实现预先规划轨迹运动，例如2010年发表在《IEEE/RSJInternationalConferenceonIntelligentRobotsandSystems》(《IEEE/RSJ智能机器人与系统国际会议》)上的《DesignandExperimentalEvaluationoftheHydraulicallyActuatedPrototypeLegoftheHyQRobot》(《HyQ机器人液压驱动腿部样机的设计与实验验证》)通过单腿运动学分析，得到力雅可比矩阵，并将位置误差映射为虚拟力，采用雅可比将虚拟力映射为关节力矩，实现腿部期望运动；2013年发表在《IEEEInternationalConferenceonRoboticsandAutomation》(《IEEE机器人学和自动化国际会议》)第3287-3292页的论文《ControlofDynamicGaitsforaQuadrupedalRobot》(《四足仿生机器人动步态控制》)采用力位混合控制实现了四足机器人多种动步态运动；而力控制多应用于固定基座机械臂。对三种控制方法进行比较，位置控制一般不具有自适应性，且需要额外的柔顺控制；力/位混合控制是典型的主动柔顺控制，其将工作空间中的六维力旋量根据需要确定哪些采用位置控制，哪些采用力控制，但力/位要求可能是随时变化的且力与不同位姿之间不是完全解耦的；力控制则是基于对机器人作用机理的揭示，在本质上实现该多体动力学系统的控制。虽然力控制与其他控制方法对比具有明显优势，但其在多肢腿机器人控制应用方面进展十分缓慢，以目前国际最先进的机器人以四足机器人为例，如2018年发表在《IEEE/RSJInternationalConferenceonIntelligentRobotsandSystem》(《IEEE智能机器人与系统国际会议》)上的《DynamicLocomotionintheMITCheetah3ThroughConvexModel-PredictiveControl》(《基于凸模型预测的MITCheetah3动态运动控制》)中的MITcheetah控制，以及2015年发表在《IEEEInternationalConferenceonRoboticsandAutomation》(《IEEE机器人学和自动化国际会议》)上的《PlanningandExecutionofDynamicWhole-BodyLocomotionforaHydraulicQuadrupedonChallengingTerrain》(《液压驱动四足仿生机器人在复杂地形上的全身动态运动规划与执行》)中针对ETHHyQ的研究等采用了力控制方法，其采用的力控制存在以下两个问题：第一，利用牛顿公式与欧拉公式建立简化的躯干单刚体动力学模型，模型的不精确导致了虚拟作动器期望力旋量输出的不精确；第二：将腿部做轻量化处理，以使得其质量相较于躯干可忽略不计，从而将关节力矩的计算简化为期望力旋量的雅可比映射。综上所述，现有的力控制方法建立于简化模型与苛刻的假设条件之上，尚未发展出能够真正用于肢腿式机器人的基于动力学的力控制方法。而之所以存在以上问题，一般由动力学模型不精确引起，传统的动力学建模方法如拉格朗日法、牛顿-欧拉方法等对多刚体动力学系统建模过程非常复杂，计算成本过高；其结果解析式非常复杂、庞大，不满足控制的实时性要求，因此不利于工程应用实现。基于以上现状，本专利技术提出一种多肢腿式机器人动力学建模方法。
技术实现思路
本专利技术针对现有肢腿式机器人动力学建模技术存在的不足，提出一种具有普适性的分布式动力学建模方法，对机器人系统进行完整的力分析、动力学建模，为后续控制问题的分析与控制器的设计提供完善的被控对象模型描述。本专利技术提出的多肢腿式机器人分布式动力学建模方法，具体步骤如下：(1)基于虚拟模型控制，以躯干单刚体为对象，将腿部简化为虚拟作动器输入，进行受力分析，建立单刚体动力学模型；(2)采用迭代的肢腿动力学模型解算算法建立肢腿动力学模型；所述肢腿动力学模型解算算法，包括如下步骤：①以肢腿末端与环境接触点为基坐标系，外推得到各杆件质心处所受惯性力与力矩；②由躯干与肢腿连接点出发，以肢腿作用于躯干的力旋量为被控量，内推得到实现此被控量的内部杆件的相互作用力旋量及肢腿与环境接触力旋量，并整理得到各驱动关节的力矩与被控量的关系以及摩擦锥约束对驱动关节力矩的约束。所述步骤(1)建立单刚体动力学模型的具体过程是：首先将各肢腿作用于躯干的力旋量进行合成，得到躯干惯性力与力矩IF、IN；其中，Iwj为第j条肢腿提供给躯干相对于惯性系ΣI的力旋量，IG为躯干所受重力矢量，为输入矩阵，为步态矩阵；设躯干单刚体在惯性系中的位置为IPb＝[xyz]T，姿态为Iθb＝[αβγ]T，将躯干运动空间作为躯干单刚体状态空间表达式的状态空间，其状态空间变量为其中x、y、z、α、β、γ分别为躯干单刚体几何中心相对于惯性系的水平、纵向、横向移动以及横滚角、偏航角与俯仰角；以n肢腿机器人为例，以每条肢腿提供给躯干的力旋量Iwj作为输入u＝(Iw1Iw2…Iwn)T，建立躯干单刚体的状态空间表达式：所述步骤(2)中建立肢腿动力学模型的具体过程是：采用肢腿动力学模型解算方法，得到以肢腿作用于躯干的力旋量为被控量的各驱动关节计算解析式如下：其中，为主动关节力矩，为参照DH坐标系的腿部关节配置角度，分别为腿j的惯性矩阵、科氏力离心力以及重力项。其特点是以Iwj为被控量，以τj为输入量，构造反馈控制器，并利用进行进行实时前馈补偿。所述肢腿动力学模型解算方法的具体过程是：以期望输出力旋量为被控量，对肢腿内部杆件间、肢腿与环境间力旋量进行解算，从而得到驱动力矩解析式与摩擦锥约束；假设每条腿有m个关节与m-1个连杆组成，坐标系Σ0固连于连杆0的最下端，与地面接触并形成被动关节0，接触点处地面给腿的力旋量为0f0、0n0；坐标系Σi固连于连杆i的最下端的主动关节i处，受到连杆i-1传递过来的力旋量Ifi、Ini；坐标系Σm固连于腿与躯干接触点的髋关节处，初始方向与坐标系Σm-1相同；①以肢腿与外界环境接触点为基坐标系，在各关节速度、加速度可测量获得的基础上，外推各杆件加速度，建立每一杆件的力与力矩平衡方程，得到各杆件惯性力与力矩Fi、Ni；②由肢腿作用于躯干的力旋量Iwj为被控量，并内推依次得到fi、ni，并取关节力矩③足地接触约束条件：以第j条腿为例，足地接触点处的支撑力N与摩擦力F分别为力延惯性系中y轴的力分量与x轴的力分量，其必须满足双边摩擦锥约束：其中，μ为地面摩擦系数；在腿部动力学建模中，建立足地接触力0f0与期望输出力Ifj的线性关系：此时，对腿部延x轴与y轴期望输出力分量Ifjx、Ifjy建立约束；最终利用单腿的动力学方程得到Ifjx、Ifjy与τj的关系，并对其加以约束。上述肢腿动力学模型对多肢腿式机器人的控制方法，包括如本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多肢腿式机器人分布式动力学建模方法，其特征是，具体步骤如下：(1)基于虚拟模型控制，以躯干单刚体为对象，将腿部简化为虚拟作动器输入，进行受力分析，建立单刚体动力学模型；(2)采用迭代的肢腿动力学模型解算算法建立肢腿动力学模型；所述肢腿动力学模型解算算法，包括如下步骤：①以肢腿末端与环境接触点为基坐标系，外推得到各杆件质心处所受惯性力与力矩；②由躯干与肢腿连接点出发，以肢腿作用于躯干的力旋量为被控量，内推得到实现此被控量的内部杆件的相互作用力旋量及肢腿与环境接触力旋量，并整理得到各驱动关节的力矩与被控量的关系以及摩擦锥约束对驱动关节力矩的约束。

【技术特征摘要】
1.一种多肢腿式机器人分布式动力学建模方法，其特征是，具体步骤如下：(1)基于虚拟模型控制，以躯干单刚体为对象，将腿部简化为虚拟作动器输入，进行受力分析，建立单刚体动力学模型；(2)采用迭代的肢腿动力学模型解算算法建立肢腿动力学模型；所述肢腿动力学模型解算算法，包括如下步骤：①以肢腿末端与环境接触点为基坐标系，外推得到各杆件质心处所受惯性力与力矩；②由躯干与肢腿连接点出发，以肢腿作用于躯干的力旋量为被控量，内推得到实现此被控量的内部杆件的相互作用力旋量及肢腿与环境接触力旋量，并整理得到各驱动关节的力矩与被控量的关系以及摩擦锥约束对驱动关节力矩的约束。2.根据权利要求1所述的多肢腿式机器人分布式动力学建模方法，其特征是，所述步骤(1)建立单刚体动力学模型的具体过程是：首先将各肢腿作用于躯干的力旋量进行合成，得到躯干惯性力与力矩IF、IN；其中，Iwj为第j条肢腿提供给躯干相对于惯性系ΣI的力旋量，IG为躯干所受重力矢量，为输入矩阵，为步态矩阵；设躯干单刚体在惯性系中的位置为IPb＝[xyz]T，姿态为Iθb＝[αβγ]T，将躯干运动空间作为躯干单刚体状态空间表达式的状态空间，其状态空间变量为其中x、y、z、α、β、γ分别为躯干单刚体几何中心相对于惯性系的水平、纵向、横向移动以及横滚角、偏航角与俯仰角；以n肢腿机器人为例，以每条肢腿提供给躯干的力旋量Iwj作为输入u＝(Iw1Iw2…Iwn)T，建立躯干单刚体的状态空间表达式：3.根据权利要求1所述的多肢腿式机器人分布式动力学建模方法，其特征是，所述步骤(2)中建立肢腿动力学模型的具体过程是：采用肢腿动力学模型解算方法，得到以肢腿作用于躯干的力旋量为被控量的各驱动关节计算解析式如下：其中，为主动关节力矩，为参照DH坐标系的腿部关节配置角度，分别为腿j的惯性矩阵、科氏力离心力以及重力项。其特点是以Iwj为被控量，以τj为输入量，构造反馈...

【专利技术属性】
技术研发人员：柴汇，辛亚先，李贻斌，荣学文，张国腾，侯晋冕，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37