弹跳机器人及其动量轮组件和姿态控制方法技术

本发明专利技术公开了一种动量轮组件，包括轮臂，所述轮臂上设有与其转动配合的轮轴，所述轮轴上设有与其同步转动的动量轮，所述轮臂上还设有用于驱动所述轮轴转动的动量轮驱动机构。本发明专利技术还公开了一种弹跳机器人，包括机器人本体，所述机器人本体包括基座，所述基座上环形均布设有至少两个如上所述的动量轮组件，所述轮臂与所述基座固定连接。本发明专利技术还公开了一种弹跳机器人的姿态控制方法，可以调整弹跳机器人着陆姿态，避免因着陆点精度差、易侧翻等危险情况。险情况。险情况。

【技术实现步骤摘要】
弹跳机器人及其动量轮组件和姿态控制方法


[0001]本专利技术属于机器人
，具体的为一种弹跳机器人及其动量轮组件和姿态控制方法。

技术介绍

[0002]弹跳机器人的研究也得到广泛的关注和迅猛的发展。弹跳是弹跳机器人最主要和最擅长的运动特征。公开号为CN110466635B的中国专利公开的一种电磁释放弹跳机器人及羽毛球机器人和电磁释放弹跳机构。现有的弹跳机器人在起跳后，整个机器人的质心沿起跳方向呈抛物线运动，在机器人完成捕捉、击打等任务后，机器人的姿态会发生偏离。如果着陆时的姿态不当，导致机器人的重心偏移或者过于侧倾，在着陆冲击力作用下，机器人会发生侧翻，极不利于系统的安全性和稳定性。

技术实现思路

[0003]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种弹跳机器人及其动量轮组件和姿态控制方法，可以调整弹跳机器人着陆姿态，避免因着陆点精度差、易侧翻等危险情况。
[0004]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0005]本专利技术首先提出了一种动量轮组件，包括轮臂，所述轮臂上设有与其转动配合的轮轴，所述轮轴上设有与其同步转动的动量轮，所述轮臂上还设有用于驱动所述轮轴转动的动量轮驱动机构。
[0006]进一步，所述动量轮驱动机构包括伺服电机，所述伺服电机的输出轴与所述轮轴之间设有传动机构。
[0007]进一步，所述传动机构包括相互啮合的涡轮和蜗杆，所述涡轮的转轴与所述伺服电机的输出轴之间传动连接，所述蜗杆套设在所述轮轴上并与所述轮轴同步转动。
[0008]进一步，所述轮轴的两端分别设有所述动量轮。
[0009]本专利技术还提出了一种弹跳机器人，包括机器人本体，所述机器人本体包括基座，所述基座上环形均布设有至少两个如上所述的动量轮组件，所述轮臂与所述基座固定连接。
[0010]进一步，所述基座上环形均布设有两个或三个所述的动量轮组件。
[0011]进一步，所述基座和用于执行动作的执行连杆。
[0012]本专利技术还提出了一种适用于如上所述弹跳机器人的姿态控制方法，包括如下步骤：
[0013]1)以所述弹跳机器人的质心以及所述弹跳机器人各关节的旋转角构建广义坐标；
[0014]2)计算弹跳机器人的总动能E
k
和总势能E
p
，得到拉格朗日函数：L＝E
k
‑
E
p
；
[0015]3)根据拉格朗日函数得到弹跳机器人的动力学方程：
[0016][0017]其中，τ
i
是广义力；q
i
是广义坐标；是广义速度；
[0018]将动力学方程改写为状态方程形式：
[0019][0020]其中，表示弹跳机器人的状态方程；
[0021]X为系统状态变量，且：即X(t)∈R
2n
，R
2n
表示2n维实向量空间；x
c0
,y
c0
,z
c0
分别表示弹跳机器人的质心坐标；表示质心速度；θ
j
表示弹跳机器人各关节的旋转角；表示弹跳机器人各关节的旋转角速度；j＝0,1,...,n
‑
3；
[0022]U是控制参数向量；且U(t)∈R
m
，R
m
表示m维实向量；m是驱动关节数，且m＜n；
[0023]t表示时间；
[0024]4)确定状态方程的初始条件和终端条件；当终端时刻固定时，自由终点的横截条件为：
[0025][0026]5)定义性能指标：
[0027][0028]其中，J是性能泛函；表示基座角速度，且为末值型性能指标，即对基座角速度的终端状态提出了要求，保证着陆时基座姿态尽可能为水平；t
f
表示终端时刻，且为积分型性能指标，反映弹跳机器人驱动能量的消耗；
[0029]6)确定控制作用的容许范围，并以各关节最大驱动力为控制约束τ
i
≤τ
im
，以极小值原理求解最优控制，其中，τ
im
表示第i个关节的驱动力上限值；
[0030]7)将求解得到的最优控制施加于用状态方程描述的弹跳机器人。
[0031]进一步，所述步骤2)中，弹跳机器人的总动能E
k
为：
[0032][0033]其中，E
ki
表示各连杆、动量轮的动能；u和v分别表示弹跳机器人中各关节的连杆和动量轮的数量，m
i
表示各连杆、动量轮的质量；I
i
表示各连杆、动量轮的转动惯量；v
i
是各连杆、动量轮的质心在惯性系下的线速度；且：
[0034][0035][0036]其中，v0表示基座(10)在惯性系下的线速度；ω0表示基座在惯性系下的角速度；r0是基座质心在惯性系下的位置矢量；r
i
是各连杆、动量轮的质心在惯性系下的位置矢量；k
k
是第k个关节旋转方向的单位矢量；p
k
是第k个旋转关节在惯性系下的位置矢量；表示第k个关节的角速度；ω
i
是各连杆、动量轮在惯性系下的角速度；且：
[0037][0038]其中，a
k
是关节k指向连杆k的质心的位置矢量；b
k
是连杆k的质心指向关节k+1的位置矢量。
[0039]进一步，所述步骤2)中，弹跳机器人的总势能E
p
为：
[0040][0041]其中，E
pi
表示各连杆、动量轮的势能；g＝[g
x
,g
y
,g
z
,0]表示重力的行矢量，是连杆i的质心在坐标系i中的齐次坐标表示，0T
i
是连杆i的固连坐标系相对于惯性坐标系的齐次变换矩阵。
[0042]本专利技术的有益效果在于：
[0043]本专利技术的弹跳机器人，通过伺服电机控制驱动反作用动量轮旋转，本质上形成对基座质心的角动量，动量轮产生的角动量与基座自身的角动量之间产生所需的交换，使得机器人基座在着陆之前的瞬间有合适的姿态和小的角速度，最终为机器人着陆的安全性和可靠性提供保障，具有计算量小、结构简单、便于安装等特点，所需相关参数可通过内置传感器或低成本外设传感器测得。
[0044]本专利技术的弹跳机器人的姿态控制方法，通过在弹跳机器人的基座上设置动量轮组件，使动量轮的旋转面位于铅垂面，即动量轮的旋转面均位于铅垂面，从而形成以扭矩为控制量以调整基座姿态；具体的，首先取广义坐标，计算系统动能、势能和拉格朗日函数，得到系统的动力学方程并整理为状态方程，确定初始条件和末端条件，以基座着陆时刻角速度和姿态控制总能量为性能泛函，根据关节电机最大驱动力确定控制容许范围，利用极小值原理求解优化问题，得到各关节所需的驱动控制力。
附图说明
[0045]为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种动量轮组件，其特征在于：包括轮臂(1)，所述轮臂(1)上设有与其转动配合的轮轴(2)，所述轮轴(2)上设有与其同步转动的动量轮(3)，所述轮臂(1)上还设有用于驱动所述轮轴(2)转动的动量轮驱动机构。2.根据权利要求1所述的动量轮组件，其特征在于：所述动量轮驱动机构包括伺服电机(4)，所述伺服电机(4)的输出轴与所述轮轴(2)之间设有传动机构。3.根据权利要求2所述的动量轮组件，其特征在于：所述传动机构包括相互啮合的涡轮(5)和蜗杆(6)，所述涡轮(5)的转轴(7)与所述伺服电机(4)的输出轴之间传动连接，所述蜗杆(6)套设在所述轮轴(2)上并与所述轮轴(2)同步转动。4.根据权利要求1
‑
3任一项所述的动量轮组件，其特征在于：所述轮轴(2)的两端分别设有所述动量轮(3)。5.一种弹跳机器人，包括机器人本体，所述机器人本体包括基座(10)，其特征在于：所述基座(10)上环形均布设有至少两个如权利要求1
‑
4任一项所述的动量轮组件，所述轮臂(1)与所述基座(10)固定连接。6.根据权利要求5所述的弹跳机器人，其特征在于：所述基座(10)上环形均布设有两个或三个所述的动量轮组件。7.根据权利要求5或6任一项所述的弹跳机器人，其特征在于：所述基座(10)上设有弹跳腿(11)和用于执行动作的执行连杆。8.一种适用于如权利要求5
‑
7任一项所述弹跳机器人的姿态控制方法，其特征在于：包括如下步骤：1)以所述弹跳机器人的质心以及所述弹跳机器人各关节的旋转角构建广义坐标；2)计算弹跳机器人的总动能E
k
和总势能E
p
，得到拉格朗日函数：L＝E
k
‑
E
p
；3)根据拉格朗日函数得到弹跳机器人的动力学方程：其中，τ
i
是广义力；q
i
是广义坐标；是广义速度；将动力学方程改写为状态方程形式：其中，表示弹跳机器人的状态方程；X为系统状态变量，且：即X(t)∈R
2n
，R
2n
表示2n维实向量空间；x
c0
,y
c0
,z
c0
分别表示弹跳机器人的质心坐标；表示质心速度；θ
j
表示弹跳机器人各关节的旋转角；表示弹跳机器人各关节的旋转角速度；j＝0,1,
…
,n
‑
3；U是控制参数；且U(t)∈R
...

【专利技术属性】
技术研发人员：宦红伦，柳玉甜，李昌刚，李君，
申请(专利权)人：浙江万里学院，
类型：发明
国别省市：