一种双足机器人混杂动力学建模和运动规划方法技术

本发明专利技术属于机器人智能控制技术领域，涉及一种双足机器人混杂动力学建模和运动规划方法，具体包括：步骤1，初始化双足机器人，建立描述双足机器人运动的坐标系统，建立双足机器人运动学模型；步骤2，设定双足机器人的关节角运动学约束；步骤3，分析双足机器人的广义动力学模型；步骤4，构建双足机器人的混杂动力学模型；步骤5，设计双足机器人基于混杂动力学模型的运动规划方法，设计优化的目标以及线性和非线性约束，对运动规划问题进行描述并通过非线性优化方法求解，获得双足机器人的运动轨迹。本发明专利技术在双足机器人的运动规划和控制方面具有较强的应用价值。有较强的应用价值。有较强的应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种双足机器人混杂动力学建模和运动规划方法


[0001]本专利技术属于机器人智能控制
，涉及一种双足机器人混杂动力学建模和运动规划方法。

技术介绍

[0002]双足行走是人类以及鸟类等动物在世界上的主要行走方式，能够适应复杂多变的地面场景，具有非常大的灵活度。虽然目前双足机器人经历了飞速的发展，例如波士顿动力、Cassie等，双足机器人的研究及成果仍然局限于少数几个机构当中。作为世界最顶级的公司波士顿动力的双足研究成果向来不公开自己的研究成果，因而针对双足机器人的研究仍然具备非常重要的意义。双足机器人的研究成果主要目标在于保持自身的稳定，而其中涉及建模、规划和控制等非常复杂。双足机器人动力学建模主要有以下难点：1)双足机器人的多系统耦合特性，双足机器人至少有两条腿跟驱干组成，自由度高，多系统耦合，建模难度大；2)双足机器人是浮动基座动力学模型，整体运动通过腿部与地面作用力实现，而双足与地面的作用力复杂难以精确描述；3)双足机器人在行走过程中，包含多个相位，彼此间不连续，因而是一个混杂模型。
[0003]双足机器人全身动力学规划挑战多：1)双足机器人动力学维度高，运动规划复杂度大；2)双足机器人运动规划的代价函数选取难度大；3)全身动力学规划的约束复杂，包含自身的运动限制、地面摩擦副、ZMP等稳定性约束。
[0004]因此，双足机器人动力学建模与非线性动力学规划仍面临诸多难点。

技术实现思路

[0005]为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本专利技术主要从双足机器人多系统耦合及全身规划的角度展开研究，提出了一种双足机器人混杂动力学建模和运动规划方法，其具体技术方案如下：
[0006]一种双足机器人混杂动力学建模和运动规划方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1，初始化双足机器人，建立描述双足机器人运动的坐标系统，采用双足机器人各运动轴的齐次矩阵及雅阁比矩阵建立双足机器人运动学模型；
[0008]步骤2，通过约束各驱动关节的工作范围和各驱动关节的速度范围来设定双足机器人的关节角运动学约束；
[0009]步骤3，运用双足机器人的势能方程、动能方程以及动力学广义表达来分析双足机器人的广义动力学模型；
[0010]步骤4，使用单腿支撑、双腿支撑的约束方程构建双足机器人的混杂动力学模型；
[0011]步骤5，设计双足机器人基于混杂动力学模型的运动规划方法，设计优化的目标以及线性和非线性约束，对运动规划问题进行描述并通过非线性优化方法求解，获得双足机器人的运动轨迹。
[0012]进一步的，所述建立描述双足机器人运动的坐标系统，具体包括：
[0013]世界坐标系o
W
‑
x
W
y
W
z
W
，描述机器人身体姿态的基座坐标系，该坐标系附在机器人中心o
B
‑
x
B
y
B
z
B
，以及左右腿足各旋转关节的中心建立坐标系o
L1
‑
x
L1
y
L1
z
L1
,o
R1
‑
x
R1
y
R1
z
R1
,根据上述坐标系统的定义，建立如下状态坐标变量：
[0014]q＝[q
x
,q
y
,q
z
,q
roll
,q
pitch
,q
yaw
[0015],q
L1
,q
L2
,q
L3
,q
L4
,q
L5
,q
L6
,q
R1
,q
R2
,q
R3
,q
R4
,q
R5
,q
R6
]，
[0016]其中，q
x
,q
y
,q
z
表示双足机器人身体在世界坐标系的位置，q
roll
,q
pitch
,q
yaw
依次对应为α,β,γ，分别表示翻滚角，俯仰角，偏航角。
[0017]进一步的，所述双足机器人各运动轴的齐次矩阵，具体包括：
[0018]针对双足机器人的基座B或者躯干W建立描述机器人运动学规律的齐次方程：
[0019][0020]c表示cos,s表示sin；
[0021]并相应建立双腿的运动学描述，即双腿的齐次方程描述；
[0022]所述雅阁比矩阵，具体包括：
[0023]刚体的点0p＝[x
p
,y
p
,z
p
]T
在世界坐标系的表达：
[0024][0025]该点的雅各比矩阵：
[0026][0027]每个刚体的旋转角速度：
[0028][0029]为此，刚体雅阁比矩阵可以表示为：
[0030][0031]进一步的，所述各驱动关节的工作范围，各驱动关节的速度范围，具体包括：
[0032]左腿各关节运动约束：
[0033]q
Limin
≤q
Li
≤q
Limax
,i＝1,2,3
…
,6
[0034]右腿各关节运动约束：
[0035]q
Rimin
≤q
Ri
≤q
Rimax
,i＝1,2,3
…
,6
[0036]左腿各关节速度约束
[0037][0038]右腿各关节速度约束
[0039][0040]其中i＝1,2,3...,6表示机器人身体的6自由度位姿。
[0041]进一步的，所述双足机器人的势能方程、动能方程以及动力学广义表达，具体包括：
[0042]利用拉格朗日动力学方法得到动力学方程：
[0043][0044]其中，M
i
表示第i个刚体的质量矩阵，I
i
表示第i个刚体的转动惯量，n表示刚体总数；
[0045]势能方程：
[0046][0047]其中，m
i
表示刚体质量，g表示重力加速度常量，p
z
表示刚体质心高度；
[0048]因此，双足机器人动力学方程可以写成如下拉格朗日形式：
[0049][0050]其中，u表示各驱动关节输入力矩，B表示输入矩阵，λ表示广义外部作用力，J表示外部作用力作用点的雅阁比；
[0051]进而可以得到质量矩阵，科里奥利力矩阵以及重力矩阵，进而得到如下形式的动力学模型：
[0052][0053]其中，M表示广义质量矩阵，C表示科式矩阵，G表示重力矩阵本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双足机器人混杂动力学建模和运动规划方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，初始化双足机器人，建立描述双足机器人运动的坐标系统，采用双足机器人各运动轴的齐次矩阵及雅阁比矩阵建立双足机器人运动学模型；步骤2，通过约束各驱动关节的工作范围和各驱动关节的速度范围来设定双足机器人的关节角运动学约束；步骤3，运用双足机器人的势能方程、动能方程以及动力学广义表达来分析双足机器人的广义动力学模型；步骤4，使用单腿支撑、双腿支撑的约束方程构建双足机器人的混杂动力学模型；步骤5，设计双足机器人基于混杂动力学模型的运动规划方法，设计优化的目标以及线性和非线性约束，对运动规划问题进行描述并通过非线性优化方法求解，获得双足机器人的运动轨迹。2.如权利要求1所述的一种双足机器人混杂动力学建模和运动规划方法，其特征在于，所述建立描述双足机器人运动的坐标系统，具体包括：世界坐标系o
W
‑
x
W
y
W
z
W
，描述机器人身体姿态的基座坐标系，该坐标系附在机器人中心o
B
‑
x
B
y
B
z
B
，以及左右腿足各旋转关节的中心建立坐标系o
L1
‑
x
L1
y
L1
z
L1
,o
R1
‑
x
R1
y
R1
z
R1
,根据上述坐标系统的定义，建立如下状态坐标变量：q＝[q
x
,q
y
,q
z
,q
roll
,q
pitch
,q
yaw
,q
L1
,q
L2
,q
L3
,q
L4
,q
L5
,q
L6
,q
R1
,q
R2
,q
R3
,q
R4
,q
R5
,q
R6
]，其中，q
x
,q
y
,q
z
表示双足机器人身体在世界坐标系的位置，q
roll
,q
pitch
,q
yaw
依次对应为α,β,γ，分别表示翻滚角，俯仰角，偏航角。3.如权利要求2所述的一种双足机器人混杂动力学建模和运动规划方法，其特征在于，所述双足机器人各运动轴的齐次矩阵，具体包括：针对双足机器人的基座B或者躯干W建立描述机器人运动学规律的齐次方程：c表示cos,s表示sin；并相应建立双腿的运动学描述，即双腿的齐次方程描述；所述雅阁比矩阵，具体包括：刚体的点0p＝[x
p
,y
p
,z
p
]
T
在世界坐标系的表达：该点的雅各比矩阵：每个刚体的旋转角速度：
为此，刚体雅阁比矩阵可以表示为：4.如权利要求3所述的一种双足机器人混杂动力学建模和运动规划...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖建峰，宋夙冕，袁海辉，宋伟，顾建军，朱世强，
申请(专利权)人：之江实验室，
类型：发明
国别省市：