【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于四轮足机器人领域，尤其涉及一种四轮足机器人的轨迹优化与运动生成方法、控制器及系统。
技术介绍
1、本部分的陈述仅仅是提供了与本专利技术相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。
2、当人类和动物进行复杂的运动行为时，涉及到脚与环境接触之间的快速交互。现有的混合运动方法建立在手工制作的启发式在线步态生成，以决定何时踩步和何时驱动(滚动)。大多数为腿足机器人所设计的步态模式或运动原语的灵感来自大自然，但不能从生物有机体观察轮腿式机器人。同时，这种手工制作的运动模式不能适应粗糙的地形，并且对无法感知的障碍物缺乏鲁棒性。
3、在接近物理极限或克服具有挑战性的障碍物时，轮足机器人全身协调运动是必要的，需要预先规划好接下来的运动。然而设计高维轨迹，例如包含地面反作用力的全身轨迹，通常是非常困难的。在大多数情况下，由于约束的复杂性，手工设计几乎是不可行的。现有技术中提供了一种四足轮腿机器人的轨迹两步规划技术，其仅仅只是针对轮子构建目标函数进行轨迹优化，但是并不能实现在任务时间范围内解决运动规划问题，即同时优化由全身轨迹、步态序列和时间组成的高维变量空间，在兼顾运动平滑性与稳定性的同时，生成多模式多步态运动。
技术实现思路
1、为了解决上述
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中存在的技术问题，本专利技术提供一种四轮足机器人的轨迹优化与运动生成方法、控制器及系统，其基于非线性优化与轮足逆运动学，生成满足复合约束的动作轨迹，可以产生使机器人在特定任务的时间范围内接近全身协调的轮足机器人复杂混合
2、为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
3、本专利技术的第一个方面提供一种四轮足机器人的轨迹优化与运动生成方法。
4、一种四轮足机器人的轨迹优化与运动生成方法，其包括：
5、基于四轮足机器人的运动动力学模型，构建轨迹优化目标函数，在满足四轮足机器人设定约束条件下，求解出四轮足机器人在运动周期内的全身最优轨迹；其中，所述轨迹优化目标函数为状态矢量误差相关函数，状态矢量误差为躯干坐标系的质心的线速度与包含轮地接触点在世界坐标系下的速度之差；
6、基于四轮足机器人在运动周期内的全身最优轨迹，引入一个虚拟关节角度，通过旋转变换使得世界坐标系始终与接触坐标系对齐，构建出包含轮地接触点的单轮腿运动学模型；
7、对所述包含轮地接触点的单轮腿运动学模型逆运动学解算，得到轮腿及身体的位置信息，再结合期望足端接触力，对四轮足机器人进行运动控制。
8、作为一种实施方式，所述包含轮地接触点的单轮腿运动学模型表征轮速ω和末端执行器速度ve之间的关系，其表达式为：
9、
10、其中，j(q)∈r3×3为腿部雅可比矩阵；q＝[q1,q2,q3]表示腿部关节角度向量；q1,q2,q3分别表示腿部第一关节角度、腿部第二关节角度和腿部第三关节角度；表示腿部关节角度向量对时间求导数；r4为轮地接触点相对轮子中心的距离；为轮子中心坐标系相对于躯干坐标系的旋转矩阵。
11、作为一种实施方式，所述轨迹优化目标函数的表达式f(y(t))为：
12、
13、其中，y(t)为优化变量，其包括四轮足机器人在运动周期为tto上的全身轨迹；xtorso(t)∈r12包含了躯干在世界坐标系中的欧拉角中的航向θ∈r3和质心位置p∈r3，在躯干坐标系中质心的角速度ω∈r3与线速度v∈r3，xleg,i(t)包含了轮地接触点在世界坐标系下的位置速度和接触力q是半正定的hessian矩阵，状态矢量误差nx＝[1,0,0]t为x方向选择向量，λc∈(0,1)为末端接触状态；上标t表示向量的转置。
14、作为一种实施方式，四轮足机器人设定约束条件包括：初始与结束状态约束、运动学约束、动力学约束及轮地接触约束。
15、作为一种实施方式，所述运动学约束由允许的关节角度范围确定，并确保前后轮之间无干涉；
16、
17、其中，ki表示预先定义的末端执行器的工作空间，r表示轮子的半径。
18、作为一种实施方式，所述动力学约束采用单刚体动力学模型表征：
19、
20、其中，表示躯干在世界坐标系中的欧拉角中的航向角速度；表示躯干在世界坐标系中的质心速度；表示在躯干坐标系中质心的角加速度；表示在躯干坐标系中质心的线加速度；表示旋转矩阵，其将向量的分量从躯干坐标系b映射到世界坐标系w；t(θ)是变换矩阵将躯干的角速度映射为世界坐标系下的欧拉角速度；iw是躯干的惯性张量；m是机器人总的质量；g(θ)是躯干坐标系下的重力加速度。
21、作为一种实施方式，所述轮地接触约束包括：
22、
23、(xnormal×n)·n＝0
24、
25、其中，是高程图hterrain(x,y)在世界坐标系w中的局部表面法线；摩擦锥约束限制地面反作用力停留在由摩擦系数μc定义的库仑摩擦锥c(n,μc)内，躯干方向xnormal近似为轮子滚动方向。
26、作为一种实施方式，所述初始与结束状态约束预先人为设定。
27、本专利技术的第二个方面提供一种控制器。
28、一种控制器，其包括：
29、全身最优轨迹求解模块，其用于基于四轮足机器人的运动动力学模型，构建轨迹优化目标函数，在满足四轮足机器人设定约束条件下，求解出四轮足机器人在运动周期内的全身最优轨迹；其中，所述轨迹优化目标函数为状态矢量误差相关函数，状态矢量误差为躯干坐标系的质心的线速度与包含轮地接触点在世界坐标系下的速度之差；
30、运动学模型构建模块，其用于基于四轮足机器人在运动周期内的全身最优轨迹，引入一个虚拟关节角度，通过旋转变换使得世界坐标系始终与接触坐标系对齐，构建出包含轮地接触点的单轮腿运动学模型；
31、逆运动学解算与控制模块，其用于对所述包含轮地接触点的单轮腿运动学模型逆运动学解算，得到轮腿及身体的位置信息，再结合期望足端接触力，对四轮足机器人进行运动控制。
32、本专利技术的第三个方面提供一种四轮足机器人系统。
33、一种四轮足机器人系统，其包括四轮足机器人及控制器，所述控制器用于控制所述四轮足机器人运动。
34、与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
35、本专利技术提供了一种四轮足机器人的轨迹优化与运动生成方法，基于四轮足机器人在运动周期内的全身最优轨迹及包含轮地接触点的单轮腿运动学模型，再结合逆运动学解算，产生使机器人在特定任务的时间范围内接近全身协调的轮足机器人复杂混合运动，实现了四轮足机器人的多模式多步态运动，同时也便于研究者手动设计各种动作并制作轮足机器人数据集，为轮足机器人未来在导航和移动方面的研究提供了方向。
36、本专利技术附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。
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1.一种四轮足机器人的轨迹优化与运动生成方法，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的四轮足机器人的轨迹优化与运动生成方法，其特征在于，所述包含轮地接触点的单轮腿运动学模型表征轮速ω和末端执行器速度vE之间的关系，其表达式为：
3.如权利要求1所述的四轮足机器人的轨迹优化与运动生成方法，其特征在于，所述轨迹优化目标函数的表达式f(y(t))为：
4.如权利要求3所述的四轮足机器人的轨迹优化与运动生成方法，其特征在于，四轮足机器人设定约束条件包括：初始与结束状态约束、运动学约束、动力学约束及轮地接触约束。
5.如权利要求4所述的四轮足机器人的轨迹优化与运动生成方法，其特征在于，所述运动学约束由允许的关节角度范围确定，并确保前后轮之间无干涉；
6.如权利要求4所述的四轮足机器人的轨迹优化与运动生成方法，其特征在于，所述动力学约束采用单刚体动力学模型表征：
7.如权利要求4所述的四轮足机器人的轨迹优化与运动生成方法，其特征在于，所述轮地接触约束包括：
8.如权利要求4所述的四轮足机器人的轨迹优化与运动
9.一种控制器，其特征在于，包括：
10.一种四轮足机器人系统，其特征在于，包括四轮足机器人及如权利要求9所述的控制器，所述控制器用于控制所述四轮足机器人运动。
...【技术特征摘要】
1.一种四轮足机器人的轨迹优化与运动生成方法，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的四轮足机器人的轨迹优化与运动生成方法，其特征在于，所述包含轮地接触点的单轮腿运动学模型表征轮速ω和末端执行器速度ve之间的关系，其表达式为：
3.如权利要求1所述的四轮足机器人的轨迹优化与运动生成方法，其特征在于，所述轨迹优化目标函数的表达式f(y(t))为：
4.如权利要求3所述的四轮足机器人的轨迹优化与运动生成方法，其特征在于，四轮足机器人设定约束条件包括：初始与结束状态约束、运动学约束、动力学约束及轮地接触约束。
5.如权利要求4所述的四轮足机器人的轨迹优化与运动生成方法，...
【专利技术属性】
技术研发人员：李贻斌，侯晋冕，柴汇，宋锐，朱传乐，王明辉，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：
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