CN105607632A - 一种3d欠驱动双足机器人跳跃运动的驱动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种3D欠驱动双足机器人跳跃运动的驱动控制方法，针对3D双足欠驱动双足机器人的跳跃驱动控制问题，提出了新的驱动控制模型，通过从控制理论与算法上进行改进,有效地实现了3D双足机器人的跳跃运动。本发明能够让双足机器人系统在没有柔性部件的情况下实现跳跃运动，大大简化了跳跃机器人的机械结构系统设计，具有很强的理论指导与应用价值。

Description

一种3D欠驱动双足机器人跳跃运动的驱动控制方法

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种欠驱动双足机器人跳跃运动的驱动控制方法。

背景技术

双足机器人是一种模仿人类结构特征的机器人，它的最终目标是实现与人类相似的运动行为，而行走运动与跳跃运动是人类最重要的两种运动形式。目前，国内外已经成功研发出了许多能够实现行走运动的双足机器人，如美国波士顿动力公司的ATLAS与Petman、日本AIST的HRP、日本本田公司的ASIMO、韩国AKIST的KHR、欧洲开源机器人iCub、我国哈尔滨工业大学的HIT与GoRoBoT、国防科技大学的KDW、北京理工大学的BHR、清华大学的THBIP等。尽管这些双足机器人都能实现稳定的行走运动，但目前还很少有双足机器人能够实现跳跃运动。相比进行行走运动的双足机器人，进行跳跃运动的双足机器人不仅需要更复杂的机械系统设计，其驱动控制技术也更复杂，特别是欠驱动双足机器人的驱动控制技术。

目前，为了实现欠驱动双足机器人的跳跃运动，大家主要采用以“Modeling,motionplanning,andcontrolofone-leggedhoppingrobotactuatedbytwoarms”为代表的一类文章所提出的弹性伸缩腿驱动控制模型，即机器人拥有可伸缩的弹簧腿，上面装有直线弹簧，当机器人与地面接触后，可伸缩弹簧腿上的直线弹簧释放能量，从而给机器人提供跳跃的动力。

基于弹性伸缩腿驱动控制模型的机器人虽然能够实现跳跃运动，但由于引入了弹射系统，机器人的机械系统设计变得很复杂，并且，在该驱动控制技术里，弹簧的伸缩控制需要与机器人的步态在整个跳跃运动过程中保持节奏协调一致，比如，当机器人落地时，弹簧要压缩到最短并恰好被释放，这就要求机器人系统的弹簧伸缩控制技术具有很高的协同控制精度，从而提高了机器人系统的控制难度。此外，跳跃机器人可伸缩腿的作用机制与人体跳跃的作用机制存在很大的差异性，因为人类的腿是不会发生长度伸缩变化的，因此这种跳跃机器人难以体现仿人的特点。

发明内容

为了克服上述问题，避免复杂的机械系统设计并简化控制过程，本发明希望从控制理论与算法上进行改进，提供一种3D欠驱动双足机器人跳跃运动的驱动控制方法，该方法直接通过力矩驱动机器人，无需机器人系统专门设计有弹射系统，可以实现机器人的稳定跳跃运动，并可适用于双足机器人跑步运动的跳跃过程。

本发明的技术目的通过以下技术方案实现：

一种3D欠驱动双足机器人跳跃运动的驱动控制方法，包含以下步骤：

步骤一：建立3D欠驱动双足机器人跳跃运动过程的动力学模型，即

$D\stackrel{\·\·}{q}+C\stackrel{\·}{q}+G=Bu$

其中D为惯性质量矩阵，C为离心力与科氏力向量，G为重力向量，B为常数矩阵，u＝[u₃,u₄,u₅,u₆,u₇,u₈]′为关节驱动力矩，向量q＝[θ,q₂,q₃,q₄,q₅,q₆,q₇,q₈]′为机器人关节坐标，其中，机器人运动状态参数θ＝(-q₁-0.5*q₃)。通过观察人类的跳跃实验，我们发现人类跳跃的力量主要来自于踝关节、膝关节以及髋关节的快速伸张。受此启发，我们将欠驱动双足机器人膝关节以及髋关节驱动力矩的控制模型确定为

$\left\{\begin{array}{c}{u}_3=-k_3(q_3-q_{3res})\\ u_4=-k_4(q_4-q_{4res})\end{array}\right.$

其中u₃为支撑腿膝关节驱动力矩，k₃为支撑腿膝关节驱动力矩比例系数，q₃为支撑腿膝关节角度，q_3res为支撑腿膝关节驱动力矩为0时q₃的角度位置；而其中u₄为支撑腿髋关节驱动力矩，k₄为支撑腿髋关节驱动力矩比例系数，q₄为支撑腿膝髋关节关节角度，q_4res为支撑腿髋关节驱动力矩为0时q₄的角度位置。

步骤二：确定关节坐标q＝[θ,q₂,q₃,q₄,q₅,q₆,q₇,q₈]′的初始位姿以及关节驱动力矩模型的比例系数k₃、k₄，以及平衡位置q_3res、q_4res，其中k₃、k₄的确定与关节坐标初始位姿有关；特别的，初始位姿角度q₃、q₄应该让机器人保持膝盖下蹲并且身体前倾的姿态，从而为机器人重心的上升提供潜在的运动空间。

步骤三：对3D欠驱动双足机器人的主动关节q_a＝[q₅,q₆,q₇,q₈]′进行步态规划，将主动关节坐标q_a＝[q₅,q₆,q₇,q₈]′表示机器人状态参数θ的多项式函数，其中，各多项式参数的确定是通过一个非线性约束优化过程。具体的，该非线性约束优化过程，以能量耗散作为目标函数，以物理可实现条件以及人体运动约束条件作为约束函数；

步骤四：基于所规划的步态以及动力学方程，利用数值算法计算出关节力矩u＝[u₃,u₄,u₅,u₆,u₇,u₈]′随时间变化的值，从而利用求出的关节力矩对机器人实施控制，实现3D欠驱动双足机器人的跳跃运动。

进一步的，步骤三中所述物理可实现条件包括摩擦约束条件、机器人摆动腿脚尖始终处于地面地面上方，并且地面对机器人支撑腿在竖直方向的反作用力作用方向竖直向上；

进一步的，步骤三所述中人体运动约束条件包括膝关节角度约束、人体胯部的角度约束(胯部角度用q₄-q₇来表示)以及身体侧摆的角度约束(侧摆角度用q₅-q₆来表示)。

最后，为了抑制一些随机因素对控制系统稳定性的影响，采用上述控制方法的控制系统加入PD反馈控制，形成闭环控制系统。

本发明的有益效果在于：本发明避免了跳跃机器人复杂的机械系统设计并简化了控制过程，通过从控制理论与算法上进行改进，提供了一种3D欠驱动双足机器人跳跃运动的驱动控制方法，该方法直接通过力矩驱动机器人，无需机器人系统专门设计有弹射系统，可以实现机器人的稳定跳跃运动，并可适用于双足机器人跑步运动的跳跃过程。

附图说明

图1是3D欠驱动双足机器人的模型示意图；

图2是本发明的3D欠驱动双足机器人跳跃运动驱动控制方法的流程图；

图3表示采用本发明驱动控制方法的3D欠驱动双足机器人一个实施例中跳跃运动过程中各关节的步态；

图4表示采用本发明驱动控制方法的3D欠驱动双足机器人一个实施例中跳跃运动过程中地面竖直方向的反作用力；

图5表示采用本发明驱动控制方法的3D欠驱动双足机器人一个实施例中跳跃运动的仿真结果图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，机器人为五杆欠驱动双足机器人，并假设杆件的质量集中于质心。该机器人垂直纸面向外行走，图上右边为机器人左腿，同时也是跳跃运动的支撑腿。该机器人具有9个独立自由度，其中q₀为机器人支撑腿的偏航角，决定机器人的前进方向，q₁,q₂为机器人支撑腿踝关节角度，q₃为机器人支撑腿膝关节角度，q₄,q₅为支撑腿髋关节角度，q₆,q₇为摆动腿髋关节角度，q₈为摆动腿膝关节角度。其中，我们假设由于地面的摩擦抑制了机器人绕脚尖的转动，从而q₀一直保持不变，因此该机器人的动力学模型可由八个独立的自由度表示，即q₁,q₂,q₃,q₄,q₅,q₆,q₇,q₈。其中自由度q₃,q₄,q₅,q₆,q₇,q₈由力矩直接驱动，为主动关节，而q₁,q₂为欠驱动关节。

本发明欠驱动双足机器人快速行走的控制方法的流程图如图2所示，主要包括如下步骤：

步骤一：建立3D欠驱动双足机器人跳跃运动过程的动力学模型。首先，利用D-H参数法建立双足机器人的空间坐标系，然后利用拉格朗日动力学方法建立动力学模型，即

$D\stackrel{\·\·}{q}+C\stackrel{\·}{q}+G=Bu$

其中D为惯性质量矩阵，C为离心力与科氏力向量，G为重力向量，B为常数矩阵，u＝[u₃,u₄,u₅,u₆,u₇,u₈]′为关节驱动力矩，向量q＝[θ,q₂,q₃,q₄,q₅,q₆,q₇,q₈]′为机器人关节坐标，其中，机器人运动状态参数θ＝(-q₁-0.5*q₃)。为了避免引入弹射系统，并能够实现机器人的跳跃运动，我们将欠驱动双足机器人膝关节以及髋关节驱动力矩的控制模型确定为

$\left\{\begin{array}{c}{u}_3=-k_3(q_3-q_{3res})\\ u_4=-k_4(q_4-q_{4res})\end{array}\right.$

其中u₃为支撑腿膝关节驱动力矩，k₃为膝关节驱动力矩比例系数，q₃为支撑腿膝关节角度，q_3res为支撑腿膝关节驱动力矩为0时q₃的角度位置；而其中u₄为支撑腿髋关节驱动力矩，k₄为支撑腿髋关节驱动力矩比例系数，q₄为支撑腿膝髋关节关节角度，q_4res为支撑腿髋关节驱动力矩为0时q₄的角度位置。

步骤二：确定关节坐标q＝[θ,q₂,q₃,q₄,q₅,q₆,q₇,q₈]′的初始位姿以及关节驱动力矩模型的比例系数k₃、k₄，以及平衡位置q_3res、q_4res，其中k₃、k₄的确定与关节坐标初始位姿有关；特别的，初始位姿角度q₃、q₄应该让机器人保持膝盖下蹲并且身体前倾的姿态，从而为机器人重心的上升提供潜在的运动空间。

步骤三：对3D欠驱动双足机器人的主动关节q_a＝[q₅,q₆,q₇,q₈]′进行步态规划，将主动关节坐标q_a＝[q₅,q₆,q₇,q₈]′表示机器人状态参数θ的多项式函数，其中，各多项式参数的确定是通过一个非线性约束优化过程。具体的，该非线性约束优化过程，以能量耗散作为目标函数，以物理可实现条件以及人体运动约束条件作为约束函数，其中物理可实现条件包括摩擦约束条件、机器人摆动腿脚尖始终处于地面地面上方，并且地面对机器人支撑腿在竖直方向的反作用作用方向竖直向上，而人体运动约束条件包括膝关节角度约束、人体胯部的角度约束(胯部角度用q₄-q₇来表示)以及身体侧摆的角度约束(侧摆角度用q₅-q₆来表示)，至此，本步骤完成了机器人的步态规划。

步骤四：基于所规划的步态以及动力学方程，利用数值算法计算出关节力矩u＝[u₃,u₄,u₅,u₆,u₇,u₈]′随时间变化的值，从而利用求出的关节力矩对机器人实施控制，实现3D欠驱动双足机器人的跳跃运动。最后，为了抑制一些随机因素对控制系统稳定性的影响，控制系统需要再加入PD反馈控制，形成闭环控制系统。

机器人实现成功跳跃的标志是机器人支撑腿与地面在竖直方向的作用力为0，即机器人已经跳离地面。为了验证本发明的有效性，我们利用仿真方法进行了仿真验证，图3表示3D欠驱动双足机器人跳跃运动过程中各关节的步态；图4表示跳跃过程中地面竖直方向的反作用力，从图4可以看出，在跳跃过程末尾，机器人与地面的反作用力为0，即机器人实现了成功跳跃；而图5是3D欠驱动双足机器人跳跃运动的步态仿真图，展示了机器人的整个跳跃过程，从而明显的证明了本发明的有效性。

上述实施例仅仅是本发明技术构思实现形式的列举，本发明的保护范围不仅限于上述实施例，本发明的保护范围可延伸至本领域技术人员根据本发明的技术构思所能想到的等同技术手段。

Claims (4)

1.一种3D欠驱动双足机器人跳跃运动的驱动控制方法，应用于3D欠驱动双足机器人，其特征在于：直接采用力矩对机器人的支撑腿髋关节、支撑腿膝关节以及摆动腿髋关节、摆动腿膝关节进行驱动控制；通过支撑腿膝关节以及支撑腿髋关节的迅速伸张，使得机器人的重心迅速上升，从而获得起跳的速度，所述支撑腿膝关节以及髋关节驱动力矩的数学模型为

$\left\{\begin{array}{c}{u}_3=-k_3(q_3-q_{3res})\\ u_4=-k_4(q_4-q_{4res})\end{array}\right.$

其中，u₃为支撑腿膝关节驱动力矩，k₃为支撑腿膝关节驱动力矩比例系数，q₃为支撑腿膝关节角度，q_3res为支撑腿膝关节驱动力矩为0时q₃的角度位置；u₄为支撑腿髋关节驱动力矩，k₄为支撑腿髋关节驱动力矩比例系数，q₄为支撑腿膝髋关节关节角度，q_4res为支撑腿髋关节驱动力矩为0时q₄的角度位置。

2.如权利要求1所述的3D欠驱动双足机器人跳跃运动的驱动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：建立3D欠驱动双足机器人跳跃运动过程的动力学模型，即

$D\stackrel{\·\·}{q}+C\stackrel{\·}{q}+G=Bu$

其中D为惯性质量矩阵，C为离心力与科氏力向量，G为重力向量，B为常数矩阵，u＝[u₃,u₄,u₅,u₆,u₇,u₈]′为关节驱动力矩，向量q＝[θ,q₂,q₃,q₄,q₅,q₆,q₇,q₈]′为机器人关节坐标，其中，机器人运动状态参数θ＝(-q₁-0.5*q₃)；

双足机器人膝关节以及髋关节驱动力矩的控制模型确定为

$\left\{\begin{array}{c}{u}_3=-k_3(q_3-q_{3res})\\ u_4=-k_4(q_4-q_{4res})\end{array}\right.$

其中，u₃为支撑腿膝关节驱动力矩，k₃为支撑腿膝关节驱动力矩比例系数，q₃为支撑腿膝关节角度，q_3res为支撑腿膝关节驱动力矩为0时q₃的角度位置；u₄为支撑腿髋关节驱动力矩，k₄为支撑腿髋关节驱动力矩比例系数，q₄为支撑腿膝髋关节关节角度，q_4res为支撑腿髋关节驱动力矩为0时q₄的角度位置。

步骤二：确定关节坐标q＝[θ,q₂,q₃,q₄,q₅,q₆,q₇,q₈]′的初始位姿以及关节驱动力矩模型的比例系数k₃、k₄，以及平衡位置q_3res、q_4res，其中k₃、k₄的确定与关节坐标初始位姿有关；特别的，初始位姿角度q₃、q₄应该让机器人保持膝盖下蹲并且身体前倾的姿态，从而为机器人重心的上升提供潜在的运动空间；

步骤三：对3D欠驱动双足机器人的主动关节q_a＝[q₅,q₆,q₇,q₈]′进行步态规划，将主动关节坐标q_a＝[q₅,q₆,q₇,q₈]′表示为机器人状态参数θ的多项式函数，其中，各多项式参数通过一个非线性约束优化过程确定；具体的，所述非线性约束优化过程，以能量耗散作为目标函数，以物理可实现条件以及人体运动约束条件作为约束函数；

步骤四：基于所规划的步态以及动力学方程，利用数值算法计算出关节力矩u＝[u₃,u₄,u₅,u₆,u₇,u₈]′随时间变化的值，从而利用求出的关节力矩对机器人实施控制，实现3D欠驱动双足机器人的跳跃运动。

3.如权利要求2所述的3D欠驱动双足机器人跳跃运动的驱动控制方法，其特征在于：步骤三中，所述物理可实现条件包括摩擦约束条件、机器人摆动腿脚尖始终处于地面地面上方，并且地面对机器人支撑腿在竖直方向的反作用力作用方向竖直向上。

4.如权利要求2所述的3D欠驱动双足机器人跳跃运动的驱动控制方法，其特征在于：步骤三中，所述人体运动约束条件包括膝关节角度约束、人体胯部的角度约束以及身体侧摆的角度约束；其中，胯部角度用q₄-q₇表示，侧摆角度用q₅-q₆表示。