CN107562968A - 一种足式机器人动力学建模的混合计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种足式机器人动力学建模的混合计算方法，通过预先存储的足式机器人的基本物理参数，对足式机器人各个关节的角度和角速度进行采样，获得采样反馈的采样数值；根据采样数值计算出坐标旋转的转移矩阵；根据基本物理参数，根据拉格朗日方法中对惯性矩阵的计算方法，对每个连杆的惯性矩阵进行推导，通过矩阵求和的方式获得足式机器人的惯性矩阵；根据采样数值、基本物理参数，在牛顿欧拉方法的基础上进行改进，通过迭代计算，获得足式机器人的离心力、科里奥利力和重力的相关向量，以完成足式机器人的动力学建模，综合拉格朗日方法和牛顿欧拉方法各自的计算优点并在不同阶段加以修改，提高动力学建模计算效率。

Description

一种足式机器人动力学建模的混合计算方法

技术领域

本发明涉及足式机器人动力学建模计算领域，具体涉及一种足式机器人动力学建模的混合计算方法。

背景技术

自从机器人诞生以来，人类的生活、工作方式发生了巨大的变化，机器人在各种场合辅助人类完成复杂的、重复的工作。近年来，国内外掀起了研究仿人机器人的热潮，其研究内容主要包括稳定行走、灵巧作业、人机交互等方面。其中机器人在运动过程中能否稳定的行走取决于其机器人动力学建模方法的是否高效和便于分析。

目前，常用的机器人动力学建模方法主要分为两种，即拉格朗日法和牛顿欧拉法。其中，拉格朗日法是应用系统的动能和势能，通过构建拉格朗日函数并结合虚位移的方法建立动力学模型，由于所构建的动力学模型具有清晰的数学表达式，所以非常便于对整个系统的动力学分析，然而当系统的结构变得十分复杂时，其构建的动力学模型表达式中的各个矩阵变得非常复杂，从而计算效率很低；而牛顿欧拉法则是以牛顿第二定律和转矩对于角动量的作用为基础，通过迭代计算的方法来构建动力学模型，对于复杂的机器人系统而言，虽然采用了迭代的计算方法，使得计算效率大大提高，但是由于得到的模型形式不够清晰，致使此方法不适合于进行动力学的相关分析。

随着近些年人们对机器人控制理论的不断创新和探索，寻求一种既适合于动力学分析又拥有高效率计算的动力学建模方法已经迫在眉睫并具有较高的应用价值与推广意义。

发明内容

本发明针对现有足式机器人的动力学建模方法的处理效率低，计算复杂等问题，提供了一种足式机器人动力学建模的混合计算方法。

一方面，本发明提供一种足式机器人动力学建模的混合计算方法，

足式机器人的动力学模型的数学形式如下：

D(q)为惯性矩阵，为足式机器人的离心力、科里奥利力和重力的相关向量；

混合计算方法包括：

预先存储所述足式机器人的基本物理参数；

对所述足式机器人各个关节的角度和角速度进行采样，获得采样反馈的采样数值；

根据所述采样数值计算出坐标旋转的转移矩阵；

根据所述基本物理参数，结合拉格朗日方法中对惯性矩阵的计算方法，对所述足式机器人各个连杆的惯性矩阵进行计算，通过矩阵求和运算获得所述足式机器人的惯性矩阵D(q)；

根据所述采样数值、所述基本物理参数，对牛顿欧拉方法进行改进，通过迭代计算，获得所述足式机器人的离心力、科里奥利力和重力的相关向量以完成所述足式机器人的动力学建模。

作为一种可选的实施方式，结合拉格朗日方法中对惯性矩阵的计算方法，对所述足式机器人各个连杆的惯性矩阵进行计算，通过矩阵求和运算获得所述足式机器人的惯性矩阵D(q)，包括：

根据所述基本物理参数和所述坐标旋转的转移矩阵，计算出所述各个连杆的质心线速度的雅克比矩阵，和所述各个连杆的质心角速度的雅克比矩阵；

根据所述基本物理参数，所述各个连杆的质心的线速度的雅克比矩阵，以及所述各个连杆的质心角速度的雅克比矩阵，经过矩阵运算得到所述足式机器人各个连杆的惯性矩阵；再通过矩阵求和的方式计算出所述机器人的惯性矩阵，所述拉格朗日方法为应用所述惯性矩阵运算。

作为一种可选的实施方式，根据所述采样数值，所述基本物理参数，对牛顿欧拉方法进行改进，通过迭代计算方式，获得所述足式机器人的所述离心力、科里奥利力和重力的相关向量，以完成所述足式机器人的动力学建模，包括：

根据所述采样数值，所述基本物理参数，以及所述坐标旋转的转移矩阵，计算出所述各个连杆的质心的线速度和所述各个关节的连杆围绕质心的角速度；

根据所述基本物理参数，所述坐标旋转的转移矩阵，所述各个连杆的所述质心的线速度，以及所述各个关节的连杆围绕质心的角速度，计算出所述各个关节的质心的线加速度中的陀螺效应部分，和所述各个关节的所述质心的角加速度中的陀螺效应部分；

根据所述基本物理参数，所述坐标旋转的转移矩阵，所述各个连杆的所述质心的线加速度，以及所述各个连杆的所述质心的角加速度，计算出所述各个关节的所受的作用力，和所述各个关节的所受的作用转矩；

根据所述坐标旋转的转移矩阵，所述各个关节所受的作用力，以及所述各个关节所受的作用转矩的计算，去映射到所述足式机器人的所述各个关节上，计算出所述足式机器人的所述各个关节的转矩，最终等效出所述足式机器人的离心力、科里奥利力和重力相关向量，以完成所述足式机器人的动力学建模；所述对牛顿欧拉方法进行改进为应用所述离心力、科里奥利力和重力相关向量的运算。

本发明提供一种足式机器人动力学建模的混合计算方法，通过预先存储的所述足式机器人的基本物理参数；对所述足式机器人各个关节的角度和角速度进行采样，获得采样反馈的采样数值；根据所述采样数值计算出坐标旋转的转移矩阵；根据所述基本物理参数，结合拉格朗日方法中惯性矩阵的计算方法，对机器人各个连杆的惯性矩阵进行计算，并根据矩阵求和的方式获得所述足式机器人的惯性矩阵；根据所述采样数值、所述基本物理参数，对牛顿欧拉方法进行改进，通过迭代计算，获得所述足式机器人的离心力、科里奥利力和重力的相关向量，以完成所述足式机器人的动力学建模，结合拉格朗日方法和牛顿欧拉方法的计算优点，统一计算获得足式机器人的动力学建模，综合了拉格朗日方法和牛顿欧拉方法的计算优点，使得动力学建模过程的计算效率大大提高，计算出的模型更加稳定，计算步骤更加简化，更加便于建模分析。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种足式机器人动力学建模的混合计算方法流程图；

图2为本发明实施例提供的另一种足式机器人动力学建模的混合计算方法流程图；

图3为本发明实施例提供的另一种足式机器人动力学建模的混合计算方法流程图。

具体实施方式

下面阐述的实施例代表允许本领域技术人员实践本发明的必要信息，并且示出实践本发明的最佳方式。一旦根据附图阅读了以下的描述，本领域技术人员就将理解本发明的构思并且将认识到此处未特别阐明的这些构思的应用。应当理解，这些构思和应用落入本公开和所附权利要求书的范围。下面结合实施例对本发明进一步说明。

请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种足式机器人动力学建模的混合计算方法流程图。如图1所示，本实施例提供的足式机器人动力学建模的混合计算方法包括：

110、预先存储足式机器人的基本物理参数；

120、对足式机器人各个关节的角度和角速度进行采样，获得采样反馈的采样数值；

130、根据采样数值计算出坐标旋转的转移矩阵；

140、根据基本物理参数，结合拉格朗日方法对惯性矩阵的计算，推导出各个连杆的惯性矩阵，通过矩阵求和的方式获得足式机器人的惯性矩阵；

150、根据采样数值、基本物理参数以及对牛顿欧拉方法进行改进，通过迭代计算，获得足式机器人的离心力、科里奥利力和重力的相关向量以完成足式机器人的动力学建模。

其中，足式机器人的动力学模型的数学形式如下：

D(q)为惯性矩阵，为所述足式机器人的离心力、科里奥利力和重力的相关向量。

作为一种可选的实施方式，请参见图2，图2为本发明实施例提供的另一种足式机器人动力学建模的混合计算方法流程图，如图2所示，基于图1所示的步骤140进一步包括以下步骤，即根据基本物理参数，以及结合拉格朗日方法中对惯性矩阵的计算方法，对足式机器人各个连杆的惯性矩阵进行计算，并通过矩阵求和运算，获得足式机器人的惯性矩阵，包括：

141、根据基本物理参数和坐标旋转的转移矩阵，计算出各个连杆质心的线速度的雅克比矩阵，以及各个连杆质心角速度的雅克比矩阵；

142、根据基本物理参数，各个连杆的质心的线速度的雅克比矩阵，以及各个连杆的质心角速度的雅克比矩阵，经过矩阵运算得到足式机器人的各个连杆的惯性矩阵，通过矩阵求和运算得到整个机器人系统的惯性矩阵D(q)。在本实施例中，拉格朗日方法为应用计算机器人的惯性矩阵。

作为一种可选的实施方式，请参见图3，图3为本发明实施例提供的另一种足式机器人动力学建模的混合计算方法流程图，如图3所示，基于图2所示的步骤150进一步包括以下步骤，即根据采样数值、基本物理参数以及改进牛顿欧拉方法，通过迭代计算，获得足式机器人的离心力、科里奥利力和重力的相关向量，以完成足式机器人的动力学建模，包括：

151、根据采样数值、基本物理参数和坐标旋转的转移矩阵，计算出各个连杆的质心的线速度和各个关节的连杆围绕质心的角速度；

152、根据基本物理参数、坐标旋转的转移矩阵、各个连杆的质心的线速度和各个关节的连杆围绕质心的角速度，计算出各个连杆的质心的线加速度的陀螺效应部分和各个连杆的质心的角加速度的陀螺效应部分；

153、根据基本物理参数、坐标旋转的转移矩阵、各个关节的质心的线加速度和各个关节的质心的角加速度，计算出各个关节的质心所受的作用力和各个关节的质心所受的作用转矩；

154、根据坐标旋转的转移矩阵、各个关节所受的作用力和各个关节所受的作用转矩，去映射到足式机器人的各个关节上，从而计算出足式机器人的各个关节的转矩，最终由此等效出足式机器人的离心力、科里奥利力和重力相关向量，以完成足式机器人的动力学建模。

在本实施例中，对牛顿欧拉方法进行改进为应用计算离心力、科里奥利力和重力相关向量。

综上描述，本发明实施例提供的足式机器人动力学建模的混合计算方法，通过预先存储的足式机器人的基本物理参数；对足式机器人各个关节的角度和角速度进行采样，获得采样反馈的采样数值；根据采样数值计算出坐标旋转的转移矩阵；根据基本物理参数，以及结合拉格朗日方法中惯性矩阵的计算方法，对机器人各个连杆的惯性矩阵进行计算，通过矩阵求和的方式获得足式机器人的惯性矩阵；根据采样数值、基本物理参数以及改进牛顿欧拉方法，通过迭代计算，获得足式机器人的离心力、科里奥利力和重力的相关向量，以完成足式机器人的动力学建模，结合拉格朗日方法和牛顿欧拉方法的计算优点，统一计算获得足式机器人的动力学建模，综合了拉格朗日方法和牛顿欧拉方法的计算优点，使得动力学建模过程的计算效率大大提高，计算出的模型更加稳定，计算步骤更加简化，更加便于建模分析。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (3)

1.一种足式机器人动力学建模的混合计算方法，其特征在于，

所述足式机器人的动力学模型的数学形式如下：

D(q)为惯性矩阵，为所述足式机器人的离心力、科里奥利力和重力的相关向量；

所述混合计算方法包括：

预先存储所述足式机器人的基本物理参数；

对所述足式机器人各个关节的角度和角速度进行采样，获得采样反馈的采样数值；

根据所述采样数值计算出坐标旋转的转移矩阵；

根据所述基本物理参数，结合拉格朗日方法中对惯性矩阵的计算方法，对所述足式机器人各个连杆的惯性矩阵进行计算，通过矩阵求和运算获得所述足式机器人的惯性矩阵D(q)；

根据所述采样数值、所述基本物理参数，对牛顿欧拉方法进行改进，通过迭代计算，获得所述足式机器人的离心力、科里奥利力和重力的相关向量以完成所述足式机器人的动力学建模。

2.如权利要求1所述的足式机器人动力学建模的混合计算方法，其特征在于，结合拉格朗日方法中对惯性矩阵的计算方法，对所述足式机器人各个连杆的惯性矩阵进行计算，通过矩阵求和运算获得所述足式机器人的惯性矩阵D(q)，包括：

根据所述基本物理参数和所述坐标旋转的转移矩阵，计算出所述各个连杆的质心线速度的雅克比矩阵，和所述各个连杆的质心角速度的雅克比矩阵；

根据所述基本物理参数，所述各个连杆的质心的线速度的雅克比矩阵，以及所述各个连杆的质心角速度的雅克比矩阵，经过矩阵运算得到所述足式机器人各个连杆的惯性矩阵；通过矩阵求和的方式得到机器人的惯性矩阵D(q)，所述拉格朗日方法为应用所述转移矩阵进行矩阵运算。

3.如权利要求1或2所述的足式机器人动力学建模的混合计算方法，其特征在于，根据所述采样数值、所述基本物理参数，对牛顿欧拉方法进行改进，通过迭代计算，获得所述足式机器人的离心力、科里奥利力和重力的相关向量以完成所述足式机器人的动力学建模，包括：

根据所述采样数值，所述基本物理参数，以及所述坐标旋转的转移矩阵，计算出所述各个连杆的质心的线速度以及所述各个关节的连杆围绕所述质心的角速度；

根据所述基本物理参数，所述坐标旋转的转移矩阵，所述各个连杆的所述质心的线速度，以及所述各个关节的连杆围绕质心的角速度，计算出所述各个连杆的质心的线加速度中的陀螺效应部分，和所述各个连杆的质心的角加速度中的陀螺效应部分；

根据所述基本物理参数，所述坐标旋转的转移矩阵，所述各个连杆的质心的加速度，以及所述各个关节的质心的角加速度，计算出所述各个关节所受的作用力，和所述各个关节所受的作用转矩；

根据所述坐标旋转的转移矩阵，所述各个关节所受的作用力，以及所述各个关节所受的作用转矩的计算逻辑，去映射到所述足式机器人的各个关节上，计算出所述足式机器人的所述各个关节的转矩，最终等效出所述足式机器人的离心力、科里奥利力和重力的相关向量以完成所述足式机器人的动力学建模；

所述对牛顿欧拉方法进行改进为应用计算所述离心力、科里奥利力和重力相关向量的运算。