CN109159123B - 一种基于能量最优的机器人翻身控制方法 - Google Patents

一种基于能量最优的机器人翻身控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于能量最优的机器人翻身控制方法，包括以下步骤：根据外界环境条件，基于能量最优原则选择翻身策略；做好翻身准备，根据选择翻身策略摆好姿态；按照已经选定的翻身策略步骤进行翻身；最后，完成翻身动作，机器人恢复到正常工作姿态。其中，机器人的翻身策略有重心翻身、支撑翻身和扭矩翻身三种。机器人可根据环境，基于能量最优的原则选择其中一种方式完成翻身。该方法有效克服了环境和空间的限制，机器人只需要增加一个尾巴即可在身体完全倒置的极端条件下利用多种策略完成翻身。本发明为陆地机器人的姿态调整提供了新方法。

Description

一种基于能量最优的机器人翻身控制方法
技术领域
本发明属于智能机器人领域，具体涉及一种基于能量最优的机器人翻身控制方法。
背景技术
近年来针对仿生机器人的研究日益增多，涉及到的技术也越来越复杂。相关的研究主要以陆地生物作为对象，例如猎豹、袋鼠、壁虎等，研究奔跑、跳跃、攀爬等典型运动特征，设计具有相应功能的机器人。但是机器人在复杂环境完成各种形式的运动时，往往面临失稳跌倒的问题。因此设计姿态调节特性的机器人，适应恶劣的工作环境，可拓展陆地机器人的应用范围。
目前，现有的文献中记录的可进行姿态调节的机器人大都具有特定的功能，适用于特定的应用环境。中国专利(申请号201310016198.8)提出了一种具有姿态调节功能的仿蝗虫机器人，利用了蝗虫良好的跳跃能力，跳跃后在空中调整姿态并稳定转化为滑翔或扑翼飞行状态；中国专利(申请号201710878073.4)提出了一种可实现空中姿态调整的四足机器人，拥有主动调节姿态的能力；美国加州大学伯克利分校Robert Full在论文“Tail-assisted pitch control in lizards,robots and dinosaurs”中对壁虎利用尾巴在爬行、跳跃、飞行中进行姿态调整和保持平衡进行了研究，并设计出带有尾巴的自平衡小车。此外还有乌克兰国家科学院Leonid Frantsevich在论文“Righting kinematics inbeetles”中研究了甲壳虫的姿态调整动力学，为机器人姿态调整奠定了生物学基础。
但上述示例仅关于机器人的姿态调整做出研究，所得到的机器人姿态调整幅度有限，无法实现翻身；且机器人仅通过一种策略进行姿态调整，还需滑行、跳跃、腾空等附加动作，会受到环境因素的约束，此外这些动作会使机器人在进行姿态调整时消耗很多能量。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于能量最优的机器人翻身控制方法。本发明中所述机器人包含身体(躯干)和尾巴两个部分，本发明方法适用于陆地机器人，机器人包含身体(躯干)和尾巴两个部分，翻身过程中机器人躯干与地面无接触；尾巴部分是一个杆结构，包括如下步骤：
步骤1，判断环境状况，根据尾巴运动是否受限并基于能量最优的原则选择一种翻身策略；
步骤2，做好翻身准备，机器人躯干朝下，两肩关节连线与髋关节连线平行并处在同一平面；
步骤3，按照步骤1选定的翻身策略步骤进行翻身，翻身不成功则再次重复步骤1选取翻身方式，直到成功翻身；
步骤4，完成翻身动作后，机器人恢复到正常工作姿态，躯干朝上，尾巴与四肢动作无限制。
步骤1中，若机器人尾巴在地面以上三维空间内运动不受限，且尾巴能与地面接触，则选用支撑翻身方式；若尾巴在地面以上三维空间内运动不受限，但尾巴不能与地面接触，则选用扭矩翻身方式；若尾巴在地面以上三维空间内运动受限，则选用重心翻身方式；其中，若在机器人尾巴转动所涉及到的空间内有遮挡物，如墙壁，则判断为尾巴运动受限，反之不受限；若尾巴能够通过转动或平移触碰到身体放置的平面，则判断尾巴能够与地面接触；
机器人翻身动作消耗的能量E通过下式计算得出：
Figure BDA0001798574860000021
该公式含义为：将机器人的身体和尾巴分别拆分成N1和N2等份，计算各个部分的能量然后相加，其中，m1和m2分别表示机器人身体的质量和尾巴的质量，vi和vj分别表示身体对应第i部分的速度和尾巴对应第j部分的速度；能量最优原则就是选择所需能量E最小的翻身方式。
步骤2中，如果采用重心翻身方式，则尾巴与身体轴线重合，靠近地面；如果采用支撑翻身或者扭矩翻身方式，则尾巴抬高作为准备动作。
步骤3中，设定xs为机器人质心在身体轴线方向的位移变化，ys为质心在身体横侧向位置变化，zs为身体质心在竖直方向的位置变化；
物体的角动量L由它的转动惯量I和角速度矢量表示：
Figure BDA0001798574860000022
其中，Δθ为物体转动角度，Δt为时间，
Figure BDA0001798574860000023
为单位时间内转动的角度，当机器人在翻身过程中没有外来转矩的帮助时，身体角动量
Figure BDA0001798574860000031
和尾巴角动量
Figure BDA0001798574860000032
的角动量之和为零，总的角动量用下式表示：
Figure BDA0001798574860000033
其中，ΔθB表示身体转角变化，ΔθT表示尾巴转角变化，IB表示身体转动惯量，IT表示尾巴的转动惯量，尾巴的转动惯量IT计算是基于将尾巴看作一根杆，绕身体末尾一点的转动；如下式所示，尾巴转角变化与身体转角变化之比
Figure BDA0001798574860000034
等于身体和尾巴的转动惯量之比
Figure BDA0001798574860000035
Figure BDA0001798574860000036
以上计算过程说明了本发明使得机器人不借助外来转矩完成翻身动作，是通过尾巴与身体向相反方向旋转使得角动量之和为零来实现的，两部分旋转的角度满足上式规律。
步骤3中，采用重力翻身方式的过程为：机器人尾巴在翻身过程中保持静止，通过调整姿态使重心发生偏转，以肩关节和髋关节为支点抬高质心产生转矩，利用质心重力势能的转化进行翻身，能够向左或向右翻转，过程中质心产生竖直方向的位移zs；
采用支撑翻身方式的过程为：机器人尾巴首先向左或向右击打地面，通过尾巴与地面接触产生扭矩，获得扭矩后身体向反方向腾空翻转，过程中质心产生竖直方向的位移zs；
采用扭矩翻身方式的过程为：机器人尾巴向左或向右进行大幅度旋转，通过尾巴大幅度摆动产生转动惯量，身体则向反方向翻转，其中转矩T计算公式如下：
T＝Jα
式中，J为物体转动惯量，α为物体的角加速度。
本发明的优点在于：
1、针对任何陆地机器人，只需要增加一个尾巴，均可实现翻身功能。
2、机器人可针对不同的环境选用不同的翻身策略，使机器人具有广泛的适应性。
3、无需滑行、起跳、腾空等附加动作，机器人利用尾巴原地翻身，能耗小。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1是本发明机器人翻身流程示意图。
图2a是本发明机器人采用重力翻身方式的示意图。
图2b是本发明机器人采用支撑翻身方式的示意图。
图2c是本发明机器人采用扭转翻身方式的示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示为机器人翻身的流程，主要是机器人的躯干与尾巴参与整个翻身过程。尾巴是一杆结构，如图2a～图2c所示，其中，为了更加直观地表示支撑翻身方式的过程，图2a中(2)为侧视图，视线方向为y轴负方向。
以机器人的质心为原点建立笛卡尔坐标系，x轴与机器人身体轴线重合，由质心指向头部；z轴竖直向上；y轴由右手定则确定，指向横侧向。通过环境判断，得出机器人身体与尾巴均处于地上平面，且自由空间较大的结论，根据能量最优策略，确定采用支撑翻身方式进行翻身。机器人翻身动作消耗的能量可用下式计算得出：
Figure BDA0001798574860000041
其思路为，将机器人的身体和尾巴分别拆分成N1和N2等份，计算各个部分的能量然后相加。其中，m1和m2分别表示机器人身体和尾巴的质量，vi和vj表示身体和尾巴对应部分的速度。
如图2b中(1)所示，机器人摆出翻身准备姿态，背部与地面接触，两肩关节连线与髋关节连线平行并处在同一平面。尾部拍打地面，通过与地面接触产生扭矩。
准备姿态完成，开始翻身过程。获得转矩的机器人身体腾空，质心在z轴上产生明显位移。身体向尾巴击打方向的反方向旋转，完成翻身过程。此时机器人四肢均与地面接触，身体躯干朝上，关节位置与尾巴摆放位置无要求。
若翻身失败，则再次检测环境状况，根据能量最优原则选择策略并尝试，其翻身规律如下：
物体的角动量L可由它的转动惯量I和角速度矢量(
Figure BDA0001798574860000051
单位时间内转动的角度，Δθ为物体转动角度Δt为时间)表示：
Figure BDA0001798574860000052
当机器人在翻身过程中没有外来转矩的帮助时，身体
Figure BDA0001798574860000053
和尾巴
Figure BDA0001798574860000054
角动量之和为零，因此总的角动量可用下式表示：
Figure BDA0001798574860000055
尾巴的转动惯量IT计算是基于将尾巴看作一根杆，绕身体末尾一点的转动；如下式所示，尾巴转角变化与身体转角变化之比
Figure BDA0001798574860000056
等于身体和尾巴的转动惯量之比
Figure BDA0001798574860000057
Figure BDA0001798574860000058
如图2a所示，采用重力翻身方式的过程为：机器人尾巴在翻身过程中保持静止，通过调整姿态使重心发生偏转，以肩关节和髋关节为支点抬高质心产生转矩，利用质心重力势能的转化进行翻身，能够向左或向右翻转，过程中质心产生竖直方向的位移zs；
如图2b所示，采用支撑翻身方式的过程为：机器人尾巴首先向左或向右击打地面，通过尾巴与地面接触产生扭矩，获得扭矩后身体向反方向腾空翻转，过程中质心产生竖直方向的位移zs；
如图2c所示，采用扭矩翻身方式的过程为：机器人尾巴向左或向右进行大幅度旋转，通过尾巴大幅度摆动产生转动惯量，身体则向反方向翻转，其中转矩T计算公式如下：
T＝Jα
式中，J为物体转动惯量，α为物体的角加速度。
以上公开的仅为本发明的一种应用条件，但是本发明并非局限于此，不同的翻身策略适用于不同的环境。
本发明提供了一种基于能量最优的机器人翻身控制方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种基于能量最优的机器人翻身控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，判断环境状况，根据尾巴运动是否受限并基于能量最优的原则选择一种翻身策略；
步骤2，做好翻身准备，机器人躯干朝下，两肩关节连线与髋关节连线平行并处在同一平面；
步骤3，按照步骤1选定的翻身策略步骤进行翻身，翻身不成功则再次重复步骤1选取翻身策略，直到成功翻身；
步骤4，完成翻身动作后，机器人恢复到正常工作姿态，躯干朝上，尾巴与四肢动作无限制。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中，若机器人尾巴在地面以上三维空间内运动不受限，且尾巴能与地面接触，则选用支撑翻身策略；若尾巴在地面以上三维空间内运动不受限，但尾巴不能与地面接触，则选用扭矩翻身策略；若尾巴在地面以上三维空间内运动受限，则选用重心翻身策略；其中，若在机器人尾巴转动所涉及到的空间内有遮挡物，则判断为尾巴运动受限，反之不受限；若尾巴能够通过转动或平移触碰到身体放置的平面，则判断尾巴能够与地面接触；
机器人翻身动作消耗的能量E通过下式计算得出：
Figure FDA0002431780280000011
该公式含义为：将机器人的身体和尾巴分别拆分成N1和N2等份，计算各个部分的能量然后相加；其中，m1和m2分别表示机器人身体的质量和尾巴的质量，vi和vj分别表示身体对应第i部分的速度和尾巴对应第j部分的速度；能量最优原则就是选择所需能量E最小的翻身策略。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤2中，如果采用重心翻身策略，则尾巴与身体轴线重合，靠近地面；如果采用支撑翻身或者扭矩翻身策略，则尾巴抬高作为准备动作。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤3中，设定xs为机器人质心在身体轴线方向的位移变化，ys为质心在身体横侧向位置变化，zs为身体质心在竖直方向的位置变化；
物体的角动量L由它的转动惯量I和角速度矢量表示：
Figure FDA0002431780280000021
其中，Δθ为物体转动角度，Δt为时间，
Figure FDA0002431780280000022
为单位时间内转动的角度，当机器人在翻身过程中没有外来转矩的帮助时，身体角动量
Figure FDA0002431780280000023
和尾巴角动量
Figure FDA0002431780280000024
的角动量之和为零，总的角动量用下式表示：
Figure FDA0002431780280000025
其中，ΔθB表示身体转角变化，ΔθT表示尾巴转角变化，IB表示身体转动惯量，IT表示尾巴的转动惯量，尾巴的转动惯量IT计算是基于将尾巴看作一根杆，绕身体末尾一点的转动；如下式所示，尾巴转角变化与身体转角变化之比
Figure FDA0002431780280000026
等于身体和尾巴的转动惯量之比
Figure FDA0002431780280000027
Figure FDA0002431780280000028
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤3中，采用重心翻身策略的过程为：机器人尾巴在翻身过程中保持静止，通过调整姿态使重心发生偏转，以肩关节和髋关节为支点抬高质心产生转矩，利用质心重力势能的转化进行翻身，能够向左或向右翻转，过程中质心产生竖直方向的位移zs；
采用支撑翻身策略的过程为：机器人尾巴首先向左或向右击打地面，通过尾巴与地面接触产生扭矩，获得扭矩后身体向反方向腾空翻转，过程中质心产生竖直方向的位移zs；
采用扭矩翻身策略的过程为：机器人尾巴向左或向右进行大幅度旋转，通过尾巴大幅度摆动产生转动惯量，身体则向反方向翻转，其中转矩T计算公式如下：
T＝Jα
式中，J为物体转动惯量，α为物体的角加速度。
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