CN110405763A - 一种仿人机器人多关节协同爆发跳跃的规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿人机器人多关节协同爆发跳跃的规划方法，首先读取关节电机当前转速，计算关节所能产生的峰值力矩，再根据机器人动力学方程，计算关节峰值力矩作用下各关节的角加速度，接着由各关节的角加速度获取机器人ZMP点的位置，从而判断机器人在跳跃状态时的稳定性，若机器人不稳定，调整机器人的关节力矩，满足机器人稳定的同时，达到机器人爆发跳跃的状态，可实现跳跃运动。本发明对机器人进行跳跃运动的规划，实现了多关节协同爆发跳跃，稳定性好。

Description

一种仿人机器人多关节协同爆发跳跃的规划方法

技术领域

本发明属于仿人机器人技术领域，具体涉及一种仿人机器人多关节协同爆发跳跃的规划方法。

背景技术

当前仿人机器人已经具有摔、滚、走、跑、爬等多种运动模态及多模态运动转换的能力，极大了地的提高了机器人的灵活性，使机器人能够通过多种非结构化的复杂环境。然而对于沟壑、垂直壁障等自然界常见的环境，现有仿人机器人的运动步态难以通过，制约了仿人机器人的到达范围和实用化进程。

现有技术涉及一种气动肌肉驱动力臂可变的双足跳跃机器人，由左腿、右腿、躯干、肌肉系统和弹簧系统组成，通过气压驱动肌肉和弹簧等协调运动，能够很好的实现垂直跳跃、倾斜跳跃运动。然而弹簧系统导致机器人柔性增加，难以实现稳定行走等步态，导致无法同时兼顾稳定行走与动态跳跃。

现有技术还从人类仿生学的角度，通过模仿人类跳跃运动的动作特点，提供一种3D欠驱动双足机器人跳跃运动的步态规划方法。在跳跃过程中，机器人支撑腿膝关节快速伸张，并且机器人的髋关节同时动作以使机器人躯干与重力竖直方向夹角快速减小；同时满足人类跳跃运动时的关节约束限制，主要包括胯部角度约束、躯干角度约束、膝关节角度约束，实现了与人类运动特征相似的跳跃运动。该方法针对欠驱动机器人，基于matlab全局搜索函patternsearch得到机器人起跳轨迹，欠驱动机器人忽略了人类跳跃运动过程中踝关节的作用。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种仿人机器人多关节协同爆发跳跃的规划方法，充分考虑踝关节、膝关节与髋关节对机器人跳跃的作用，实现多关节协同爆发跳跃。

本发明是通过以下技术方案实现上述技术目的的。

一种仿人机器人多关节协同爆发跳跃的规划方法，包括以下步骤：

步骤(1)，读取关节电机当前转速，计算关节所能产生的峰值力矩；

步骤(2)，根据机器人动力学方程，计算关节峰值力矩作用下各关节的角加速度；

步骤(3)，由各关节的角加速度获取机器人ZMP点的位置，从而判断机器人在跳跃状态时的稳定性，若机器人不稳定，调整机器人的关节力矩，直到获取满足机器人稳定的关节角加速度由获取下一时刻机器人的状态X_t+1；

步骤(4)，判断机器人在状态X_t+1时，总体质心在竖直方向的加速度是否满足多关节协同爆发跳跃的条件，不满足时，重复步骤(1)-(3)，直到机器人满足完成机器人多关节协同爆发跳跃运动。

进一步，所述峰值力矩其中i_r为设在关节处的减速器的减速比，ω_joint为关节端转速。

进一步，所述ZMP点的位置满足：-d₁+Δp_x≤p_x,t≤d₂-Δp_x，其中d₁为机器人踝关节在脚掌面的投影到脚跟的距离，d₂为机器人踝关节在脚掌面的投影到脚尖的距离，Δp_x为ZMP稳定裕度，p_x，t为零力矩点横坐标。

更进一步，所述关节的角加速度，微调满足约束：

其中δp_x,t为ZMP点的调节量。

更进一步，所述满足：其中为关节的峰值转矩，

更进一步，所述进行优化的代价函数为：其中δτ_t为关节力矩的变化量，为t时刻各关节的角速度。

本发明的有益效果为：

本发明充分考虑踝关节、膝关节与髋关节对机器人跳跃的作用，计算关节峰值力矩作用下各关节的角加速度，同时充分考虑机器人ZMP点位置的约束条件，不需要加入弹性元件，兼顾稳定行走与动态跳跃，实现多关节协同爆发跳跃。

附图说明

图1多关节协同爆发起跳控制流程图；

图2为机器人跳跃运动简化模型图；

图3为Parker K044100_6Y电机在120V动力电下的峰值转矩转速曲线与额定转矩转速曲线图；

图4为机器人起跳阶段的三阶倒立摆模型图；

图5为微调关节力矩来调节关节角加速度从而调节ZMP的位置示意图，图5(a)为当机器人脚底ZMP点靠近脚尖时的调节情况示意图，图5(b)为当机器人脚底ZMP点靠近脚跟时的调节情况示意图。

具体实施方式

下面将结合附图具体说明本发明的技术方案，但是本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，一种仿人机器人多关节协同爆发跳跃的规划方法，包括以下步骤：

步骤(1)，根据机器人当前状态X₀，读取关节电机当前转速，计算关节所需要的峰值力矩；

从仿生学原理出发，充分研究人体跳跃运动规律，将机器人跳跃运动简化成如图2所示的跳跃运动简化模型，简化模型由脚掌、小腿、大腿、上身四个连杆以及踝关节、膝关节、髋关节三个关节组成。各关节由单独的关节电机(Parker K0440100_6Y)和减速器作为执行机构。

为了使机器人实现高爆发跳跃，各关节应当充分做功，然而机器人各关节所能输出的峰值转矩受关节电机特性影响。由于机器人起跳时间极短，因此考虑关节电机的峰值转矩转速曲线(图3)作为机器人关节力矩的约束条件。通过读取机器人电机端转速ω_motor，根据所采用关节电机的手册得到关节电机的峰值力矩为：

设在关节处配置减速比为i_r的减速器，关节端转速ω_joint与电机端转速ω_motor之间存在如下关系：

在不考虑减速器效率与关节摩擦、阻尼等因素的情况下，根据能量守恒，关节端力矩τ_joint与电机端力矩τ_motor存在如下关系：

τ_joint＝i_rτ_motor (3)

因此可以计算得到当前关节电机转速ω_motor下机器人关节所能产生的峰值力矩为：

步骤(2)，根据机器人动力学方程，计算关节峰值力矩作用下各关节的角加速度；

如图2所示，其中d_i(i＝0,1,2)分别表示机器人脚掌的长度以及踝关节在脚掌面的投影到脚跟、脚尖的距离，且d₀＝d₁+d₂；l₀表示机器人踝关节到脚掌的垂直距离，m₀表示机器人脚掌的质量；此外，l_i(i＝1,2,3),m_i(i＝1,2,3)分别表示机器人小腿、大腿与上身的长度和质量，每个连杆的质心位于连杆的几何中心。

机器人起跳阶段，由于脚掌与地面不存在相对运动，因此可以将图2中的跳跃运动简化模型简化成固定在地面的三阶倒立摆模型，如图4所示，将世界坐标系O-XY的原点O建立在机器人的踝关节处，Y轴竖直向上，X轴在机器人矢状面内并指向前方与水平面平行。根据坐标系O-XY定义如图4中所示的广义坐标系q_s＝(q₁；q₂；q₃)，逆时针为正，顺时针为负。虚线显示了机器人的初始状态。根据坐标系定义可知，机器人初始状态为竖直站立状态。

根据拉格朗日方程计算得到机器人起跳阶段的动力学方程为：

其中D,C,G分别为惯量矩阵、离心力科氏力项、重力项，q_t、τ_t为t时刻各关节的角度、角速度、角加速度、关节力矩(John J.Craig.机器人学导论[M].贠超等.北京：机械工业出版社，2006：143)。假设在时刻t，机器人的状态为若在关节处同时施加峰值转矩根据动力学方程能够得到机器人各关节的最大关节角加速度为

步骤(3)，由机器人ZMP点的位置判断机器人的稳定性，调整机器人的关节力矩；

若机器人以最大关节角加速度运动，机器人可能发生翻倒等意外；为了保证起跳过程中的动态稳定性，充分考虑机器人ZMP点(零力矩点：机器人脚底合力矩为0的点)的位置：

其中(c_x,t,c_y,t)为机器人总体质心位置，为机器人总体质心加速度，g为重力加速度，p_x，t为零力矩点横坐标，为零力矩点纵坐标(梶田秀司.仿人机器人[M].管贻生.北京：清华大学出版社，2007：90)。如图5(a)、(b)所示，脚底粗线表示用于保证机器人起跳阶段稳定性的ZMP约束，Δp_x为ZMP稳定裕度，五角星为各关节以关节最大角加速度运动时ZMP点的位置，δp_x,t为ZMP的调节量。当ZMP点的位置超出脚底ZMP约束时，通过微调关节力矩来调节关节角加速度从而调节ZMP的位置。由图4可知，机器人ZMP的位置应当满足：

-d₁+Δp_x≤p_x,t≤d₂-Δp_x (8)

由于机器人ZMP点的位置可以表示成关节角加速度的函数，因此对ZMP点的位置求全微分可以计算得到ZMP点的调节量δp_x,t与关节角加速度的调节量存在如下关系：

关节角加速度的调节量需要满足如下约束：

由于角加速度的改变会导致关节力矩的变化，对关节力矩求全微分可以计算得到关节力矩的变化量δτ_t与关节角加速度的调节量存在如下关系：

为了满足电机峰值转矩转速曲线约束，关节角加速度的调节量应当满足：

为了使关节力矩微调量对关节输出能量的损失最小，需要对关节角加速度的调节量优化，建立如下代价函数：

步骤(4)，由此可以得到当ZMP点的位置不满足约束条件时(公式(8))，根据步骤(3)优化关节角加速度，直到获取满足机器人稳定的各关节的角加速度通过两次积分获取下一时刻机器人的状态X_t+1；再通过检测机器人在状态X_t+1时，总体质心在竖直方向的加速度判断机器人是否机器人多关节协同爆发跳跃的条件若机器人还没有满足该条件，执行步骤(1)-步骤(3)重新获取机器人下一时刻的状态，直到机器人满足该条件；若机器人满足该条件，机器人完成跳跃运动。

以上，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修饰改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (6)

1.一种仿人机器人多关节协同爆发跳跃的规划方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤(1)，读取关节电机当前转速，计算关节所能产生的峰值力矩；

步骤(2)，根据机器人动力学方程，计算关节峰值力矩作用下各关节的角加速度；

步骤(3)，由各关节的角加速度获取机器人ZMP点的位置，从而判断机器人在跳跃状态时的稳定性，若机器人不稳定，调整机器人的关节力矩，直到获取满足机器人稳定的关节角加速度由获取下一时刻机器人的状态X_t+1；

步骤(4)，判断机器人在状态X_t+1时，总体质心在竖直方向的加速度是否满足多关节协同爆发跳跃，不满足时，重复步骤(1)-(3)，直到机器人满足完成机器人多关节协同爆发跳跃运动。

2.根据权利要求1所述的仿人机器人多关节协同爆发跳跃的规划方法，其特征在于，所述峰值力矩其中i_r为设在关节处的减速器的减速比，ω_joint为关节端转速。

3.根据权利要求1所述的仿人机器人多关节协同爆发跳跃的规划方法，其特征在于，所述ZMP点的位置满足：-d₁+Δp_x≤p_x,t≤d₂-Δp_x，其中d₁为机器人踝关节在脚掌面的投影到脚跟的距离，d₂为机器人踝关节在脚掌面的投影到脚尖的距离，Δp_x为ZMP稳定裕度，p_x，t为零力矩点横坐标。

4.根据权利要求3所述的仿人机器人多关节协同爆发跳跃的规划方法，其特征在于，所述关节的角加速度，微调满足约束：其中δp_x,t为ZMP点的调节量。

5.根据权利要求4所述的仿人机器人多关节协同爆发跳跃的规划方法，其特征在于，所述满足：其中为关节的峰值转矩。

6.根据权利要求4所述的仿人机器人多关节协同爆发跳跃的规划方法，其特征在于，所述进行优化的代价函数为：其中δτ_t为关节力矩的变化量，为t时刻各关节的角速度。