CN111687841A - 一种机器人弹跳高度控制方法、系统、装置及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人弹跳高度控制方法、系统、装置及存储介质，该方法包括：根据容腔内的液压压力值得到执行器输出合力；根据执行器输出合力得到第一合力反馈信号；根据第一合力反馈信号得到与饱和模块相关的第二合力反馈信号；根据第二合力反馈信号得到指令速度和指令位移；将指令位移减去机器人腿部驱动执行器位移值得到位移误差；根据位移误差和指令位移得到位移反馈信号；根据位移反馈信号和指令速度得到执行器控制信号后通过导纳模型得到机器人的弹跳高度值。通过使用本发明，无需对机器人触地判断的需求即可实现弹跳高度控制。本发明作为一种机器人弹跳高度控制方法、系统、装置及存储介质，可广泛应用于机器人控制领域。

Description

一种机器人弹跳高度控制方法、系统、装置及存储介质

技术领域

本发明涉及机器人控制领域，尤其涉及一种机器人弹跳高度控制方法、系统、装置及存储介质。

背景技术

在腿式机器人弹跳高度控制的相关研究成果中，大多依赖机械结构设计、增加传感器、信号处理等技术手段来实现机器人的触地判断及运动状态检测等，从而使运动控制算法在弹跳的不同阶段中有针对性地调节控制输出，来应对机器人弹跳过程中存在的来自于运动形式本身或由机械系统构成引起的非线性问题、高动态问题、力反馈控制等问题，但这无疑增加了机械设计的工作量及运动控制算法的复杂性。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种机器人弹跳高度控制方法、系统、装置及存储介质，能够无需对机器人触地判断的需求即可实现弹跳高度控制，减少状态反馈变量数量，从而降低机械系统设计难度。

本发明所采用的第一技术方案是：一种机器人弹跳高度控制方法，包括以下步骤：

获取容腔内的液压压力值并根据容腔内的液压压力值得到执行器输出合力；

根据执行器输出合力得到第一合力反馈信号；

引入饱和模块并根据第一合力反馈信号得到与饱和模块相关的第二合力反馈信号；

根据第二合力反馈信号得到指令速度和指令位移；

获取机器人腿部驱动执行器位移值并将指令位移减去机器人腿部驱动执行器位移值得到位移误差；

根据位移误差和指令位移得到位移反馈信号；

根据位移反馈信号和指令速度得到执行器控制信号后通过导纳模型得到机器人的弹跳高度值。

进一步，所述根据容腔内的液压压力值得到执行器输出合力，其表达式为：

F＝P_pA_p-P_sA_a

所述F表示为第一合力反馈信号，所述P_p为容腔内液压压力值，所述A_p为执行器无杆腔作用面积，A_a为执行器有杆腔作用面积，P_s为供油压力。

进一步，所述根据执行器输出合力得到第一合力反馈信号，其表达式为：

a(t)＝F·K_u；

所述a(t)表示为第一合力反馈信号，所述K_u表示为力反馈增益系数。

进一步，所述根据第一合力反馈信号得到与饱和模块相关的第二合力反馈信号，其表达式为：

所述a_s(t)为第二合力反馈信号，所述S为饱和极限。

进一步，所述根据第二合力反馈信号得到指令速度和指令位移，其表达式为：

所述u_v为指令速度，指令速度为合力反馈信号通过高通滤波器的信号，所述s为拉普拉斯变换产生的算子，所述a_s为饱和模块的输出函数，所述x_d为指令位移，指令位移为合力反馈信号通过低通滤波器的信号，所述ω_u为高通滤波器截止频率。

进一步，所述根据位移误差和指令位移得到位移反馈信号，其表达式为：

u_p＝K_pe+K_i∫edt；

所述K_p为比例增益，K_i为积分增益，所述e为位移误差。

本发明所采用的第二技术方案是：一种机器人弹跳高度控制系统，包括：

输出合力模块，用于获取容腔内的液压压力值并根据容腔内的液压压力值得到执行器输出合力；

第一合力反馈模块，用于根据执行器输出合力得到第一合力反馈信号；

第二合力反馈模块，用于引入饱和模块并根据第一合力反馈信号得到与饱和模块相关的第二合力反馈信号；

指令模块，用于根据第二合力反馈信号得到指令速度和指令位移；

误差模块，用于获取机器人腿部驱动执行器位移值并将指令位移减去机器人腿部驱动执行器位移值得到位移误差；

位移反馈模块，用于根据位移误差和指令位移得到位移反馈信号；

输出模块，用于根据位移反馈信号和指令速度得到执行器控制信号后通过导纳模型得到机器人的弹跳高度值。

本发明所采用的第三技术方案是：一种机器人弹跳高度控制装置，包括：

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现如上所述一种机器人弹跳高度控制方法。

本发明所采用的第四技术方案是：一种存储介质，其中存储有处理器可执行的指令，其特征在于：所述处理器可执行的指令在由处理器执行时用于实现如上所述一种机器人弹跳高度控制方法。

本发明方法、系统、装置及存储介质的有益效果是：本发明通过测量机器人腿部驱动执行器位移值、容腔内液压压力值和改变饱和模块的极限值即可实现对机器人弹跳高度的控制，无需使用力传感器测量机器人的触地状态，减少状态反馈变量，具有机械结构简单、适用性强和容易调节的优点。

附图说明

图1是本发明一种机器人弹跳高度控制方法的步骤流程图；

图2是本发明一种机器人弹跳高度控制系统的结构框图；

图3是本发明具体实施例中判断弹跳运动是否离开地面结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

腿式机器人作为仿生机器人领域的重要类别，对其系统设计方法及运动控制理论的研究，有助于人们更深入地理解腿式运动机理以及研发出更灵巧的腿式移动机械。与轮式或履带式机器人相比，腿式机器人可以在崎岖地形或极端路面条件下(比如碎石路面、坍塌路面、湿滑路面等)，利用有限的地面支撑，实现穿越、奔跑、弹跳、越障等动态运动。这其中，弹跳是腿式运动的基础，而目前的弹跳控制方法需要对进行触地判断，增加了机械设计的工作量和控制算法的复杂性，本发明无需使用力传感器测量触地状态，简化了机械结构，解决了现有控制器调节机器人弹跳高度算法复杂的问题，具有调节容易、适用性强、算法简单、运行效率高等特点。

如图1所示，本发明提供了一种机器人弹跳高度控制方法，该方法包括以下步骤：

S1、获取容腔内的液压压力值并根据容腔内的液压压力值得到执行器输出合力；

S2、根据执行器输出合力得到第一合力反馈信号；

S3、引入饱和模块并根据第一合力反馈信号得到与饱和模块相关的第二合力反馈信号；

S4、根据第二合力反馈信号得到指令速度和指令位移；

S5、获取机器人腿部驱动执行器位移值并将指令位移减去机器人腿部驱动执行器位移值得到位移误差；

S6、根据位移误差和指令位移得到位移反馈信号；

S7、根据位移反馈信号和指令速度得到执行器控制信号后通过导纳模型得到机器人的弹跳高度值。

另外，引入了饱和模块，需判断系统是否存在稳定的自激振荡运动，饱和模块的描述函数为：

计算系统开环传递函数OLTF，画出开环传递函数OLTF的奈奎斯特图与饱和模块的描述函数的负倒数曲线，观察是否存在交点，若存在交点，则闭环系统存在自激振荡点。进而，需判断此点是否为稳定的自激振荡点。

当系统存在稳定自激振荡运动后，如需改变弹跳高度，只需改变饱和极限S。

其中，饱和极限S存在一个阈值，它决定弹跳运动是否离开地面，参照图3，其确定方法如下：

触地稳定状态下弹簧位移表达式为：

其中，M为主体质量，g为重力加速度，L₀为弹簧自然长度，Δl为重力作用下弹簧的形变量，K为弹簧刚度，

为机器人在竖直方向上的弹跳速度，在机器人脚离地瞬间，弹簧应恢复自然长度，即主体位移为Δl。

确定合力反馈信号与主体位移关系，计算方法为，定义反馈信号正弦形式：

a(t)＝F·K_u＝Asinω_at

其中，A为振幅，ω_a为频率。

定义主体位移y(t)形式为：y(t)＝Ysinω_st；

其中，Y为主体弹跳振幅，ω_s为弹跳频率。

主体位移y(t)与合力F的关系为：

计算合力反馈信号与主体位移关系：

最后，确定饱和极限阈值，计算主体位移振幅Y与合力反馈信号振幅A的关系为：

代入详细物理参数及主体位移振幅阈值Y＝Δl，得到脚离地瞬间信号振幅阈值A_t。

将A_t带入下式即可计算出饱和极限阈值S_t：

如改变饱和极限S数值小于阈值S_t，得到弹跳运动为不离开地面的等幅振荡形式，如改变饱和极限S数值大于阈值S_t，得到弹跳运动离开地面，并且随着S数值的增大，机器人弹跳高度也会随之增加。

进一步作为本方法的优选实施例，所述获取容腔内液压压力值通过压力传感器实现，所述获取机器人腿部驱动执行器位移值通过位移传感器实现。

进一步作为本方法的优选实施例，所述根据容腔内的液压压力值得到执行器输出合力，其表达式为：

F＝P_pA_p-P_sA_a

所述F表示为第一合力反馈信号，所述P_p为容腔内液压压力值，所述A_p为执行器无杆腔作用面积，A_a为执行器有杆腔作用面积，P_s为供油压力。

进一步作为本方法的优选实施例，所述根据执行器输出合力得到第一合力反馈信号，其表达式为：

a(t)＝F·K_u；

所述a(t)表示为第一合力反馈信号，所述K_u表示为力反馈增益系数。

进一步作为本方法的优选实施例，所述根据第一合力反馈信号得到与饱和模块相关的第二合力反馈信号，其表达式为：

所述a_s(t)为第二合力反馈信号，所述S为饱和极限。

进一步作为本方法的优选实施例，所述根据第二合力反馈信号得到指令速度和指令位移，其表达式为：

所述u_v为指令速度，指令速度为合力反馈信号通过高通滤波器的信号，所述s为拉普拉斯变换产生的算子，所述a_s为饱和模块的输出函数，所述x_d为指令位移，指令位移为合力反馈信号通过低通滤波器的信号，所述ω_u为高通滤波器截止频率。

所述获取机器人腿部驱动执行器位移值并将指令位移减去机器人腿部驱动执行器位移值得到位移误差，其表达式为：

e＝x_d-x；

所述x为机器人腿部驱动执行器位移值。

进一步作为本方法的优选实施例，所述根据位移误差和指令位移得到位移反馈信号，其表达式为：

u_p＝K_pe+K_i∫edt；

所述K_p为比例增益，K_i为积分增益，所述e为位移误差。

具体地，执行器控制信号计算表达式为：u_c＝u_p+u_v。

另外，所述导纳模型的表达式为：

所述M为质量，B为阻尼系数，K为弹簧刚度。

本发明提供另一种具体实施例，一种机器人弹跳高度控制系统，包括以下模块：

输出合力模块，用于获取容腔内的液压压力值并根据容腔内的液压压力值得到执行器输出合力；

第一合力反馈模块，用于根据执行器输出合力得到第一合力反馈信号；

第二合力反馈模块，用于引入饱和模块并根据第一合力反馈信号得到与饱和模块相关的第二合力反馈信号；

指令模块，用于根据第二合力反馈信号得到指令速度和指令位移；

误差模块，用于获取机器人腿部驱动执行器位移值并将指令位移减去机器人腿部驱动执行器位移值得到位移误差；

位移反馈模块，用于根据位移误差和指令位移得到位移反馈信号；

输出模块，用于根据位移反馈信号和指令速度得到执行器控制信号后通过导纳模型得到机器人的弹跳高度值。

上述方法实施例中的内容均适用于本系统实施例中，本系统实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。

本发明提供另一种具体实施例，一种机器人弹跳高度控制装置：

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得至少一个处理器实现如上所述一种机器人弹跳高度控制方法。

上述方法实施例中的内容均适用于本装置实施例中，本装置实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。

本发明还提供另一种具体实施例，一种存储介质，其中存储有处理器可执行的指令，其特征在于：所述处理器可执行的指令在由处理器执行时用于实现如上所述一种基于机器人弹跳高度控制方法。

上述方法实施例中的内容均适用于本存储介质实施例中，本存储介质实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种机器人弹跳高度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取容腔内的液压压力值并根据容腔内的液压压力值得到执行器输出合力；

根据执行器输出合力得到第一合力反馈信号；

引入饱和模块并根据第一合力反馈信号得到与饱和模块相关的第二合力反馈信号；

根据第二合力反馈信号得到指令速度和指令位移；

获取机器人腿部驱动执行器位移值并将指令位移减去机器人腿部驱动执行器位移值得到位移误差；

根据位移误差和指令位移得到位移反馈信号；

根据位移反馈信号和指令速度得到执行器控制信号后通过导纳模型得到机器人的弹跳高度值。

2.根据权利要求1所述一种机器人弹跳高度控制方法，其特征在于，所述获取容腔内液压压力值通过压力传感器实现，所述获取机器人腿部驱动执行器位移值通过位移传感器实现。

3.根据权利要求2所述一种机器人弹跳高度控制方法，其特征在于，所述根据容腔内的液压压力值得到执行器输出合力，其表达式为：

F＝P_pA_p-P_sA_a

所述F表示为第一合力反馈信号，所述P_p为容腔内液压压力值，所述A_p为执行器无杆腔作用面积，A_a为执行器有杆腔作用面积，P_s为供油压力。

4.根据权利要求3所述一种机器人弹跳高度控制方法，其特征在于，所述根据执行器输出合力得到第一合力反馈信号，其表达式为：

a(t)＝F·K_u；

所述a(t)表示为第一合力反馈信号，所述K_u表示为力反馈增益系数。

5.根据权利要求3所述一种机器人弹跳高度控制方法，其特征在于，所述根据第一合力反馈信号得到与饱和模块相关的第二合力反馈信号，其表达式为：

所述a_s(t)为第二合力反馈信号，所述S为饱和极限。

6.根据权利要求4所述一种机器人弹跳高度控制方法，其特征在于，所述根据第二合力反馈信号得到指令速度和指令位移，其表达式为：

所述u_v为指令速度，所述s为拉普拉斯变换产生的算子，所述a_s为饱和模块的输出函数，所述x_d为指令位移，所述ω_u为高通滤波器截止频率。

7.根据权利要求1所述一种机器人弹跳高度控制方法，其特征在于，所述根据位移误差和指令位移得到位移反馈信号，其表达式为：

u_p＝K_pe+K_i∫edt；

所述u_p为位移反馈信号，所述K_p为比例增益，K_i为积分增益，所述e为位移误差。

8.一种机器人弹跳高度控制系统，其特征在于，包括以下模块：

输出合力模块，用于获取容腔内的液压压力值并根据容腔内的液压压力值得到执行器输出合力；

第一合力反馈模块，用于根据执行器输出合力得到第一合力反馈信号；

第二合力反馈模块，用于引入饱和模块并根据第一合力反馈信号得到与饱和模块相关的第二合力反馈信号；

指令模块，用于根据第二合力反馈信号得到指令速度和指令位移；

误差模块，用于获取机器人腿部驱动执行器位移值并将指令位移减去机器人腿部驱动执行器位移值得到位移误差；

位移反馈模块，用于根据位移误差和指令位移得到位移反馈信号；

输出模块，用于根据位移反馈信号和指令速度得到执行器控制信号后通过导纳模型得到机器人的弹跳高度值。

9.一种机器人弹跳高度控制装置，其特征在于，包括：

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现如权利要求1-7任一项所述一种机器人弹跳高度控制方法。

10.一种存储介质，其中存储有处理器可执行的指令，其特征在于，所述处理器可执行的指令在由处理器执行时用于实现如权利要求1-7任一项所述一种机器人弹跳高度控制方法。

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