CN115339542B - 一种足式机器人运动控制方法及足式机器人 - Google Patents

一种足式机器人运动控制方法及足式机器人 Download PDF

Info

Publication number
CN115339542B
CN115339542B CN202210798408.2A CN202210798408A CN115339542B CN 115339542 B CN115339542 B CN 115339542B CN 202210798408 A CN202210798408 A CN 202210798408A CN 115339542 B CN115339542 B CN 115339542B
Authority
CN
China
Prior art keywords
leg
connecting rod
determining
link
driving piece
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202210798408.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN115339542A (zh
Inventor
潘阳
陈俊鹏
余杰先
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Southern University of Science and Technology
Original Assignee
Southern University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Southern University of Science and Technology filed Critical Southern University of Science and Technology
Priority to CN202210798408.2A priority Critical patent/CN115339542B/zh
Publication of CN115339542A publication Critical patent/CN115339542A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN115339542B publication Critical patent/CN115339542B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D57/00—Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track
    • B62D57/02—Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track with ground-engaging propulsion means, e.g. walking members
    • B62D57/032—Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track with ground-engaging propulsion means, e.g. walking members with alternately or sequentially lifted supporting base and legs; with alternately or sequentially lifted feet or skid
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D1/00—Control of position, course, altitude or attitude of land, water, air or space vehicles, e.g. using automatic pilots
    • G05D1/02—Control of position or course in two dimensions

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Manipulator (AREA)

Abstract

本发明公开了一种足式机器人运动控制方法及足式机器人，其中足式机器人包括若干机械腿。所述方法包括：确定机械腿末端的对地运动轨迹；根据对地运动轨迹确定机械腿中连杆组件与腿部之间的相对位置变化；根据驱动件的传动系数，结合相对位置变化，确定各驱动件的对地轨迹；再根据此对地轨迹，确定机械腿中连杆组件的结构变化，对足式机器人的运动进行控制。本发明通过所述足式机器人运动控制方法，可以有效降低对于算力的消耗，通过简单快捷的手段即可求得所述足式机器人正向/逆向运动学的显示解析解，无需增加额外的运动控制器就可以实现对于足式机器人的实时控制，有利于足式机器人的推广应用。

Description

一种足式机器人运动控制方法及足式机器人
技术领域
本发明涉及机器人控制技术领域，尤其涉及的是一种足式机器人运动控制方法及足式机器人。
背景技术
足式机器人可以在多种表面上使用，而且可以跳过或者跨越障碍物，对于运动路径的要求更低，应用场景比轮式机器人更加多样。现有技术中，足式机器人的一般结构为身体部分加上机械腿，其中机械腿作为足式机器人的执行机构，需要实现行走，以及相应的工具作业等动作。但是在机器人实时控制过程中，运动控制器的算力十分有限，特别在加上视觉系统和反馈控制后，算力显得更加珍贵，而足式机器人的机械腿往往对应多个自由度，才能实现复杂环境下的灵活运动，这无疑也会增加对于运动控制器算力的负担。现有技术中的足式机器人受限于运动控制器的算力，往往机械腿落地后计算还没有完成，导致无法立即进入下一步的控制过程，无法实现实时控制。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种足式机器人运动控制方法及足式机器人，旨在解决现有技术中对于足式机器人的控制所需算力过大，无法实现实时控制的问题。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种足式机器人运动控制方法，所述足式机器人的机械腿由连杆组件和与所述连杆组件转动连接的腿部组成，所述机械腿还包括控制机械腿相对水平面转动的第一驱动件；与所述连杆组件连接以驱动所述腿部沿水平方向移动的第二驱动件；以及与所述连杆组件连接以驱动所述腿部沿竖直方向移动的第三驱动件，其中，所述方法包括：
获取移动指令，并根据所述移动指令确定所述腿部的末端的对地运动轨迹；
根据所述对地运动轨迹，确定所述连杆组件与所述腿部之间的相对位置变化；
根据所述第一驱动件、所述第二驱动件和所述第三驱动件的传动系数，结合所述相对位置变化，确定所述第一驱动件、所述第二驱动件和所述第三驱动件的对地轨迹；
根据所述第一驱动件、所述第二驱动件和所述第三驱动件的对地轨迹，确定所述连杆组件的结构变化，对所述机械腿的运动进行控制。
在一种实施方式中，所述连杆组件包括：与所述第二驱动件的输出轴连接的第一滑块；与所述第三驱动件的输出轴连接的第二滑块；第一连杆和第二连杆，所述第一滑块、所述第一连杆、所述第二连杆以及所述腿部依次转动连接；第三连杆和第四连杆，所述第一连杆、所述第三连杆、所述第四连杆以及所述腿部依次转动连接；第五连杆，一端与所述第二滑块转动连接，另一端与所述第二连杆的中部转动连接；所述第二连杆与所述第四连杆平行，所述第三连杆与所述腿部平行，所述第三连杆与所述第四连杆的连接端与所述足式机器人转动连接；其中，所述根据所述对地运动轨迹，确定所述连杆组件与所述腿部之间的相对位置变化，之前包括：
获取所述机械腿的初始位置，并根据所述初始位置确定所述机械腿的腿部平面；
基于所述腿部平面，获取所述第一连杆、所述第二连杆、所述第三连杆、所述第四连杆、所述第五连杆以及所述腿部的长度信息。
在一种实施方式中，所述根据所述对地运动轨迹，确定所述连杆组件与所述腿部之间的相对位置变化，包括：
根据所述对地运动轨迹以及所述长度信息，确定所述第三连杆和所述第四连杆的所述连接端与所述腿部的所述末端之间的距离，并确定所述腿部与所述第四连杆之间的角度；
根据所述第三连杆和所述第四连杆的所述连接端与所述腿部的所述末端之间的距离，以及所述腿部与所述第四连杆之间的角度，确定所述第三连杆的位置；
根据所述第三连杆的位置以及所述第一连杆和所述第三连杆的长度信息，确定所述第一滑块的位置，以确定所述连杆组件与所述腿部在水平方向上的相对位置变化。
在一种实施方式中，所述根据所述对地运动轨迹，确定所述连杆组件与所述腿部之间的相对位置变化，还包括：
根据所述对地运动轨迹、所述长度信息以及所述第三连杆的位置，确定所述第五连杆与所述第二连杆转动连接的所述另一端的位置；
根据所述第五连杆的所述另一端的位置以及所述第五连杆的长度信息，确定所述第二滑块的位置，以确定所述连杆组件与所述腿部在竖直方向上的相对位置变化。
在一种实施方式中，所述根据所述第一驱动件、所述第二驱动件和所述第三驱动件的传动系数，结合所述相对位置变化，确定所述第一驱动件、所述第二驱动件和所述第三驱动件的对地轨迹，包括：
根据所述第一驱动件的传动系数以及所述腿部的所述末端的所述对地运动轨迹，确定所述第一驱动件的对地轨迹；
根据所述第二驱动件的传动系数以及所述连杆组件与所述腿部在水平方向上的相对位置变化，确定所述第二驱动件的对地轨迹；
根据所述第三驱动件的传动系数以及所述连杆组件与所述腿部在竖直方向上的相对位置变化，确定所述第三驱动件的对地轨迹。
在一种实施方式中，所述根据所述第一驱动件、所述第二驱动件和所述第三驱动件的对地轨迹，确定所述连杆组件的结构变化，以对所述机械腿的运动进行控制，包括：
根据所述第一驱动件的对地轨迹，确定所述连杆组件相对水平面的转动角度；
根据所述第二驱动件的对地轨迹，结合所述长度信息，确定所述连杆组件在水平方向的延伸距离；
根据所述第三驱动件的对地轨迹，结合所述长度信息，确定所述连杆组件在竖直方向的延伸距离；
根据所述连杆组件相对水平面的转动角度、所述连杆组件在水平方向的延伸距离以及所述连杆组件在竖直方向的延伸距离，对所述机械腿的运动进行控制。
在一种实施方式中，所述第一驱动件为摆动驱动件；所述第二驱动件与所述第三驱动件为直线驱动件，且所述第二驱动件与所述第三驱动件的传动系数相等。
本发明第二方面还提供一种足式机器人，其中，所述足式机器人的机械腿由连杆组件和与所述连杆组件转动连接的腿部组成，所述机械腿还包括控制机械腿在水平面内转动的第一驱动件；与所述连杆组件连接以驱动所述腿部沿水平方向移动的第二驱动件；以及与所述连杆组件连接以驱动所述腿部沿竖直方向移动的第三驱动件，且通过如上任一项所述方法的步骤控制所述足式机器人的机械腿运动。
本发明第三方面还提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其中，所述处理器执行所述计算机程序时实现上任一项所述方法的步骤。
本发明第四方面还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现上任一项所述的方法的步骤。
有益效果：本发明公开了一种足式机器人运动控制方法及足式机器人，其中所述足式机器人的机械腿由连杆组件和与所述连杆组件转动连接的腿部组成，所述机械腿还包括控制机械腿相对水平面转动的第一驱动件；与所述连杆组件连接以驱动所述腿部沿水平方向移动的第二驱动件；以及与所述连杆组件连接以驱动所述腿部沿竖直方向移动的第三驱动件。进一步地，所述方法包括：获取移动指令，并根据所述移动指令确定所述腿部的末端的对地运动轨迹；根据所述对地运动轨迹，确定所述连杆组件与所述腿部之间的相对位置变化；根据所述第一驱动件、所述第二驱动件和所述第三驱动件的传动系数，结合所述相对位置变化，确定所述第一驱动件、所述第二驱动件和所述第三驱动件的对地轨迹；根据所述第一驱动件、所述第二驱动件和所述第三驱动件的对地轨迹，确定所述连杆组件的结构变化，对所述机械腿的运动进行控制。本发明通过所述足式机器人运动控制方法，可以有效降低对于算力的消耗，通过简单快捷的手段即可求得所述足式机器人正向/逆向运动学的显示解析解，无需增加额外的运动控制器就可以实现对于足式机器人的实时控制，有利于足式机器人的推广应用。
附图说明
图1是本发明中所述足式机器人的示意图。
图2是本发明中所述机械腿的主视图。
图3是本发明中所述机械腿的主视剖视图。
图4是本发明中所述机械腿的简化结构示意图。
图5是本发明所述足式机器人运动控制方法的流程图。
图6是本发明所述足式机器人运动控制方法中步骤S200的具体步骤流程图。
图7是本发明所述足式机器人运动控制方法中步骤S200另一实施方式中的具体步骤流程图。
图8是本发明所述足式机器人运动控制方法中步骤S300的具体步骤流程图。
图9是本发明所述足式机器人运动控制方法中步骤S400的具体步骤流程图。
附图标记说明：
10、机械腿；20、本体；100、固定基座；110、第一驱动件；200、腿部基座；210、第二驱动件；220、第三驱动件；300、连杆组件；310、第一滑块；320、第二滑块；330、第一连杆；340、第二连杆；350、第三连杆；360、第四连杆；370、第五连杆；400、腿部；410、末端。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明公开了一种足式机器人的运动控制方法，如图1所示，所述足式机器人在本体20的周围均匀排布并设有若干机械腿10，且所述机械腿10为统一设计。可选地，所述足式机器人为六足机器人，在所述本体20外围均匀设有六条机械腿10。可选地，所述足式机器人可以为四足机器人、八足机器人或其他任意数量机械腿的机器人。
具体地，如图2和图3所示，所述机械腿10包括固定基座100；与所述固定基座100转动连接的腿部基座200；与所述腿部基座200滑动连接的连杆组件300；以及与所述连杆组件300转动连接的腿部400。其中，所述固定基座100上设有第一驱动件110，所述第一驱动件110用于驱动所述腿部基座200相对于水平面转动；所述腿部基座200上设有第二驱动件210和第三驱动件220，所述第二驱动件210与所述连杆组件300连接以驱动所述腿部400沿水平方向移动，所述第三驱动件220与所述连杆组件300连接以驱动所述腿部400沿竖直方向移动。
进一步地，所述连杆组件300中包括第一滑块310、第二滑块320、第一连杆330、第二连杆340、第三连杆350、第四连杆360以及第五连杆370。其中，所述第一滑块310与所述第二驱动件210的输出轴相连；所述第二滑块320与所述第三驱动件220的输出轴相连；所述第一滑块310、所述第一连杆330、所述第二连杆340以及所述腿部400依次转动连接；所述第一连杆330、所述第三连杆350、所述第四连杆360以及所述腿部400依次转动连接；所述第五连杆370的一端与所述第二滑块320转动连接，所述第五连杆370的另一端与所述第二连杆340的中部转动连接，可选地，所述第五连杆370的所述另一端与所述第二连杆340的中间任意位置相连。进一步地，所述第二连杆340与所述第四连杆360平行，所述第三连杆350与所述腿部400平行，所述第三连杆350与所述第四连杆360的连接端与所述腿部基座200转动连接。因此所述第一驱动件110、所述第二驱动件210以及所述第三驱动件220控制所述连杆组件300中各连杆之间的位置、角度变化，即可实现控制所述腿部400的末端410移动至需要的位置，完成所述足式机器人的运动。
所述足式机器人的所述机械腿中，所述第一驱动件110可选为摆动电机，所述第二驱动件210可选为延伸电机，所述第三驱动件220可选为竖直电机。在所述第一驱动件110的驱动作用下，所述腿部基座200与所述固定基座100转动连接，且所述腿部基座200可以在水平面内转动，从而带动所述腿部400沿前后两个方向移动。在所述第二驱动件210的驱动作用下，所述连杆组件300可相对所述腿部基座200转动，并带动所述腿部400沿左右两个方向(属于水平方向)移动。在所述第三驱动件220的驱动作用下，所述连杆组件300可相对腿部基座200转动，并带动所述腿部400沿上下两个方向(也即竖直方向)移动。因此，通过所述第一驱动件110、所述第二驱动件210以及所述第三驱动件220驱动所述腿部400在上下左右前后六个方向上的移动，每条机械腿都为RPP三自由度腿，提高了机械腿的工作空间，但同样对于运动控制过程中的算力要求较大，特别在加上视觉系统和反馈系统后，算力显得更加珍贵。本发明在所述机械腿的基础上公开了一种足式机器人运动控制方法，可以通过解析法分别求得运动学正逆解，控制过程简便、快捷，可以解放算力，为机器人的后续控制提供便利。
具体地，如图5所示，本发明所述足式机器人运动控制方法，包括步骤：
S100、获取移动指令，并根据所述移动指令确定所述腿部400的末端410的对地运动轨迹。
S200、根据所述对地运动轨迹，确定所述连杆组件300与所述腿部400之间的相对位置变化。
S300、根据所述第一驱动件110、所述第二驱动件210和所述第三驱动件220的传动系数，结合所述相对位置变化，确定所述第一驱动件110、所述第二驱动件210和所述第三驱动件220的对地轨迹。
S400、根据所述第一驱动件110、所述第二驱动件210和所述第三驱动件220的对地轨迹，确定所述连杆组件300的结构变化，以对所述机械腿的运动进行控制。
具体地，所述机械腿同时具有串联结构和并联结构，因此其活动行程大，可以灵活调整机器人高度，适应不同地形和工作场景。这种设计增强了机器人抵抗侧向倾覆的能力，同时使电机和机身固定，结构紧凑，利于电器元件的防护，使得机器人在更复杂更苛刻环境中工作成为可能。同时，通过空间几何对所述机械腿在运动过程中的结构变化进行解析，通过各驱动件的原始工作状态(传动系数)结合所述连杆组件300内部的角度变化，即可以求解出正向/逆向运动学的显示解析解，计算过程简单快捷，不会占用过多算力，从而保证对于所述足式机器人的实时运动控制。
进一步地，在所述步骤S100之后，所述步骤S200之前，包括步骤：
S110、获取所述机械腿的初始位置，并根据所述初始位置确定所述机械腿的腿部平面。
S120、基于所述腿部平面，获取所述第一连杆330、所述第二连杆340、所述第三连杆350、所述第四连杆360、所述第五连杆370以及所述腿部400的长度信息。
具体地，因为所述机械腿通过所述第一驱动件110控制整个机械腿相对于水平面转动，因此所述连杆组件300与所述腿部400在运动过程中保持在同一平面内，因此基于所述腿部平面获取的所述长度信息可以认为保持不变。
为了通过所述连杆组件300实现所述腿部400的所述末端410的移动，所述连杆组件300形成伸缩网格的形式，所述第二连杆340、所述第三连杆350、所述第四连杆360以及所述腿部400的顶端围绕形成平行四边形网格，此平行四边形网格可以变形进行伸缩，所述第二驱动件210可驱动所述第一滑块310沿水平方向滑动，从而使得所述连杆组件300变形，通过所述连杆组件300在水平方向上的结构变化实现所述腿部400的所述末端410沿水平方向的左右两个方向移动。
进一步地，所述第五连杆370的一端与所述第二滑块320转动连接，所述第五连杆370的另一端与所述第二连杆340的中部转动连接，所述第三驱动件220可驱动所述第二滑块320沿竖直方向滑动，从而使得所述连杆组件300变形，通过所述连杆组件300在竖直方向上的结构变化，实现所述腿部400的所述末端410沿竖直方向的上下两个方向移动。
在本发明实施例的一种实现方式中，所述第五连杆370为弧形连杆，且弧形连杆向所述腿部400所在的一侧凸出。在对所述机械腿的运动控制过程中，所述第五连杆370推动所述第二连杆340，并使平行四边形网格变形时，采用弧形连杆可以更容易地推动所述第二连杆340转动。
进一步地，如图6所示，所述步骤S200具体包括步骤：
S210、根据所述对地运动轨迹以及所述长度信息，确定所述第三连杆350和所述第四连杆360的所述连接端与所述腿部400的所述末端410之间的距离，并确定所述腿部400与所述第四连杆360之间的角度。
S220、根据所述第三连杆350和所述第四连杆360的所述连接端与所述腿部400的所述末端410之间的距离，以及所述腿部400与所述第四连杆360之间的角度，确定所述第三连杆350的位置。
S230、根据所述第三连杆350的位置以及所述第一连杆330和所述第三连杆350的长度信息，确定所述第一滑块310的位置，以确定所述连杆组件300与所述腿部400在水平方向上的相对位置变化。
具体地，在获得所述末端410的对地运动轨迹以及所述第一连杆330、所述第二连杆340、所述第三连杆350、所述第四连杆360、所述第五连杆370以及所述腿部400的长度信息后，首先可以由所述末端410的对地运动轨迹确定所述第三连杆350和所述第四连杆360的所述连接端与所述腿部400的所述末端410之间的距离；然后利用余弦定理，通过所述第三连杆350和所述第四连杆360的所述连接端与所述腿部400的所述末端410之间的距离、所述腿部400的长度以及所述第四连杆360的长度，可以得到所述腿部400与所述第四连杆360之间的角度；然后通过平行四边形的几何关系，可以计算得到所述第三连杆350与竖直方向的角度，再结合所述第三连杆350的长度即可求出所述第三连杆350在所述连杆组件300内的位置；再结合所述第三连杆350在所述连杆组件300内的位置以及所述第一连杆330的长度，即可确定所述第一滑块310的位置，从而确定所述连杆组件300与所述腿部400在水平方向上的相对位置变化，即所述第二驱动件210需要控制所述连杆组件300实现的运动。因此通过简单的几何关系就可以推导得到所述连杆组件300与所述腿部400在运动过程中的相对位置关系，无需额外算力即可快速得出结果，方便足式机器人的实时控制。
进一步地，如图7所示，所述步骤S200还包括步骤：
S240、根据所述对地运动轨迹、所述长度信息以及所述第三连杆350的位置，确定所述第五连杆370与所述第二连杆340转动连接的所述另一端的位置。
S250、根据所述第五连杆370的所述另一端的位置以及所述第五连杆370的长度信息，确定所述第二滑块320的位置，以确定所述连杆组件300与所述腿部440在竖直方向上的相对位置变化。
具体地，在获得所述末端410的对地运动轨迹以及所述第一连杆330、所述第二连杆340、所述第三连杆350、所述第四连杆360、所述第五连杆370以及所述腿部400的长度信息后，结合所述步骤S220中确定的所述第三连杆350的位置，利用平行向量的计算关系，即可确定所述第五连杆与所述第二连杆转动连接的所述另一端的位置。结合所述第五连杆370的长度，通过勾股定理即可计算得到所述第二滑块320的位置，从而确定所述连杆组件300与所述腿部400在竖直方向上的相对位置变化，即所述第三驱动件220需要控制所述连杆组件300实现的运动。因此通过简单的几何关系就可以推导得到所述连杆组件300与所述腿部400在运动过程中的相对位置关系，无需额外算力即可快速得出结果，方便足式机器人的实时控制。
进一步地，如图8所示，所述步骤S300具体包括步骤：
S310、根据所述第一驱动件110的传动系数以及所述腿部400的所述末端410的所述对地运动轨迹，确定所述第一驱动件110的对地轨迹。
S320、根据所述第二驱动件210的传动系数以及所述连杆组件300与所述腿部400在水平方向上的相对位置变化，确定所述第二驱动件210的对地轨迹。
S330、根据所述第三驱动件220的传动系数以及所述连杆组件300与所述腿部400在竖直方向上的相对位置变化，确定所述第三驱动件220的对地轨迹。
具体地，所述连杆组件300与所述腿部400在水平方向上的相对位置变化由所述第一滑块310的位置确定，所述连杆组件300与所述腿部400在竖直方向上的相对位置变化由所述第二滑块320的位置确定。通过所述末端410的对地运动轨迹即可确定腿部平面相对于初始平面的转动角度，即所述第一驱动件110需要控制所述连杆组件300实现的运动。其中，驱动件的对地轨迹与相应传动系数相乘即可得到驱动件输出的运动控制效果，在确定所述第一驱动件110、所述第二驱动件210以及所述第三驱动件220需要输出的运动控制效果(即需要控制所述连杆组件300实现的运动)，结合传动系数即可逆推得到所述第一驱动件110、所述第二驱动件210以及所述第三驱动件220的对地轨迹。这样通过简单的计算就可以得到足式机器人的逆向运动学的显示解析解，无需额外添加算力即可完成控制，可以解放计算所需资源，可以更有效地实现对足式机器人的实时控制。
可选地，所述第一驱动件110为摆动驱动件，所述第二驱动件210和所述第三驱动件220位直线驱动件，且所述第二驱动件210与所述第三驱动件220的传动系数相等。
进一步地，如图9所示，所述步骤S400具体包括步骤：
S410、根据所述第一驱动件110的对地轨迹，确定所述连杆组件300相对水平面的转动角度。
S420、根据所述第二驱动件210的对地轨迹，结合所述长度信息，确定所述连杆组件300在水平方向的延伸距离。
S430、根据所述第三驱动件220的对地轨迹，结合所述长度信息，确定所述连杆组件300在竖直方向的延伸距离。
S440、根据所述连杆组件300相对水平面的转动角度、所述连杆组件300在水平方向的延伸距离以及所述连杆组件300在竖直方向的延伸距离，对所述机械腿的运动进行控制。
具体地，确定所述第一驱动件110、所述第二驱动件210以及所述第三驱动件220的对地轨迹后，控制所述第一驱动件110、所述第二驱动件210以及所述第三驱动件220开始工作，结合各自的传动系数即可确定实际输出的运动控制效果。其中，通过所述第一驱动件110输出的运动控制效果实现所述机械腿相对于水平面的转动；通过所述第二驱动件210输出的运动控制效果实现所述机械腿在水平面内水平方向的延伸；通过所述第三驱动件220输出的运动控制效果实现所述机械腿在水平面内竖直方向的延伸。这样通过简单的计算就可以得到足式机器人的正向运动学显示解析解，无需额外添加算力即可完成控制，可以解放计算所需资源，可以更有效地实现对足式机器人的实时控制。
以下结合具体实施例详细说明本发明所述足式机器人运动控制方法的控制过程。
如图4所示是将腿部结构投影到腿部平面获得的结构简化示意图，图中将连杆简化为直线，而滑块和连杆之间的连接端简化为端点。在计算过程中，我们需要把末端410的坐标投影到腿部平面上得到点E，并建立坐标系xpPyp和x′pAy′p。其中，基于原点P建立的坐标系xpPyp中，yP与腿部平面转轴重合，xP与初始腿部平面共面；基于原点A建立的坐标系x′pAy′p中，y′P与yP平行并经过点A，x′P与xP平行并经过点A。
具体地，如图4所示，在所述机械腿的结构简化示意图中，所述第一滑块310对应点H，所述第二滑块320对应点B，所述第一连杆330对应线段GH，所述第二连杆340对应线段DG，所述第三连杆350对应线段AG，所述第四连杆360对应线段AC，所述第五连杆370对应线段BF，所述第五连杆370的一端点B与所述第二滑块重合，所述第五连杆370的另一端点F设置在所述第二连杆340(DG)的中部，所述腿部400对应线段CE。而所述第一连杆330、所述第二连杆340、所述第三连杆350、所述第四连杆360、所述第五连杆370以及所述腿部400的长度信息即分别对应线段GH、DG、AG、AC、BF以及CE的长度。进一步地，第一驱动件110与固定基座100的连接点对应点P，所述第三连杆350和所述第四连杆360的连接端对应点A并设置在腿部基座200上。
所谓逆向运动学的解析解(运动学逆解)，此处即指已知末端410(点E)在腿平面坐标系下的对地运动轨迹(空间坐标E(x,y,z))的情况下，求解关节空间电机q(q0,q1,q2)的位置，其中q0,q1,q2分别对应第二驱动件210、第三驱动件220和第一驱动件110的位置。由图3所示可知，所述第二驱动件210和所述第三驱动件220与所述腿部基座200固定，两者共同决定所述末端410的平面位置，而所述第一驱动件110驱动整个腿部基座200转动，完成三维运动。因此，可以将三维问题转换为二维问题，求解更轻松，所需算力更小，控制过程更快捷。
y0＝y (2)
α＝atan2(z，x) (3)
Δα＝α-α0 (4)
此处x0，y0为末端410(点E)在坐标系xpPyp内的坐标，α为腿平面相对于初始位置的夹角，α0为腿平面所在的初始位置，此处初始位置为水平面，α0＝0。
进一步地，由于所述第一驱动件110仅用于驱动所述机械腿相对于水平面转动，而所述固定基座100和所述腿部基座200的相对位置关系保持固定，因此点A和点P的位置相对固定，后续的推导均在坐标系x′pAy′p下完成，以简化计算内容并降低对算力的需求。
连接AE，根据所述末端410的初始位置与所述第三连杆350和所述第四连杆360的所述连接端(点A)的位置关系可以得到AE的长度，再结合余弦定理可以在△ACE中计算得出：
∠ECA＝acos((CE2+AC2-AE2)/(2·AC·CE)) (7)
∠CAG＝acos((AC2+AE2-CE2)/(2·AC·AE)) (8)
同时，所述第三连杆350平行所述腿部400，所述第二连杆340平行所述第四连杆360，因此四边形ACDG是平行四边形，根据平行四边形的几何关系，可以获得以下的式子：
∠CAG＝π-∠ECA (9)
∠EAG＝∠CAG-∠CAE (10)
∠GAJ＝∠EAJ-∠EAG (12)
在后面的推导中，没有特殊说明，形如Px,Py的符号均表示在坐标系x′pAy′p下某一点(此例为P点)的x和y坐标。
过H做水平线交过G的铅垂线于点N，通过勾股定理可得：
其中，H0x和B0y为初始状态下所述第一滑块310(H点)的横坐标和所述第二滑块320(B点)的纵坐标，即所述第一滑块310和所述第二滑块320在初始状态下相对于所述第三连杆350和所述第四连杆360的所述连接端(点A)的位置关系。
Δx＝Hx-H0x＝(Gx-HN)-H0x (15)
此外，通过平行向量的计算关系继续推导可以得到所述第五连杆370与所述第二连杆340转动连接的所述另一端(点F)的位置：
其中，点F为所述第五连杆370与所述第二连杆340的连接点。可选地，点F为线段DG的中点，或点F为线段DG中间任意比例处的一点，即线段DF和线段GF的长度可以通过线段DG的长度以及点F在DG上的位置计算得出。过F作水平线交AJ于M，过B作铅垂线交FM于点L，则所述第二滑块320的位置变化Δy计算结果如下：
Δy＝By-B0y＝(Fy+BL)-B0y (22)
值得说明的是，Hy(所述第一滑块310在竖直方向上的坐标)和Bx(所述第二滑块320在水平方向上的坐标)与机身位置相对固定，为常数。至此，所有状态量Δx,Δy,Δα均已求出，再通过两种传动结构传动系数(令第二驱动件210和第三驱动件220的传动系数为k1，第一驱动件110的传动系数为k2，对应具体的驱动件，传动系数为常数)，计算得到关节空间坐标q(q0,q1,q2)，即所述第一驱动件110、所述第二驱动件210及所述第三驱动件220的位置：
运动学逆解计算完毕。
在后续控制过程中，还需要对所述机械腿的正向运动学求解，其中正向运动学为已知关节空间电机q(q0,q1,q2)的位置，即第一驱动件110、第二驱动件210及第三驱动件220的位置，求解末端410在腿坐标系下的空间坐标E(x,y,z)。与运动学逆解相反，正解求解过程为先在平面内求解末端位置，再转换到三维空间中，这种结构因为没有多解，也为求解提供了方便。
首先，表示出在腿平面坐标系x′pAy′p下的Hx和By：
Δx＝-k1q0 (24)
Δy＝k1q1 (25)
Hx＝H0x+Δx (26)
By＝B0y+Δy (27)
然后，利用勾股定理和余弦定理在腿平面内可以计算得到：
∠GAH＝acos((AG2+AH2-GH2)/2·AH·AG) (29)
∠HAJ＝atan(Hx/Hy) (30)
∠GAJ＝∠GAH-∠HAJ (31)
由此，可以表示出Gx,Gy：
Gx＝AG·sin∠GAJ (32)
Gy＝-AG·cos∠GAJ (33)
过G点向T点作水平线，线段GF的长度可以通过线段DG的长度以及点F在DG上的位置计算得出随后，我们需要求出∠FGT来表示F点的坐标(即F点的位置)：
∠BGT＝atan2(By-Gy，Bx-Gx) (34)
∠BGT＝acos((BG2+GF2-BF2)/(2·BG·GF)) (36)
∠FGT＝∠BGT-∠BGF (37)
因此，通过向量加法关系可以求得
把坐标系x′pAy′p下的转换到坐标系xpPyp下的(x0,y0)：
然后，把2D的解转换为3D的解：
Δα＝k2q2 (43)
α＝α0+Δα (44)
z＝x·tanα (46)
最后，正向运动学的解可以写为：
至此，正向运动学求解完毕。
进一步地，本发明还提供了一种足式机器人，并通过如上所述的足式机器人运动控制方法控制所述足式机器人的运动。优选地，所述足式机器人为六足机器人。
基于上述任意一实施例的足式机器人运动控制方法，本发明还提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如下步骤：
获取移动指令，并根据所述移动指令确定腿部的末端的对地运动轨迹；
根据所述对地运动轨迹，确定连杆组件与所述腿部之间的相对位置变化；
根据第一驱动件、第二驱动件和第三驱动件的传动系数，结合所述相对位置变化，确定所述第一驱动件、所述第二驱动件和所述第三驱动件的对地轨迹；
根据所述第一驱动件、所述第二驱动件和所述第三驱动件的对地轨迹，确定所述连杆组件的结构变化，对所述机械腿的运动进行控制，以控制所述足式机器人的运动。
基于上述任意一实施例的足式机器人运动控制方法，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时实现如下步骤：
获取移动指令，并根据所述移动指令确定腿部的末端的对地运动轨迹；
根据所述对地运动轨迹，确定连杆组件与所述腿部之间的相对位置变化；
根据第一驱动件、第二驱动件和第三驱动件的传动系数，结合所述相对位置变化，确定所述第一驱动件、所述第二驱动件和所述第三驱动件的对地轨迹；
根据所述第一驱动件、所述第二驱动件和所述第三驱动件的对地轨迹，确定所述连杆组件的结构变化，对所述机械腿的运动进行控制，以控制所述足式机器人的运动。
综上所述，本发明公开了一种足式机器人运动控制方法及足式机器人，其中所述足式机器人的机械腿由连杆组件和与所述连杆组件转动连接的腿部组成，所述机械腿还包括控制机械腿相对水平面转动的第一驱动件；与所述连杆组件连接以驱动所述腿部沿水平方向移动的第二驱动件；以及与所述连杆组件连接以驱动所述腿部沿竖直方向移动的第三驱动件。进一步地，所述方法包括：获取移动指令，并根据所述移动指令确定所述腿部的末端的对地运动轨迹；根据所述对地运动轨迹，确定所述连杆组件与所述腿部之间的相对位置变化；根据所述第一驱动件、所述第二驱动件和所述第三驱动件的传动系数，结合所述相对位置变化，确定所述第一驱动件、所述第二驱动件和所述第三驱动件的对地轨迹；根据所述第一驱动件、所述第二驱动件和所述第三驱动件的对地轨迹，确定所述连杆组件的结构变化，对所述机械腿的运动进行控制。本发明通过所述足式机器人运动控制方法，可以有效降低对于算力的消耗，通过简单快捷的手段即可求得所述足式机器人正向/逆向运动学的显示解析解，无需增加额外的运动控制器就可以实现对于足式机器人的实时控制，有利于足式机器人的推广应用。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种足式机器人运动控制方法，所述足式机器人的机械腿由固定基座、与所述固定基座转动连接的腿部基座、与所述腿部基座转动连接的连杆组件和与所述连杆组件转动连接的腿部组成，所述机械腿还包括控制机械腿相对水平面转动的第一驱动件；与所述连杆组件连接以驱动所述腿部沿水平方向移动的第二驱动件；以及与所述连杆组件连接以驱动所述腿部沿竖直方向移动的第三驱动件，其特征在于，所述方法包括：
获取移动指令，并根据所述移动指令确定所述腿部的末端的对地运动轨迹；
根据所述对地运动轨迹，确定所述连杆组件与所述腿部之间的相对位置变化；
根据所述第一驱动件、所述第二驱动件和所述第三驱动件的传动系数，结合所述相对位置变化，确定所述第一驱动件、所述第二驱动件和所述第三驱动件的对地轨迹；
根据所述第一驱动件、所述第二驱动件和所述第三驱动件的对地轨迹，确定所述连杆组件的结构变化，对所述机械腿的运动进行控制；
所述连杆组件包括：与所述第二驱动件的输出轴连接的第一滑块；与所述第三驱动件的输出轴连接的第二滑块；第一连杆和第二连杆，所述第一滑块、所述第一连杆、所述第二连杆以及所述腿部依次转动连接；第三连杆和第四连杆，所述第一连杆、所述第三连杆、所述第四连杆以及所述腿部依次转动连接；第五连杆，一端与所述第二滑块转动连接，另一端与所述第二连杆的中部转动连接；所述第二连杆与所述第四连杆平行，所述第三连杆与所述腿部平行，所述第三连杆与所述第四连杆的连接端转动连接于所述腿部基座上；其中，所述根据所述对地运动轨迹，确定所述连杆组件与所述腿部之间的相对位置变化，之前包括：
获取所述机械腿的初始位置，并根据所述初始位置确定所述机械腿的腿部平面；
基于所述腿部平面，获取所述第一连杆、所述第二连杆、所述第三连杆、所述第四连杆、所述第五连杆以及所述腿部的长度信息；
所述根据所述对地运动轨迹，确定所述连杆组件与所述腿部之间的相对位置变化，包括：
根据所述对地运动轨迹以及所述长度信息，确定所述第三连杆和所述第四连杆的所述连接端与所述腿部的所述末端之间的距离，并确定所述腿部与所述第四连杆之间的角度；
根据所述第三连杆和所述第四连杆的所述连接端与所述腿部的所述末端之间的距离，以及所述腿部与所述第四连杆之间的角度，确定所述第三连杆的位置；
根据所述第三连杆的位置以及所述第一连杆和所述第三连杆的长度信息，确定所述第一滑块的位置，以确定所述连杆组件与所述腿部在水平方向上的相对位置变化。
2.根据权利要求1所述的足式机器人运动控制方法，其特征在于，所述根据所述对地运动轨迹，确定所述连杆组件与所述腿部之间的相对位置变化，还包括：
根据所述对地运动轨迹、所述长度信息以及所述第三连杆的位置，确定所述第五连杆与所述第二连杆转动连接的所述另一端的位置；
根据所述第五连杆的所述另一端的位置以及所述第五连杆的长度信息，确定所述第二滑块的位置，以确定所述连杆组件与所述腿部在竖直方向上的相对位置变化。
3.根据权利要求2所述的足式机器人运动控制方法，其特征在于，所述根据所述第一驱动件、所述第二驱动件和所述第三驱动件的传动系数，结合所述相对位置变化，确定所述第一驱动件、所述第二驱动件和所述第三驱动件的对地轨迹，包括：
根据所述第一驱动件的传动系数以及所述腿部的所述末端的所述对地运动轨迹，确定所述第一驱动件的对地轨迹；
根据所述第二驱动件的传动系数以及所述连杆组件与所述腿部在水平方向上的相对位置变化，确定所述第二驱动件的对地轨迹；
根据所述第三驱动件的传动系数以及所述连杆组件与所述腿部在竖直方向上的相对位置变化，确定所述第三驱动件的对地轨迹。
4.根据权利要求1所述的足式机器人运动控制方法，其特征在于，所述根据所述第一驱动件、所述第二驱动件和所述第三驱动件的对地轨迹，确定所述连杆组件的结构变化，以对所述机械腿的运动进行控制，包括：
根据所述第一驱动件的对地轨迹，确定所述连杆组件相对水平面的转动角度；
根据所述第二驱动件的对地轨迹，结合所述长度信息，确定所述连杆组件在水平方向的延伸距离；
根据所述第三驱动件的对地轨迹，结合所述长度信息，确定所述连杆组件在竖直方向的延伸距离；
根据所述连杆组件相对水平面的转动角度、所述连杆组件在水平方向的延伸距离以及所述连杆组件在竖直方向的延伸距离，对所述机械腿的运动进行控制。
5.根据权利要求1所述的足式机器人运动控制方法，其特征在于，所述第一驱动件为摆动驱动件；所述第二驱动件与所述第三驱动件为直线驱动件，且所述第二驱动件与所述第三驱动件的传动系数相等。
6.一种足式机器人，其特征在于，所述足式机器人的机械腿由连杆组件和与所述连杆组件转动连接的腿部组成，所述机械腿还包括控制机械腿在水平面内转动的第一驱动件；与所述连杆组件连接以驱动所述腿部沿水平方向移动的第二驱动件；以及与所述连杆组件连接以驱动所述腿部沿竖直方向移动的第三驱动件，且通过如权利要求1-5中任一项所述的方法控制所述足式机器人的机械腿运动。
7.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-5中任一项所述的方法。
8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-5中任一项所述的方法。
CN202210798408.2A 2022-07-08 2022-07-08 一种足式机器人运动控制方法及足式机器人 Active CN115339542B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210798408.2A CN115339542B (zh) 2022-07-08 2022-07-08 一种足式机器人运动控制方法及足式机器人

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210798408.2A CN115339542B (zh) 2022-07-08 2022-07-08 一种足式机器人运动控制方法及足式机器人

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN115339542A CN115339542A (zh) 2022-11-15
CN115339542B true CN115339542B (zh) 2023-11-07

Family

ID=83947486

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210798408.2A Active CN115339542B (zh) 2022-07-08 2022-07-08 一种足式机器人运动控制方法及足式机器人

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115339542B (zh)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112859875A (zh) * 2021-01-28 2021-05-28 南方科技大学 足式机器人运动轨迹优化方法、设备及存储介质
CN113320615A (zh) * 2021-06-30 2021-08-31 南方科技大学 一种机械腿及机器人
CN113524177A (zh) * 2021-06-25 2021-10-22 南方科技大学 一种足式机器人的控制方法
CN113581317A (zh) * 2021-07-28 2021-11-02 南方科技大学 一种仿生六足机器人
CN113835429A (zh) * 2021-09-08 2021-12-24 南方科技大学 一种仿生双足机器人的控制方法及仿生双足机器人
CN114625129A (zh) * 2022-02-22 2022-06-14 中国科学院自动化研究所 位控腿足机器人的运动控制方法及系统

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112859875A (zh) * 2021-01-28 2021-05-28 南方科技大学 足式机器人运动轨迹优化方法、设备及存储介质
CN113524177A (zh) * 2021-06-25 2021-10-22 南方科技大学 一种足式机器人的控制方法
CN113320615A (zh) * 2021-06-30 2021-08-31 南方科技大学 一种机械腿及机器人
CN113581317A (zh) * 2021-07-28 2021-11-02 南方科技大学 一种仿生六足机器人
CN113835429A (zh) * 2021-09-08 2021-12-24 南方科技大学 一种仿生双足机器人的控制方法及仿生双足机器人
CN114625129A (zh) * 2022-02-22 2022-06-14 中国科学院自动化研究所 位控腿足机器人的运动控制方法及系统

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
余杰先等.一种仿Cassie的双足机器人腿部构型运动学分析.机电工程技术.2021,第50卷(第12期),第135-138页. *

Also Published As

Publication number Publication date
CN115339542A (zh) 2022-11-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Badler et al. Multi-dimensional input techniques and articulated figure positioning by multiple constraints
US8306661B2 (en) Method and system for establishing no-entry zone for robot
CN107820456B (zh) 用于冗余优化地规划移动式机器人的操作的方法
CN108994832B (zh) 一种基于rgb-d相机的机器人手眼系统及其自标定方法
US6047610A (en) Hybrid serial/parallel manipulator
US6339969B1 (en) Three-degree-of-freedom parallel planar manipulator
US20160158936A1 (en) Collision avoidance method, control device, and program
US9043030B2 (en) Manipulator and path generation method thereof
Siradjuddin et al. A position based visual tracking system for a 7 DOF robot manipulator using a Kinect camera
CN103624790B (zh) 六自由度机械臂遥操作控制方法
CN107253191B (zh) 一种双机械臂系统及其协调控制方法
JP2014014920A (ja) 機構制御装置、プログラム及び機構制御方法
CN115648200A (zh) 复合型机器人协同控制方法及系统
CN111496783B (zh) 一种6r工业机器人逆运动学求解方法
CN115339542B (zh) 一种足式机器人运动控制方法及足式机器人
CN109129469B (zh) 机械臂运动学逆解方法、装置及机械臂
CN109693235A (zh) 一种仿人眼视觉跟踪装置及其控制方法
Diftler et al. Robonaut mobile autonomy: Initial experiments
CN115357851A (zh) 一种用于人机交互系统的主从端混合映射方法及其应用
KR101444130B1 (ko) 로봇의 어깨 관절 장치
Zhang et al. A visual tele-operation system for the humanoid robot BHR-02
CN113986019B (zh) 基于执行末端控制的作业设备的远程驾驶操控方法与系统
Sugihara et al. A handy humanoid robot navigation by non-interruptive switching of guided point and synergetic points
JP2676721B2 (ja) 多関節型ロボットの制御装置
JPH0468646B2 (zh)

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant