CN116859978A - 一种双足机器人踝关节控制的逆运动学求解方法及装置 - Google Patents
一种双足机器人踝关节控制的逆运动学求解方法及装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116859978A CN116859978A CN202310994336.3A CN202310994336A CN116859978A CN 116859978 A CN116859978 A CN 116859978A CN 202310994336 A CN202310994336 A CN 202310994336A CN 116859978 A CN116859978 A CN 116859978A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- angle
- connecting rod
- point
- determining
- coordinate system
- 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.)
- Granted
Links
- 210000000544 articulatio talocruralis Anatomy 0.000 title claims abstract description 69
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 44
- 239000013598 vector Substances 0.000 claims abstract description 58
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 34
- 210000002683 foot Anatomy 0.000 claims description 33
- 210000003423 ankle Anatomy 0.000 claims description 16
- 238000004590 computer program Methods 0.000 claims description 16
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 6
- 230000001131 transforming effect Effects 0.000 claims description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 14
- 230000006870 function Effects 0.000 description 10
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 8
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 6
- 244000309466 calf Species 0.000 description 5
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 description 3
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 239000004973 liquid crystal related substance Substances 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000001413 cellular effect Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 230000005055 memory storage Effects 0.000 description 1
- 229920001296 polysiloxane Polymers 0.000 description 1
- 230000000750 progressive effect Effects 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 239000010979 ruby Substances 0.000 description 1
- 229910001750 ruby Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Manipulator (AREA)
Abstract
本说明书公开了一种双足机器人踝关节控制的逆运动学求解方法及装置，该双足机器人通过并联曲柄连杆和关节电机控制，可以获取双足机器人踝关节转动所需的俯仰角与滚转角，并根据俯仰角与滚转角确定连杆的下球铰点在小腿坐标系下的坐标，以小腿坐标系为参考坐标系确定关联点与连杆的下球铰点之间的相对位置矢量；而后，可以根据该相对位置矢量、关联点与连杆的上球铰点之间的曲柄长度以及连杆长度，确定关节电机转动所需的角度；进一步根据踝关节转动所需的俯仰角速度与滚转角速度，确定关节电机转动所需的角速度；最终根据角度以及角速度，对关节电机进行控制。本方法能够通过几何关系较为迅速地求出关节电机所需转动的角度，进而对电机进行控制。
Description
技术领域
本说明书涉及机器人技术领域，尤其涉及一种双足机器人踝关节控制的逆运动学求解方法及装置。
背景技术
在采用并联机构驱动踝关节进而控制双足机器人行走时，具体可以有多种实现方式，如，利用行星滚珠丝杆驱动结合连杆传动，或是通过电机曲柄驱动结合连杆传动。相比于丝杆驱动结合连杆传动的方式，曲柄驱动结合连杆传动的方式具有更快的响应速度与更高的运动性能。但在通过并联曲柄连杆机构驱动踝关节进而控制双足机器人行走的场景下，现有技术中没有给出具体该如何控制踝关节电机进行转动，特别是如何将踝关节的转动通过逆运动学转化为踝关节电机的转动。
因此，针对采用并联曲柄连杆机构驱动的双足机器人踝关节，如何通过逆运动学将踝关节的转动转化为踝关节电机的转动，进而控制踝关节电机实现双足机器人行走，则是一个亟待解决的问题。
发明内容
本说明书提供一种双足机器人踝关节控制的逆运动学求解方法及装置，以部分地解决现有技术存在的上述问题。
本说明书采用下述技术方案：
本说明书提供了一种双足机器人踝关节控制的逆运动学求解方法，所述双足机器人踝关节通过并联曲柄连杆以及关节电机进行控制，包括：
获取双足机器人踝关节转动所需的俯仰角和滚转角，并根据所述俯仰角和所述滚转角，确定所述机器人踝关节按照所述俯仰角以及所述滚转角转动的情况下，所述连杆的下球铰点在小腿坐标系下的坐标；
确定出所述关节电机轴线上与所述连杆的上球铰点对应的关联点，并以小腿坐标系为参考坐标系，确定所述关联点与所述连杆的下球铰点之间的相对位置矢量；
根据所述关联点与所述下球铰点之间的相对位置矢量、所述关联点与所述连杆的上球铰点之间的曲柄长度以及所述连杆的长度，确定所述关节电机所需转动的角度；
根据所述角度，对所述关节电机进行控制。
可选地，根据所述俯仰角和所述滚转角，确定所述机器人踝关节按照所述俯仰角以及所述滚转角转动的情况下，所述连杆的下球铰点在小腿坐标系下的坐标，具体包括：
根据所述俯仰角和所述滚转角，确定旋转矩阵，所述旋转矩阵用于表示双足机器人足部坐标系到小腿坐标系之间的坐标转换关系，所述足部坐标系随机器人足部的转动而转动；
根据所述旋转矩阵，将连杆的下球铰点坐标从足部坐标系变换至小腿坐标系。
可选地，确定出所述关节电机轴线上与所述连杆的上球铰点对应的关联点，具体包括：
确定出所述关节电机轴线上与所述连杆的上球铰点的y轴坐标一致的点，作为所述关联点。
可选地，根据所述关联点与所述下球铰点之间的相对位置矢量、所述关联点与所述上球铰点之间的曲柄长度以及所述连杆的长度，确定所述关节电机所需转动的角度，具体包括：
根据所述关联点与所述下球铰点之间的相对位置矢量中的z分量以及x分量，确定第一角度；
根据所述相对位置矢量、所述连杆的长度以及所述关联点与所述上球铰点之间的曲柄长度，确定第二角度；
根据所述第一角度与所述第二角度，确定所述关节电机所需转动的角度。
可选地，根据所述相对位置矢量、所述连杆的长度以及所述关联点与所述上球铰点之间的曲柄长度，确定第二角度，具体包括：
根据所述关联点与所述下球铰点之间的相对位置矢量中的z分量以及x分量，确定所述z分量与所述x分量所组成的斜边长度；
根据所述连杆的长度、所述相对位置矢量中的y分量，确定所述连杆对应的投影线段长度；
根据所述斜边长度、所述投影线段长度以及所述曲柄长度，确定所述第二角度。
可选地，根据所述角度，对所述关节电机进行控制，具体包括：
根据踝关节转动所需的俯仰角速度与滚转角速度，确定所述关节电机转动所需的角速度；
根据所述角度以及所述角速度，对所述关节电机进行控制。
本说明书提供了一种双足机器人踝关节控制的逆运动学求解装置，所述双足机器人踝关节通过并联曲柄连杆以及关节电机进行控制，包括：
坐标确定模块，用于获取机器人踝关节所需转动的俯仰角和滚转角，并根据所述俯仰角和所述滚转角，确定所述机器人踝关节按照所述俯仰角以及所述滚转角转动的情况下，所述并联曲柄连杆中的连杆下球铰点在小腿坐标系下的坐标；
矢量确定模块，用于确定出关节电机轴线上与所述连杆的上球铰点对应的关联点，并以小腿坐标系为参考坐标系，确定所述关联点与所述连杆下球铰点之间的相对位置矢量；
角度确定模块，用于根据所述关联点与所述下球铰点之间的相对位置矢量、所述关联点与所述连杆的上球铰点之间的曲柄长度以及所述连杆的长度，确定所述关节电机所需转动的角度；
控制模块，根据所述角度，对所述关节电机进行控制。
可选地，所述坐标确定模块，具体用于根据所述俯仰角和所述滚转角，确定旋转矩阵，所述旋转矩阵用于表示机器人足部坐标系到小腿坐标系之间的坐标转换关系，所述足部坐标系随机器人足部的转动而转动；根据所述旋转矩阵，将连杆的下球铰点坐标从足部坐标系变换至小腿坐标系。
本说明书提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述双足机器人踝关节控制的逆运动学求解方法。
本说明书提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述双足机器人踝关节控制的逆运动学求解方法。
本说明书采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
从上述双足机器人踝关节控制的逆运动学求解方法中可以看出，可以获取双足机器人踝关节所需转动的俯仰角和滚转角，并根据俯仰角和滚转角，确定机器人踝关节按照俯仰角以及滚转角转动的情况下，并联曲柄连杆中的连杆的下球铰点在小腿坐标系下的坐标，而后，确定出关节电机轴线上与连杆的上球铰点对应的关联点，并以小腿坐标系为参考坐标系，确定关联点与连杆的下球铰点之间的相对位置矢量。进而，根据关联点与下球铰点之间的相对位置矢量、关联点与连杆的上球铰点之间的曲柄长度以及连杆的长度，确定关节电机所需转动的角度，根据角度，对关节电机进行控制。
从上述内容中可以看出，在计算该如何通过逆运动学求解的方式控制电机转动时，可以先确定出关联点，进而通过计算出该关联点与下球铰点之间的相对位置矢量，求解出电机所需转动的角度，在求解时除了该相对位置矢量以外，连杆的长度以及关联点和上球铰点之间的曲柄长度均是常量，因此，能够较为迅速地求出电机所需转动的角度，进而对电机进行控制。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本说明书的进一步理解，构成本说明书的一部分，本说明书的示意性实施例及其说明用于解释本说明书，并不构成对本说明书的不当限定。在附图中：
图1为本说明书提供的一种双足机器人踝关节控制的逆运动学求解方法的流程示意图；
图2为本说明书提供的一种通过并联曲柄连杆机构驱动双足机器人踝关节的结构示意图；
图3为本说明书中的物体坐标系定义的示意图；
图4为本说明书中的踝关节上电机转动角度的逆运动学求解示意图；
图5为本说明书中的踝关节下电机转动角度的逆运动学求解示意图；
图6为本说明书提供的一种双足机器人踝关节控制的逆运动学求解装置示意图；
图7为本说明书提供的对应于图1的电子设备示意图。
具体实施方式
为使本说明书的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本说明书具体实施例及相应的附图对本说明书技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本说明书一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本说明书保护的范围。
以下结合附图，详细说明本说明书各实施例提供的技术方案。
图1为本说明书提供的一种双足机器人踝关节控制的逆运动学求解方法的流程示意图，具体包括以下步骤：
S100：获取双足机器人踝关节所需转动的俯仰角和滚转角，并根据所述俯仰角和所述滚转角，确定所述机器人踝关节按照所述俯仰角以及所述滚转角转动的情况下，所述并联曲柄连杆中的连杆的下球铰点在小腿坐标系下的坐标。
S102：确定出所述关节电机轴线上与所述连杆的上球铰点对应的关联点，并以小腿坐标系为参考坐标系，确定所述关联点与所述连杆的下球铰点之间的相对位置矢量。
S104：根据所述关联点与所述下球铰点之间的相对位置矢量、所述关联点与所述连杆的上球铰点之间的曲柄长度以及所述连杆的长度，确定所述关节电机所需转动的角度，所述上球铰点与所述下球铰点分别对应所述连杆的上端与下端。
S106：根据所述角度，对所述关节电机进行控制。
图2为本说明书提供的一种通过并联曲柄连杆机构驱动双足机器人踝关节的结构示意图。
在图2中示出的结构中，可以看出，小腿中包含有两个电机：踝关节上电机M与踝关节下电机M′，也就是说，本说明书中的关节电机包括踝关节上电机M与踝关节下电机M′，电机连接曲柄，曲柄连接连杆，以控制双足机器人的踝关节运动，踝关节上、下电机的连杆分别为PQ与P′Q′。
在控制双足机器人行走时，可以先确定出踝关节所需转动的俯仰角和滚转角，并依据该俯仰角以及该滚转角，来确定出关节电机该如何转动。
基于此，可以获取踝关节所需转动的俯仰角和滚转角，并根据该俯仰角和该滚转角，确定机器人踝关节按照所述俯仰角以及所述滚转角转动的情况下，并联曲柄连杆中的连杆下球铰点在小腿坐标系的坐标，其中下球铰点为图2中的Q和Q′，可以看出下球铰点为连杆下端的球绞点，那么上球铰点为连杆上端的球铰点。
需要说明的是，获取到的踝关节所需转动的俯仰角和滚转角可以是指在上游程序通过预设的算法进行规划得到的，当然，也可以通过其他方式得到踝关节所需转动的俯仰角和滚转角，如：人为给定的方式。
具体在计算上述坐标时，可以根据上述俯仰角和上述滚转角，确定旋转矩阵(足部坐标系相对小腿坐标系的旋转矩阵)，并根据该旋转矩阵，将并联曲柄连杆的连杆下球铰点坐标从足部坐标系变换至小腿坐标系。其中，旋转矩阵用于表示足部坐标系到小腿坐标系之间的坐标转换关系，其中，足部坐标系是随足部的转动而转动的。需要说明的是，该旋转矩阵隐含了足部坐标系的转动，因为，通过该旋转矩阵能够体现足部通过俯仰角和滚转角的转动。
具体的，在确定该旋转矩阵时，需要考虑到踝关节的俯仰与滚转两个方面，因此，上述旋转矩阵ASF可以由俯仰的旋转矩阵与滚转的旋转矩阵组成。
在说明如何确定旋转矩阵前，需要先说明几个坐标系，分别是小腿坐标系{S}、万向节坐标系{U}、足部坐标系{F}、踝关节上电机坐标系{M}与踝关节下电机坐标系{M′}，各坐标系的原点与坐标轴方向如图3所示。
图3为本说明书中的物体坐标系定义的示意图。
其中，坐标系的x轴沿物体的向前方向，z轴沿物体的向上方向，y轴根据右手规则沿物体横向。
对于踝关节先俯仰再滚转的情况，万向节坐标系{U}可以由“相对小腿坐标系{S}的直立零位构型”叠加“绕万向节坐标系yU轴旋转θ角”得到，因此，踝关节俯仰的旋转矩阵为：
足部坐标系{F}可以由万向节坐标系{U}绕其xU轴旋转φ角得到，因此，踝关节滚转的旋转矩阵为：
最终，确定出足部坐标系相对小腿坐标系的旋转矩阵为：ASF＝ASUAUF。
对于踝关节先滚转再俯仰的情况，万向节坐标系{U}可以由“相对小腿坐标系{S}的直立零位构型”叠加“绕万向节坐标系xU轴旋转φ角”得到，踝关节滚转的旋转矩阵为：
足部坐标系{F}可以由万向节坐标系{U}绕其yU轴旋转θ角得到，踝关节俯仰的旋转矩阵为：
最终，确定出足部坐标系相对小腿坐标系的旋转矩阵为：ASF＝ASUAUF。
综上，无论踝关节先俯仰还是先滚转，足部坐标系{F}相对小腿坐标系{S}的旋转矩阵均为：
ASF＝ASUAUF
在本实施例中，踝关节的转动顺序可以为先俯仰再滚转。
而后，可以确定出关节电机轴线上与所述连杆的上球铰点对应的关联点，并以小腿坐标系为参考坐标系，确定所述关联点与所述连杆下球铰点之间的相对位置矢量。
其中，关联点的坐标需要与连杆下球铰点的坐标在同一坐标系下定义。因此，若连杆下球铰点的坐标通过旋转矩阵变换至小腿坐标系下，则在确定相对位置矢量时，关联点的坐标也需要在小腿坐标系下定义。
上述关联点为关节电机轴线上与所述连杆的上球铰点的y轴坐标一致的点。之所以需要定义该关联点，是因为通过该关联点、连杆下球铰点和连杆上球铰点，基于几何关系可以解析计算出关节电机需要转动的角度。对于上电机M，该关联点为N，对下电机M′，该关联点为N′。
确定出关联点的坐标后，可以根据关联点与连杆的下球铰点之间的相对位置矢量、关联点与连杆的上球铰点之间的曲柄长度以及连杆的长度，确定出关节电机所需转动的角度。进而根据关节电机所需转动的角度，对关节电机进行控制。
其中，连杆长度以及关联点与连杆上球铰点之间的曲柄长度均是定值，仅关联点与连杆下球铰点之间的相对位置矢量需要计算出。需要说明的是，双足机器人中用于控制踝关节运动的关节电机不只一个。因此，在计算某一个关节电机所需转动的角度时，所使用到的关联点、连杆上球铰点与连杆下球铰点均应是该关节电机所对应的。
其中，踝关节上电机所需转动的角度，可以表示为线段NP(即，关联点与连杆上球铰点的连接线段)相对小腿坐标系xS轴的角度α，如图4所示。
图4为本说明书中的踝关节上电机转动角度的逆运动学求解示意图。
从图4中可以看出，角度α可以由两个角度组成，两个角度中第一角度为线段NC与xS轴之间的夹角，第二角度为∠PNC，即，NP线段与NC线段之间的夹角。因此，可以计算出第一角度以及第二角度，从而通过第一角度以及第二角度，确定出角度α，该角度α即为关节电机M所需转动的角度。
具体的，可以根据关联点与下球铰点之间的相对位置矢量中的z分量以及x分量，确定第一角度；并根据关联点与连杆下球铰点之间的相对位置矢量、连杆长度以及关联点与连杆上球铰点之间的曲柄长度，确定第二角度；从而根据第一角度与第二角度，确定关节电机所需转动的角度。其中，在确定第二角度时，可以根据相对位置矢量中的z分量以及x分量，确定z分量与x分量所组成的斜边长度，进而，根据连杆长度、相对位置矢量中的y分量，确定连杆对应的投影线段(即，图4中线段PQ在xSzS平面的投影线段)长度，最后，根据斜边长度、投影线段长度以及曲柄长度，确定出第二角度。
下面以上电机M为例进行说明，下电机M′所需转动的角度是类似的。下电机M′所需转动的角度如图5所示。
图5为本说明书中的踝关节下电机转动角度的逆运动学求解示意图。
对于关节电机M来说，可以通过线段NP的长度，线段PQ的长度以及NQ对应的相对位置矢量在各轴上的分量，来计算出角度α。
首先可以将连杆的上、下球铰点分别记作点P与点Q，并在关节电机的yM轴上定义关联点N，且满足条件“线段NP沿电机的xM轴方向”。
关联点N与下球铰点Q在小腿坐标系{S}的相对位置矢量SrNQ可以表示为：
SrNQ＝SrUQ-SrUN＝ASFFrUQ-SrUN
其中，FrUQ＝FrFQ-FrFU为下球铰点Q与万向节坐标系原点U在足部坐标系{F}的相对位置矢量，SrUN＝SrSN-SrSU为关联点N与万向节坐标系原点U在小腿坐标系{S}的相对位置矢量，二者均为常值矢量。
此外，线段NP的长度(即，关联点与上球铰点之间的曲柄长度)记作lNP，连杆长度记作lPQ，二者均为常值标量。
关节电机M所需转动的角度α定义为电机坐标系{M}的xM轴相对小腿坐标系{S}的xS轴，绕{S}的yS轴的转角。逆运动学分析中，给定踝关节的俯仰角θ与滚转角φ后，相对位置矢量SrNQ可以唯一确定。利用空间几何关系，可以得到角度α的解析表达式，具体为：
线段NP沿xM轴方向，垂直于yM轴也垂直于yS轴，即始终在xSzS平面内，如图4所示。
相对位置矢量SrNQ在xS、yS与zS轴的坐标分量分别记作：
线段NQ在xSzS平面的投影长度为：
线段PQ在xSzS平面的投影长度为：
根据正切函数定义与三角形的余弦定理，角度α的解析表达式为：
上述公式右端前一部分计算的是第一角度，后一部分计算的是第二角度。
虽然图2所示构型中的z＜0，上式对于z≥0的情况同样适用。
需要说明的是，在对关节电机进行控制时，不仅可能需要该电机所需的角度，还可能需要该电机所需的角速度。
可以针对上述确定出的角度表达式求时间导数，从而得到计算关节电机所需转动的角速度的表达式，其中，需要根据踝关节转动所需的俯仰角速度与滚转角速度(俯仰角速度通过上述俯仰角确定，滚转角速度通过上述滚转角确定)，确定关节电机转动所需的角速度，进而根据角度以及角速度，对关节电机进行控制。
首先，相对位置矢量SrNQ的时间导数为：
坐标分量x、y与z的时间导数表示为：
投影长度b与c的时间导数为：
电机M的角速度的解析表达式为：
在一个实施例中，FrUQ＝[-100.772 81 -19.28]T，SrUN＝[-494 81 -80.1557]T，lNP＝102.6，lPQ＝500.5，单位均为毫米。踝关节的俯仰角θ＝-21.8472，滚转角φ＝8.9836，逆运动学解得关节电机M的转角α＝64.8049，单位均为度。踝关节的俯仰角速度滚转角速度/>逆运动学解得关节电机M的角速度/>单位均为度/秒。
通过本方法，逆运动学分析结果与仿真测量结果完全一致。
从上述内容中可以看出，本说明书提供的双足机器人踝关节控制的逆运动学求解方法可以达到，在计算该如何通过逆运动学求解的方式控制电机转动时，可以先确定出关联点，进而通过计算出该关联点与下球铰点之间的相对位置矢量，求解出电机所需转动的角度，在求解时除了该相对位置矢量以外，连杆的长度以及关联点和上球铰点之间的曲柄长度均是常量，因此，能够较为迅速地求出电机所需转动的角度，进而对电机进行控制。
图6为本说明书提供的一种双足机器人踝关节控制的逆运动学求解装置示意图，其中，双足机器人的踝关节通过并联曲柄连杆以及关节电机进行控制，包括：
坐标确定模块601，用于获取双足机器人踝关节所需转动的俯仰角和滚转角，并根据所述俯仰角和所述滚转角，确定所述机器人踝关节按照所述俯仰角以及所述滚转角转动的情况下，所述并联曲柄连杆中的连杆的下球铰点在小腿坐标系下的坐标；
矢量确定模块602，用于确定出所述关节电机轴线上与所述连杆的上球铰点对应的关联点，并以小腿坐标系为参考坐标系，确定所述关联点与所述连杆下球铰点之间的相对位置矢量；
角度确定模块603，用于根据所述关联点与所述下球铰点之间的相对位置矢量、所述关联点与所述连杆的上球铰点之间的曲柄长度以及所述连杆的长度，确定所述关节电机所需转动的角度；
控制模块604，用于根据所述角度，对所述关节电机进行控制。
可选地，所述坐标确定模块601具体用于，根据所述俯仰角和所述滚转角，确定旋转矩阵，所述旋转矩阵用于表示双足机器人足部坐标系到小腿坐标系之间的坐标转换关系，所述足部坐标系随机器人足部的转动而转动；根据所述旋转矩阵，将连杆的下球铰点坐标从足部坐标系变换至小腿坐标系。
可选地，所述矢量确定模块602具体用于，确定出所述关节电机轴线上与所述连杆的上球铰点的y轴坐标一致的点，作为所述关联点。
可选地，所述角度确定模块603具体用于，根据所述关联点与所述下球铰点之间的相对位置矢量中的z分量以及x分量，确定第一角度；根据所述相对位置矢量、所述连杆的长度以及所述关联点与所述上球铰点之间的曲柄长度，确定第二角度；根据所述第一角度与所述第二角度，确定所述关节电机所需转动的角度。
可选地，所述角度确定模块603具体用于，根据所述关联点与所述下球铰点之间的相对位置矢量中的z分量以及x分量，确定所述z分量与所述x分量所组成的斜边长度；根据所述连杆的长度、所述相对位置矢量中的y分量，确定所述连杆对应的投影线段长度；根据所述斜边长度、所述投影线段长度以及所述曲柄长度，确定所述第二角度。
可选地，所述控制模块604具体用于，根据踝关节转动所需的俯仰角速度与滚转角速度，确定所述关节电机转动所需的角速度；根据所述角度以及所述角速度，对所述关节电机进行控制。
本说明书还提供了一种计算机可读存储介质，该存储介质存储有计算机程序，计算机程序可用于执行上述双足机器人踝关节控制的逆运动学求解方法。
本说明书还提供了图7所示的电子设备的示意结构图。如图7所述，在硬件层面，该电子设备包括处理器、内部总线、网络接口、内存以及非易失性存储器，当然还可能包括其他业务所需要的硬件。处理器从非易失性存储器中读取对应的计算机程序到内存中然后运行，以实现上述双足机器人踝关节控制的逆运动学求解方法。
当然，除了软件实现方式之外，本说明书并不排除其他实现方式，比如逻辑器件抑或软硬件结合的方式等等，也就是说以下处理流程的执行主体并不限定于各个逻辑单元，也可以是硬件或逻辑器件。
在20世纪90年代，对于一个技术的改进可以很明显地区分是硬件上的改进(例如，对二极管、晶体管、开关等电路结构的改进)还是软件上的改进(对于方法流程的改进)。然而，随着技术的发展，当今的很多方法流程的改进已经可以视为硬件电路结构的直接改进。设计人员几乎都通过将改进的方法流程编程到硬件电路中来得到相应的硬件电路结构。因此，不能说一个方法流程的改进就不能用硬件实体模块来实现。例如，可编程逻辑器件(Programmable Logic Device,PLD)(例如现场可编程门阵列(Field Programmable GateArray，FPGA))就是这样一种集成电路，其逻辑功能由用户对器件编程来确定。由设计人员自行编程来把一个数字系统“集成”在一片PLD上，而不需要请芯片制造厂商来设计和制作专用的集成电路芯片。而且，如今，取代手工地制作集成电路芯片，这种编程也多半改用“逻辑编译器(logic compiler)”软件来实现，它与程序开发撰写时所用的软件编译器相类似，而要编译之前的原始代码也得用特定的编程语言来撰写，此称之为硬件描述语言(Hardware Description Language，HDL)，而HDL也并非仅有一种，而是有许多种，如ABEL(Advanced Boolean Expression Language)、AHDL(Altera Hardware DescriptionLanguage)、Confluence、CUPL(Cornell University Programming Language)、HDCal、JHDL(Java Hardware Description Language)、Lava、Lola、MyHDL、PALASM、RHDL(RubyHardware Description Language)等，目前最普遍使用的是VHDL(Very-High-SpeedIntegrated Circuit Hardware Description Language)与Verilog。本领域技术人员也应该清楚，只需要将方法流程用上述几种硬件描述语言稍作逻辑编程并编程到集成电路中，就可以很容易得到实现该逻辑方法流程的硬件电路。
控制器可以按任何适当的方式实现，例如，控制器可以采取例如微处理器或处理器以及存储可由该(微)处理器执行的计算机可读程序代码(例如软件或固件)的计算机可读介质、逻辑门、开关、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、可编程逻辑控制器和嵌入微控制器的形式，控制器的例子包括但不限于以下微控制器：ARC 625D、Atmel AT91SAM、Microchip PIC18F26K20以及Silicone Labs C8051F320，存储器控制器还可以被实现为存储器的控制逻辑的一部分。本领域技术人员也知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现控制器以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得控制器以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器和嵌入微控制器等的形式来实现相同功能。因此这种控制器可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置也可以视为硬件部件内的结构。或者甚至，可以将用于实现各种功能的装置视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
上述实施例阐明的系统、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。一种典型的实现设备为计算机。具体的，计算机例如可以为个人计算机、膝上型计算机、蜂窝电话、相机电话、智能电话、个人数字助理、媒体播放器、导航设备、电子邮件设备、游戏控制台、平板计算机、可穿戴设备或者这些设备中的任何设备的组合。
为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本说明书时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。
本领域内的技术人员应明白，本说明书的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本说明书可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本说明书可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本说明书是参照根据本说明书实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。
内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。内存是计算机可读介质的示例。
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
本领域技术人员应明白，本说明书的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本说明书可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本说明书可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本说明书可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本说明书，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本说明书的实施例而已，并不用于限制本说明书。对于本领域技术人员来说，本说明书可以有各种更改和变化。凡在本说明书的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种双足机器人踝关节控制的逆运动学求解方法，所述双足机器人踝关节通过并联曲柄连杆以及关节电机进行控制，其特征在于，包括：
获取双足机器人踝关节所需转动的俯仰角和滚转角，并根据所述俯仰角和所述滚转角，确定所述机器人踝关节按照所述俯仰角以及所述滚转角转动的情况下，所述并联曲柄连杆中的连杆的下球铰点在小腿坐标系下的坐标；
确定出所述关节电机轴线上与所述连杆的上球铰点对应的关联点，并以小腿坐标系为参考坐标系，确定所述关联点与所述连杆的下球铰点之间的相对位置矢量；
根据所述关联点与所述下球铰点之间的相对位置矢量、所述关联点与所述连杆的上球铰点之间的曲柄长度以及所述连杆的长度，确定所述关节电机所需转动的角度；
根据所述角度，对所述关节电机进行控制。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述俯仰角和所述滚转角，确定所述机器人踝关节按照所述俯仰角以及所述滚转角转动的情况下，所述连杆的下球铰点在小腿坐标系下的坐标，具体包括：
根据所述俯仰角和所述滚转角，确定旋转矩阵，所述旋转矩阵用于表示双足机器人足部坐标系到小腿坐标系之间的坐标转换关系，所述足部坐标系随机器人足部的转动而转动；
根据所述旋转矩阵，将连杆的下球铰点坐标从足部坐标系变换至小腿坐标系。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，确定出所述关节电机轴线上与所述连杆的上球铰点对应的关联点，具体包括：
确定出所述关节电机轴线上与所述连杆的上球铰点的y轴坐标一致的点，作为所述关联点。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述关联点与所述下球铰点之间的相对位置矢量、所述关联点与所述连杆的上球铰点之间的曲柄长度以及所述连杆的长度，确定所述关节电机所需转动的角度，具体包括：
根据所述关联点与所述下球铰点之间的相对位置矢量中的z分量以及x分量，确定第一角度；
根据所述相对位置矢量、所述连杆的长度以及所述关联点与所述上球铰点之间的曲柄长度，确定第二角度；
根据所述第一角度与所述第二角度，确定所述关节电机所需转动的角度。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，根据所述相对位置矢量、所述连杆的长度以及所述关联点与所述上球铰点之间的曲柄长度，确定第二角度，具体包括：
根据所述关联点与所述下球铰点之间的相对位置矢量中的z分量以及x分量，确定所述z分量与所述x分量所组成的斜边长度；
根据所述连杆的长度、所述相对位置矢量中的y分量，确定所述连杆对应的投影线段长度；
根据所述斜边长度、所述投影线段长度以及所述曲柄长度，确定所述第二角度。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述角度，对所述关节电机进行控制，具体包括：
根据踝关节转动所需的俯仰角速度与滚转角速度，确定所述关节电机转动所需的角速度；
根据所述角度以及所述角速度，对所述关节电机进行控制。
7.一种双足机器人踝关节控制的逆运动学求解装置，所述双足机器人踝关节通过并联曲柄连杆以及关节电机进行控制，其特征在于，包括：
坐标确定模块，用于获取机器人踝关节所需转动的俯仰角和滚转角，并根据所述俯仰角和所述滚转角，确定所述机器人踝关节按照所述俯仰角以及所述滚转角转动的情况下，所述并联曲柄连杆中的连杆下球铰点在小腿坐标系下的坐标；
矢量确定模块，用于确定出关节电机轴线上与所述连杆的上球铰点对应的关联点，并以小腿坐标系为参考坐标系，确定所述关联点与所述连杆的下球铰点之间的相对位置矢量；
角度确定模块，用于根据所述关联点与所述下球铰点之间的相对位置矢量、所述关联点与所述连杆的上球铰点之间的曲柄长度以及所述连杆的长度，确定所述关节电机所需转动的角度；
控制模块，根据所述角度，对所述关节电机进行控制。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述坐标确定模块，具体用于根据所述俯仰角和所述滚转角，确定旋转矩阵，所述旋转矩阵用于表示机器人足部坐标系到小腿坐标系之间的坐标转换关系，所述足部坐标系随机器人足部的转动而转动；根据所述旋转矩阵，将连杆的下球铰点坐标从足部坐标系变换至小腿坐标系。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述权利要求1～6任一项所述的方法。
10.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现上述权利要求1～6任一项所述的方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310994336.3A CN116859978B (zh) | 2023-08-08 | 2023-08-08 | 一种双足机器人踝关节控制的逆运动学求解方法及装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310994336.3A CN116859978B (zh) | 2023-08-08 | 2023-08-08 | 一种双足机器人踝关节控制的逆运动学求解方法及装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116859978A true CN116859978A (zh) | 2023-10-10 |
| CN116859978B CN116859978B (zh) | 2024-05-03 |
Family
ID=88225138
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310994336.3A Active CN116859978B (zh) | 2023-08-08 | 2023-08-08 | 一种双足机器人踝关节控制的逆运动学求解方法及装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116859978B (zh) |
Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006289602A (ja) * | 2005-03-17 | 2006-10-26 | Sony Corp | ロボット装置及びその制御方法 |
| FR3010343A1 (fr) * | 2013-09-06 | 2015-03-13 | Commissariat Energie Atomique | Membre inferieur d'un exosquelette ou d'un robot bipede |
| US20180116828A1 (en) * | 2016-11-03 | 2018-05-03 | University Of New Brunswick | Powered lower limb devices and methods of control thereof |
| CN109987169A (zh) * | 2017-12-29 | 2019-07-09 | 深圳市优必选科技有限公司 | 双足机器人的步态控制方法、装置、终端设备及介质 |
| CN110871858A (zh) * | 2019-12-03 | 2020-03-10 | 山东大学 | 一种双足机器人踝关节缓冲装置及单腿结构 |
| CN111914416A (zh) * | 2020-07-24 | 2020-11-10 | 之江实验室 | 一种高能效轻量化结构双足机器人的逆运动学求解方法 |
| CN112207800A (zh) * | 2019-07-10 | 2021-01-12 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 三自由度转动曲柄连杆并联平台位姿控制方法 |
| CN112882485A (zh) * | 2021-01-25 | 2021-06-01 | 河南大学 | 一种双足机器人逆运动学的几何计算方法 |
| CN113126638A (zh) * | 2019-12-30 | 2021-07-16 | 深圳市优必选科技股份有限公司 | 姿态控制方法、装置、双足机器人及可读存储介质 |
| US20230055206A1 (en) * | 2020-09-07 | 2023-02-23 | Tencent Technology (Shenzhen) Company Limited | Legged robot motion control method, apparatus, and device, and medium |
| CN115994288A (zh) * | 2023-01-11 | 2023-04-21 | 中国兵器装备集团自动化研究所有限公司 | 一种双足机器人逆运动学求解方法及装置 |
| CN116304512A (zh) * | 2023-03-16 | 2023-06-23 | 中国兵器装备集团自动化研究所有限公司 | 一种机器人腿部的逆运动学求解方法及装置 |
-
2023
- 2023-08-08 CN CN202310994336.3A patent/CN116859978B/zh active Active
Patent Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006289602A (ja) * | 2005-03-17 | 2006-10-26 | Sony Corp | ロボット装置及びその制御方法 |
| FR3010343A1 (fr) * | 2013-09-06 | 2015-03-13 | Commissariat Energie Atomique | Membre inferieur d'un exosquelette ou d'un robot bipede |
| US20180116828A1 (en) * | 2016-11-03 | 2018-05-03 | University Of New Brunswick | Powered lower limb devices and methods of control thereof |
| CN109987169A (zh) * | 2017-12-29 | 2019-07-09 | 深圳市优必选科技有限公司 | 双足机器人的步态控制方法、装置、终端设备及介质 |
| CN112207800A (zh) * | 2019-07-10 | 2021-01-12 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 三自由度转动曲柄连杆并联平台位姿控制方法 |
| CN110871858A (zh) * | 2019-12-03 | 2020-03-10 | 山东大学 | 一种双足机器人踝关节缓冲装置及单腿结构 |
| CN113126638A (zh) * | 2019-12-30 | 2021-07-16 | 深圳市优必选科技股份有限公司 | 姿态控制方法、装置、双足机器人及可读存储介质 |
| CN111914416A (zh) * | 2020-07-24 | 2020-11-10 | 之江实验室 | 一种高能效轻量化结构双足机器人的逆运动学求解方法 |
| US20230055206A1 (en) * | 2020-09-07 | 2023-02-23 | Tencent Technology (Shenzhen) Company Limited | Legged robot motion control method, apparatus, and device, and medium |
| CN112882485A (zh) * | 2021-01-25 | 2021-06-01 | 河南大学 | 一种双足机器人逆运动学的几何计算方法 |
| CN115994288A (zh) * | 2023-01-11 | 2023-04-21 | 中国兵器装备集团自动化研究所有限公司 | 一种双足机器人逆运动学求解方法及装置 |
| CN116304512A (zh) * | 2023-03-16 | 2023-06-23 | 中国兵器装备集团自动化研究所有限公司 | 一种机器人腿部的逆运动学求解方法及装置 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| DINGKUN LIANG: "Dynamic Modeling and Control of Inverted Pendulum Robots Moving on Undulating Pavements", 《SEVENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON INFORMATION SCIENCE AND TECHNOLOGY》, 19 April 2017 (2017-04-19), pages 115 - 120, XP033096244, DOI: 10.1109/ICIST.2017.7926503 * |
| 孙烨辉: "四足机器人结构优化设计与路径跟踪", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑》, no. 1, 15 January 2021 (2021-01-15), pages 140 - 576 * |
| 梁定坤: "气动人工肌肉驱动的机器人控制方法研究", 《中国博士学位论文全文数据库 信息科技辑》, no. 2, 15 February 2022 (2022-02-15), pages 140 - 77 * |
| 石照耀: "双足机器人腿部新构型设计与试验研究", 《机械工程学报》, vol. 59, no. 1, 30 January 2023 (2023-01-30), pages 103 - 112 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116859978B (zh) | 2024-05-03 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10595784B2 (en) | Object pose measurement system based on MEMS IMU and method thereof | |
| US20220019196A1 (en) | Feedforward control method for floating base dynamics, computer-readable storage medium and robot | |
| CN111278613B (zh) | 校准装置、校准方法和控制装置 | |
| US11346495B2 (en) | Control method for non-orthogonal gimbal, gimbal thereof, and storage device | |
| Porzi et al. | Visual-inertial tracking on android for augmented reality applications | |
| CN113119098B (zh) | 机械臂控制方法、机械臂控制装置及终端设备 | |
| CN111797906B (zh) | 基于视觉和惯性里程定位的方法及装置 | |
| Srivatsan et al. | On the position kinematic analysis of MaPaMan: A reconfigurable three-degrees-of-freedom spatial parallel manipulator | |
| JP2018030210A (ja) | シミュレーション装置、制御システム、ロボットシステム、シミュレーション方法、プログラム及び記録媒体 | |
| CN116309823A (zh) | 一种位姿的确定方法、装置、设备及存储介质 | |
| CN116859978B (zh) | 一种双足机器人踝关节控制的逆运动学求解方法及装置 | |
| CN111142580A (zh) | 云台、云台控制方法、控制装置及计算机存储介质 | |
| CN113534817A (zh) | 移动机器人动力学建模和轨迹跟踪控制方法及装置 | |
| Parsa et al. | Rigid-body pose and twist estimation using an accelerometer array | |
| CN115990883A (zh) | 一种机器人的控制方法及装置 | |
| CN111798489B (zh) | 一种特征点跟踪方法、设备、介质及无人设备 | |
| CN112461258A (zh) | 一种参数修正的方法及装置 | |
| CN113048989B (zh) | 一种无人驾驶设备的定位方法及定位装置 | |
| CN115805587A (zh) | 七轴机器人的运动解析方法、装置及电子设备 | |
| CN116929407A (zh) | 一种自适应数据校准方法及装置 | |
| CN112129272B (zh) | 视觉里程计的实现方法和实现装置 | |
| US20230156332A1 (en) | Control method, control device, image-capturing apparatus, and computer readable recording medium | |
| CN116400813B (zh) | 一种训练样本的生成方法、装置、存储介质及电子设备 | |
| CN117131633B (zh) | 一种基于热传导本构模型的机器人结构件优化方法及装置 | |
| CN117635708A (zh) | 一种位姿估计方法、装置、存储介质及电子设备 |
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 |