一种实时交互式四足机器人多步态动力学建模方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种实时交互式四足机器人多步态动力学建模方法及系统，构建四足机器人的多步态动力学系统、四足机器人和地形的图形可视化模型；所述多步态动力学系统与所述四足机器人和地形的图形可视化模型之间采用多线程通信进行信息传输。本发明专利技术基于Vortex动力学引擎进行动力学实时解算，基于UDP协议通过客户端‑服务端通信的方式实时向图形引擎任务传输机器人的状态信息，进行平台可视化分析，完成多步态模型嵌入的动力学系统的建模。

A real time interactive multi gait dynamic modeling method and system for Quadruped Robot

The present invention relates to a real-time interactive quadruped robot dynamics modeling method and system construction of quadruped robot gait, the gait of quadruped robot, dynamics system and terrain visualization model; visualization model between the system and the dynamic gait of quadruped robot and the shape of the multi thread communication for information transmission. The invention of Vortex dynamics engine based on dynamic real-time solution, transmission to the graphics engine task robot real-time status information based on UDP protocol through client server communication mode, platform visualization analysis, system dynamics modeling multi gait model embedding.

【技术实现步骤摘要】
一种实时交互式四足机器人多步态动力学建模方法及系统
本专利技术涉及机器人动力学建模
，具体涉及一种实时交互式四足机器人多步态动力学建模方法及系统。
技术介绍
机器人动力学建模方法为手动推导计算以及采用动力学软件求解，前者对于简单的机器人系统可行，但对于复杂的机器人系统，构建的动力学方程很复杂，很难获得正确的解析解；采用动力学软件建模相对容易。目前四足机器人动力学建模主要采用ADAMS、RECURDYN等动力学软件建模以及ODE等一些开源的动力学引擎，前者建模方法虽然精度高，但是计算很复杂，很难保证控制的实时性，因此很难匹配实际样机的控制参数矫正要求，并且可拓展性较差，不便于二次开发；后者虽然可拓展性较强，但动力学高计算精确度与高实时性兼备的不够突出。
技术实现思路
为解决上述现有技术中的不足，本专利技术的目的是提供一种实时交互式四足机器人多步态动力学建模方法及系统，基于Vortex动力学引擎进行动力学实时解算，充分利用Vortex高精确度、高实时交互、高拓展性的优质建模特性，解算周期采用系统时钟频率实现精确定时，基于UDP(UserDatagramProtocol)协议通过客户端-本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种实时交互式四足机器人多步态动力学建模方法，其特征在于：构建四足机器人的多步态动力学系统、四足机器人和地形的图形可视化模型；所述多步态动力学系统与所述四足机器人和地形的图形可视化模型之间采用多线程通信进行信息传输。

【技术特征摘要】
1.一种实时交互式四足机器人多步态动力学建模方法，其特征在于：构建四足机器人的多步态动力学系统、四足机器人和地形的图形可视化模型；所述多步态动力学系统与所述四足机器人和地形的图形可视化模型之间采用多线程通信进行信息传输。2.如权利要求1所述的多步态动力学建模方法，其特征在于：所述构建四足机器人的多步态动力学系统，包括：构建四足机器人单腿模型；基于Vortex搭建四足机器人的动力学模型及地形动力学模型；建立关节控制器，执行多步态控制模型产生的期望动力学行为。3.如权利要求2所述的多步态动力学建模方法，其特征在于：所述构建四足机器人单腿模型包括：构建单腿运动学模型，包括腿部正运动学与逆运动学；根据单腿运动学模型，计算腿部关节力雅可比矩阵J；采用拉格朗日法构建无外力作用下的关节动力学模型；将足端力向关节映射的力矩融入关节动力学模型；优选的，所述腿部正运动学公式为：腿部逆运动学公式为：θ1＝atan2(py,px)腿部正运动学是获得足部坐标系相对于髋关节坐标系的齐次变换矩阵T，足部坐标系指关节旋转轴z4所在的坐标系，髋关节坐标系指的关节旋转轴z1所在的坐标系；腿部逆运动学是由足部相对髋关节坐标系的位置p＝(px,py,pz)求解关节角度；式中：ai表示腿部关节连杆长度，si＝sinθi，ci＝cosθi，sij＝sin(θi+θj)，cij＝cos(θi+θj),θi表示第i关节的关节角度，i表示关节的序号，i＝1、2、3；kfh为前后腿关于角度符号的配置因子，前腿对应的kfh＝1，后腿对应的kfh＝-1；a1表示腿部关节自上而下连杆1的长度,a2表示腿部关节连杆2的长度,a3表示腿部关节连杆3的长度；c1＝cosθ1,s1＝sinθ1,c23＝cos(θ2+θ3),s23＝sin(θ2+θ3)；θ1、θ2、θ3分别表示第1、2、3关节的关节角度；px,py,pz分别表示足部相对髋关节坐标系x、y、z轴对应的位置；优选的，所述关节动力学模型为：1足端力向关节映射的力矩融入关节动力学模型为：τf＝JTF其中：q为关节角度，M为关节质量矩阵，C为哥氏力矩阵，G为重力矩阵，τ为关节驱动力矩，F为足端力，τf为足端力向关节映射的力矩；分别表示关节角加速度、关节角速度，J为雅克比矩阵。4.如权利要求2所述的多步态动力学建模方法，其特征在于：所述基于Vortex搭建四足机器人的动力学模型及地形动力学模型，包括：基于四足机器人三维实体模型，参照三维实体模型的结构尺寸及质心、质量，并赋予质量、转动惯量和材料属性，赋予四足机器人动力学模型的动力学属性；四足机器人动力学模型的杆件之间采用铰接约束，足部与膝关节采用弹簧约束，根据杆件质量、质心和转动惯量信息，结合杆件间的运动关系，构建连接副约束关系，基于地形模型动力学参数，建立典型的台阶、斜坡工况，赋予地形材料属性，并针对不同的工况简化为相应的碰撞几何体，同时将机器人足部简化为胶囊碰撞体，与地形进行碰撞检测，形成四足机器人和地形可实时交互的动力学系统。5.如权利要求2所述的多步态动力学建模方法，其特征在于：所述建立关节控制器，执行多步态控制模型产生的期望动力学行为，包括：采用计算机时钟频率保证动力学解算的实时性，用于精确定时，并采用多线程技术进行通信；在动力学系统采用基于c++面向对象方式的多步态控制算法；构建关节控制器，执行动力学系统产生的机器人动作；优选的，所述构建关节控制器为：其中：关节控制器表示根据关节的位置和前馈力信息构建关节的驱动信号，θd为由单腿逆运动学模型计算期望的关节角度，θ为由动力学模型实时采集关节的位置信号，利用Vortex动力学引擎实时迭代...

【专利技术属性】
技术研发人员：许鹏，苏波，江磊，姚其昌，党睿娜，许威，蒋云峰，慕林栋，降晨星，邓秦丹，康祖铭，杨超宁，
申请(专利权)人：中国北方车辆研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11