【技术实现步骤摘要】
一种基于SLIP的并联腿足机器人运动控制方法及系统
本专利技术属于机器人运动控制
,具体涉及一种基于SLIP的并联腿足机器人运动控制方法及系统。
技术介绍
当前针对腿足机器人的设计多使用串联结构,串联弹性驱动(SEA)为一种代表驱动方式,中国专利CN102874339B,提出了一种串联关节单腿机器人,将两个关节电机均安装在髋部,使用串联弹簧储能机制对机器人进行运动调节,但并不是并联结构腿足机器人,弹簧处于腿部机构和电机之间,弹簧实际长度无法由电机直接进行控制,所以弹簧震荡难以控制,弹簧无法直接提供力矩。而并联弹性驱动(PEA)的腿足机器人由于驱动器可直接控制机器腿末端,有良好的稳定性和启动力矩大等优势,然而目前针对并联腿足机构的动态跳跃研究较少,尚无在并联结构上实现连续跳跃的研究专利技术。因此,在现有并联腿足机器人结构基础上开发连续跳跃运动规划,以实现比串联弹性驱动更好的动态运动效果,是一个亟待解决的问题。现有腿足机器人大多为串联结构,较少使用并联弹性作为驱动方式,特别是针对连续跳跃的运动控制问题。但串联腿足机器人其所用弹簧仅起到缓解冲击或者测量力矩等作用,并未直接对增加关节力矩起到积极作用。可见,现有的腿足机器人跳跃能力不足,连续跳跃时对高度的控制不稳定,现有腿足机器人的运动规划方法,大多只针对串联结构设计,没有涉及并联弹性结构的动作规划,尤其是动态连续跳跃。弹簧负载倒立摆(SLIP)是一款针对动物及机器人连续跳跃运动的动力学简化模型,将实际机器人与之结合即可实现机器人的连续跳跃控制。中国专利CN10 ...
【技术保护点】
1.一种基于SLIP的并联腿足机器人运动控制方法,其特征在于,包括如下步骤:/n步骤1,针对并联弹性的单腿机器人结构,建立连杆-弹簧模型;/n其中所述单腿机器人的腿部结构为平行四边形组成的连杆,其中,电机和足部位置分别为平行四边形连杆的上下两个关节;平行四边形连杆的左右两个关节为膝部关节,并通过弹簧相接;/n连杆-弹簧模型中,将单腿机器人的所有腿部质量转化到单腿机器人的电机轴心处,并作为模型的质心,将电机所在的关节作为主动关节;/n步骤2,将连杆-弹簧模型中的电机力矩和弹簧力距转化到质心的垂直方向上,得到SLIP模型,将电机力矩和弹簧距力对应在SLIP模型中作用力的合力作为虚拟弹簧力;其中,弹簧力矩是连杆-弹簧模型中的弹簧力在主动关节端的等效力矩;/n步骤3,使用所述虚拟弹簧力对机器腿的运动状态进行控制;/n其中,对于单次跳跃,在起跳过程中赋予虚拟弹簧刚度增量k使得连续跳跃时跳跃最大高度保持在目标值;所需刚度增量k满足:/n
【技术特征摘要】 【专利技术属性】
1.一种基于SLIP的并联腿足机器人运动控制方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1,针对并联弹性的单腿机器人结构,建立连杆-弹簧模型;
其中所述单腿机器人的腿部结构为平行四边形组成的连杆,其中,电机和足部位置分别为平行四边形连杆的上下两个关节;平行四边形连杆的左右两个关节为膝部关节,并通过弹簧相接;
连杆-弹簧模型中,将单腿机器人的所有腿部质量转化到单腿机器人的电机轴心处,并作为模型的质心,将电机所在的关节作为主动关节;
步骤2,将连杆-弹簧模型中的电机力矩和弹簧力距转化到质心的垂直方向上,得到SLIP模型,将电机力矩和弹簧距力对应在SLIP模型中作用力的合力作为虚拟弹簧力;其中,弹簧力矩是连杆-弹簧模型中的弹簧力在主动关节端的等效力矩;
步骤3,使用所述虚拟弹簧力对机器腿的运动状态进行控制;
其中,对于单次跳跃,在起跳过程中赋予虚拟弹簧刚度增量k使得连续跳跃时跳跃最大高度保持在目标值;所需刚度增量k满足:
其中,ΔE=是所需补充能量,Δl是落地后虚拟弹簧长度压缩距离;
ΔE=Mg·(hdesire-hmax)+ΔEl,其中,M是机器人总质量,g是当地重力加速度,hdesire是本次目标跳跃高度,hmax是上一次实际跳跃高度,ΔEl指上一次跳跃所消耗的能量。
2.如权利要求1所述的一种基于SLIP的并联腿足机器人运动控制方法,其特征在于,所述步骤2中,得到SLIP模型的虚拟弹簧力具体方式如下:
首先将弹簧力以及电机力矩转化到主动关节端,具体如下:
τGRF=τspr-τm
其中τGRF是连杆-弹簧模型中的虚拟弹簧力在主动关节端的等效力矩,τm是电机力矩,τspr是连杆-弹簧模型中的弹簧力在主动关节端的等效力矩,通过虚位移原理将弹簧力转化到主动关节端获得;
根据雅克比矩阵J以及虚拟弹簧力在主动关节端的等效力矩,得到SLIP模型的虚拟弹簧力。
3.如权利要求2所述的基于SLIP的并联腿足机器人运动控制方法,其特征在于,将弹簧力转化到主动关节端的虚位移原理为:
Fspring·δl=τspr·δθ
技术研发人员:孟非,黄强,何泽文,王磊,柳胜凯,明爱国,
申请(专利权)人:北京理工大学,
类型:发明
国别省市:北京;11
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