多自由度单腿运动学求解方法、装置和机器人制造方法及图纸

本申请实施例提供一种多自由度单腿运动学求解方法、装置和机器人，所述单腿包括依次设置的三个旋转轴不相交的髋侧关节、髋转关节和髋前关节，及膝前关节，以及两个旋转轴相交的踝前关节和踝侧关节，该方法包括：从所有关节的旋转轴中选取若干节点，将所有节点依次连接，得到基于脚踝局部坐标系建立的单腿的简化运动学模型，根据获取的起始节点与末端节点在世界坐标系中的位姿，基于简化运动学模型中各个节点的位姿与关节角度之间的几何关系，计算各个关节的关节角度。该方法可以有效解决具有三旋转轴不相交的X

【技术实现步骤摘要】
多自由度单腿运动学求解方法、装置和机器人


[0001]本申请涉及机器人控制
，尤其涉及一种多自由度单腿运动学求解方法、装置和机器人。

技术介绍

[0002]双足仿人机器人是一种能够模仿人类站立和行走跳跃等运动特点的机器人。在逆运动学求解过程中，通常采用给定机器人的位置和姿态，利用动力学模型来进行步态规划设计，得到各个关节的期望旋转角度(亦称关节角度)，然后通过电机驱动相应关节的旋转轴进行旋转。
[0003]双足机器人的左右腿通常为设为各有六自由度(亦称关节)的多连杆结构，其中，髋关节具有3个自由度，膝关节具有1个自由度，踝关节有2个自由度，传统的逆运动学求解方法一般要求腿部髋关节的各旋转轴相交于一点。然而，对于腿部髋关节采用了先翻滚(roll)后偏摆(yaw)再俯仰(pitch)的自由度结构设计，导致髋关节的各旋转轴不相交一点，对于这类特殊构型的机器人，利用传统的DH参数方法无法进行有效求解。

技术实现思路

[0004]本申请实施例提供一种多自由度单腿运动学求解方法、装置和机器人，该方法可以有效解决具有三个旋转轴不相交的X
‑
Z
‑
Y构型的机器人的逆运动学求解问题。
[0005]第一方面，本申请实施例提供一种多自由度单腿运动学求解方法，所述单腿包括依次设置的三个旋转轴不相交的髋侧关节、髋转关节和髋前关节，及膝前关节，以及两个旋转轴相交的踝前关节和踝侧关节，所述方法包括：
[0006]从所有关节的旋转轴中选取若干节点，将所有节点依次连接，得到基于脚踝局部坐标系建立的所述单腿的简化运动学模型，其中，所述若干节点包括作为起始节点的所述踝前关节和所述踝侧关节的旋转轴交点、作为第一中间节点的所述膝前关节的旋转轴中点、作为第二中间节点的所述髋前关节与所述髋转关节的旋转轴交点、以及作为末端节点的所述髋侧关节和所述髋转关节的旋转轴交点；
[0007]根据获取的所述起始节点与所述末端节点在世界坐标系中的位姿，基于所述简化运动学模型中各个节点的位姿与关节角度之间的几何关系，计算所述髋侧关节、所述髋转关节、所述髋前关节、所述膝前关节、所述踝前关节和所述踝侧关节各自的关节角度。
[0008]第二方面，本申请实施例还提供一种机器人运动控制方法，所述机器人包括至少一条多自由度单腿结构，所述方法包括：
[0009]获取机器人的躯干与至少一足底末端在世界坐标系下的位姿；
[0010]根据所述躯干的所述位姿确定机器人各腿的髋侧关节和髋转关节的旋转轴交点在世界坐标系下的位姿，以及根据对应足底末端的所述位姿确定对应腿的踝前关节和踝侧关节的旋转轴交点在世界坐标系下的位姿；
[0011]通过上述的多自由度单腿运动学求解方法计算所述机器人每条腿的各个关节角
度；
[0012]根据计算的所有关节角度对机器人进行相应控制。
[0013]第三方面，本申请实施例还提供一种多自由度单腿运动学求解装置，所述单腿包括依次设置的三个旋转轴不相交的髋侧关节、髋转关节和髋前关节，及膝前关节，以及两个旋转轴相交的踝前关节和踝侧关节，所述装置包括：
[0014]简化模型构建模块，用于从所有关节的旋转轴中选取若干节点，将所有节点依次连接，得到基于脚踝局部坐标系建立的所述单腿的简化运动学模型，其中，所述若干节点包括作为起始节点的所述踝前关节和所述踝侧关节的旋转轴交点、作为第一中间节点的所述膝前关节的旋转轴中点、作为第二中间节点的所述髋前关节与所述髋转关节的旋转轴交点、以及作为末端节点的所述髋侧关节和所述髋转关节的旋转轴交点；
[0015]关节角度求解模块，用于根据获取的所述起始节点与所述末端节点在世界坐标系中的位姿，基于所述简化运动学模型中各个节点的位姿与关节角度之间的几何关系，计算所述髋侧关节、所述髋转关节、所述髋前关节、所述膝前关节、所述踝前关节和所述踝侧关节各自的关节角度。
[0016]第四方面，本申请实施例还提供一种机器人，所述机器人包括处理器和存储器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器用于执行所述计算机程序以实施上述的多自由度单腿运动学求解方法或机器人运动控制方法。
[0017]第五方面，本申请实施例还提供一种可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序在处理器上执行时，实施上述的多自由度单腿运动学求解方法或机器人运动控制方法。
[0018]本申请的实施例具有如下有益效果：
[0019]本申请实施例的多自由度单腿运动学求解方法针对多自由度的单腿结构，该腿的髋侧关节、髋转关节和髋前关节三个旋转轴不相交，而踝前关节和踝侧关节的两个旋转轴相交，该运动学求解方法通过从所有关节的旋转轴中选取若干节点，以构建单腿的简化运动学模型，进而根据获取的起始节点与末端节点在世界坐标系中的位姿，基于简化运动学模型中各个节点的位姿与关节角度之间的几何关系，计算各个关节的关节角度。该方法可以有效解决具有三旋转轴不相交的X
‑
Z
‑
Y构型的多连杆机构的逆运动学求解问题，直观简洁，且计算效率更高。
附图说明
[0020]为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0021]图1示出了本申请实施例的机器人的结构示意图；
[0022]图2示出了本申请实施例的髋关节的三个自由度不交于一点的双足机器人模型；
[0023]图3示出了本申请实施例的多自由度单腿运动学求解方法的流程图；
[0024]图4示出了本申请实施例的六自由度单腿的简化运动学模型；
[0025]图5示出了本申请实施例的计算所有关节角度的流程图；
[0026]图6示出了本申请实施例的包含等效角度在内的三个关节角度求解的流程图；
[0027]图7示出了本申请实施例的求解三个俯仰角度的流程图；
[0028]图8示出了本申请实施例的机器人运动控制方法的流程图；
[0029]图9示出了本申请实施例多自由度单腿运动学求解装置的结构示意图；
[0030]图10示出了本申请实施例的机器人运动学求解装置的结构示意图。
具体实施方式
[0031]下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0032]通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
[0033]在下文中，可在本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多自由度单腿运动学求解方法，其特征在于，所述单腿包括依次设置的三个旋转轴不相交的髋侧关节、髋转关节和髋前关节，及膝前关节，以及两个旋转轴相交的踝前关节和踝侧关节，所述方法包括：从所有关节的旋转轴中选取若干节点，将所有节点依次连接，得到基于脚踝局部坐标系建立的所述单腿的简化运动学模型，其中，所述若干节点包括作为起始节点的所述踝前关节和所述踝侧关节的旋转轴交点、作为第一中间节点的所述膝前关节的旋转轴中点、作为第二中间节点的所述髋前关节与所述髋转关节的旋转轴交点、以及作为末端节点的所述髋侧关节和所述髋转关节的旋转轴交点；根据获取的所述起始节点与所述末端节点在世界坐标系中的位姿，基于所述简化运动学模型中各个节点的位姿与关节角度之间的几何关系，计算所述髋侧关节、所述髋转关节、所述髋前关节、所述膝前关节、所述踝前关节和所述踝侧关节各自的关节角度。2.根据权利要求1所述的多自由度单腿运动学求解方法，其特征在于，所述髋侧关节、所述髋转关节、所述髋前关节、所述膝前关节、所述踝前关节和所述踝侧关节各自的关节角度的计算，包括：根据所述起始节点与所述末端节点在世界坐标系中的位姿，计算所述末端节点与所述起始节点之间的相对位置和相对姿态、以及所述末端节点相对于所述起始节点对应的第一旋转矩阵；根据所述起始节点与所述末端节点之间的相对位置基于第一等式方程，计算所述踝侧关节的关节角度，进而计算所述踝侧关节的关节角度对应的第二旋转矩阵；根据所述第一旋转矩阵和所述第二旋转矩阵，基于所述髋侧关节到所述踝侧关节的姿态转换对应的旋转矩阵关系，计算第三旋转矩阵；根据所述第三旋转矩阵，计算所述髋侧关节的关节角度、所述髋转关节的关节角度、以及由所述髋前关节、所述膝前关节和所述踝前关节的关节角度在同一平面合并后的等效角度；计算所述等效角度对应的等效旋转矩阵，并根据所述等效旋转矩阵基于第二等式方程，计算所述髋前关节、所述膝前关节、所述踝前关节各自的关节角度。3.根据权利要求2所述的多自由度单腿运动学求解方法，其特征在于，所述第一等式方程通过预先构建得到，包括：根据所述末端节点和所述起始节点的几何位置，构建所述踝侧关节的关节角度的正切值等于所述末端节点与所述起始节点之间的相对位置中的Z方向分量与Y方向分量的比值的方程以作为第一等式方程。4.根据权利要求2所述的多自由度单腿运动学求解方法，其特征在于，所述第二等式方程通过预先构建得到，包括：将所述末端节点、所述第一中间节点和所述第二中间节点投影到同一平面，构建所述髋前关节、所述膝前关节和所述踝前关节各自的关节角度在同一平面合并后的等效角度对应的等效旋转矩阵等于所述髋前关节、所述膝前关节、所述踝前关节各自的关节角度对应的旋转矩阵的乘积的方程以作为第二等式方程。5.根据权利要求2所述的多自由度单腿运动学求解方法，其特征在于，所述根据所述第三旋转矩阵，计算所述髋侧关节的关节角度、所述髋转关节的关节角度、以及所述等效角
度，包括：基于所述第三旋转矩阵等于所述髋侧关节的关节角度、所述髋转关节的关节角度和所述等效角度各自对应的旋转矩阵的乘积关系，从所...

【专利技术属性】
技术研发人员：周江琛，陈春玉，刘益彰，葛利刚，闫萌，熊友军，
申请(专利权)人：深圳市优必选科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：