一种四足单臂作业机器人的运动控制方法及系统技术方案

本公开提供了一种四足单臂作业机器人的运动控制方法及系统，其属于机器人控制技术领域，所述方案包括：获取机器人的当前位姿信息；对接收的作业任务进行分解并对分解得到的子任务进行优先级定义，基于所述当前位姿信息及预先构建的动力学模型，生成每个子任务下的机器人整体运动轨迹；基于所述动力学模型优化求解每个子任务下支撑腿的最优足底力及机械臂末端作用力；并基于多任务空间映射方法计算不同子任务下的机器人所有关节的期望控制量；以所述整体动力学模型作为约束，对所述最优足底力以及所述期望控制量及进行优化，获得包括机械臂在内的所有关节的控制扭矩；基于所述控制扭矩实现所述四足单臂作业机器人的运动控制。扭矩实现所述四足单臂作业机器人的运动控制。扭矩实现所述四足单臂作业机器人的运动控制。

【技术实现步骤摘要】
一种四足单臂作业机器人的运动控制方法及系统


[0001]本公开属于机器人控制
，尤其涉及一种四足单臂作业机器人的运动控制方法及系统。

技术介绍

[0002]本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。
[0003]四足单臂作业机器人的运动控制系统需要解决机器人的整体运动控制问题，将机器人包含的所有自由度都包含到一个控制框架中。整体运动控制系统需要解决的问题可进一步划分为作业任务分解、作业运动路径规划、全身动力学建模、作业机械臂奇异点规避、足地交互力计算跟映射、作业运动路径跟踪等。
[0004]专利技术人发现，现有的四足单臂作业机器人采用分开独立控制的方法，四足本体仍然采用本领域常用的经典控制框架，对于机械臂通过单独控制器进行控制，此类控制方法的缺点是两部分的相互作用力没有得到有效的处理，机器人的工作模式受到限制；当两部分的相互影响比较大时，机器人容易失稳，也无法完成复杂的作业任务。

技术实现思路

[0005]本公开为了解决上述问题，提供了一种四足单臂作业机器人的运动控制方法及系统,所述方案通过建立包含机器人所有自由度的整体动力学模型，以及经过腿部质量简化的质心动力学模型，通过机器人本体安装的IMU(Inertial Measurement Unit：惯性测量单元)和关节传感器估计机器人的状态，通过建立带有机械臂受力补偿项的机器人质心处的虚拟模型求解支撑腿的最优足底力，结合机器人的任务定义和由命令生成的运动轨迹，求出经过零空间映射后的关节控制扭矩，进而实现机器人运动和作业的整体控制。
[0006]根据本公开实施例的第一个方面，提供了一种四足单臂作业机器人的运动控制方法，包括：
[0007]获取机器人的当前位姿信息；
[0008]对接收的作业任务进行分解并对分解得到的子任务进行优先级定义，基于所述当前位姿信息及预先构建的动力学模型，生成每个子任务下的机器人整体运动轨迹；其中，所述动力学模型采用基于机器人所有自由度的整体动力学模型以及经腿部质量简化的质心动力学模型；所述经腿部质量简化的质心动力学模型中引入了机械臂补偿项；
[0009]基于所述动力学模型优化求解每个子任务下支撑腿的最优足底力及机械臂末端作用力；并基于多任务空间映射方法计算不同子任务下的机器人所有关节的期望控制量；
[0010]以所述整体动力学模型作为约束，对所述最优足底力以及所述期望控制量及进行优化，获得包括机械臂在内的所有关节的控制扭矩；基于所述控制扭矩实现所述四足单臂作业机器人的运动控制。
[0011]进一步的，所述经腿部质量简化的质心动力学模型，具体表示如下：
[0012][0013][0014]其中，m为机器人的躯干重力，为质心处线加速度，为角加速度，f
i
为支撑腿跟地面的作用力，f
e,arm
为机械臂末端与作业对象的相互作用力，r
i*
为相应作用力臂，机械臂补偿项包括等效力f
c.arm
和等效扭矩n
c,arm
，I为机器人躯干的转动惯量。
[0015]进一步的，基于所述动力学模型优化求解每个子任务下支撑腿的最优足底力及机械臂末端作用力，具体为：
[0016]基于机械臂当前的各个关节角度、机械臂各个关节的质量、关节参考坐标系与惯性参数以及机器人的质量，计算当前状态下的机器人实际重心位置；
[0017]利用所述重心位置更新当前状态下所有支撑腿触地点的作用力臂，基于预先构建的动力学模型，通过构造二次规划问题，获得支撑腿的最优足底力及机械臂末端作用力。
[0018]进一步的，基于多任务空间映射方法计算不同子任务下的机器人所有关节的期望控制量，具体为：针对每个子任务，基于工作空间映射的方法将子任务下的机器人运动轨迹上的速度值映射到关节空间，低优先级的任务映射在高优先级任务的零空间里，获得所有关节的期望位置、速度和加速度。
[0019]进一步的，以所述整体动力学模型作为约束，对所述最优足底力以及所述期望控制量及进行优化，获得包括机械臂在内的所有关节的控制扭矩，其构造的优化问题具体表示如下：
[0020][0021]需满足如下约束：
[0022][0023]UF
r
≥0
[0024][0025][0026]其中，M(q)是惯性矩阵，为科氏力、离心力、重力等非线性项，S
f
为选择矩阵，为支撑腿的雅可比矩阵，q为所有自由度的状态变量；为优化后所有关节的加速度，为所有关节的期望加速度，δ
a
为躯干质心加速度的调节量，δ
f
为支撑力的调节量，F
grf
为六维广义足底支撑力矢量定义，为使用带补偿项的虚拟模型计算得到的支撑力。
[0027]进一步的，所述当前位姿信息包括所述四足单臂作业机器人躯干位姿信息以及支撑腿、摆动腿和机械臂的所有关节的角度信息。
[0028]进一步的，所述对获取的作业任务进行分解，具体为：将获取的作业任务按照摆动腿、支撑腿以及机械臂的相关作业任务分解为若干子任务，并对所述子任务进行优先级定义。
[0029]根据本公开实施例的第二个方面，提供了一种四足单臂作业机器人的运动控制系统，包括：
[0030]数据获取单元，其用于获取机器人的当前位姿信息；
[0031]运动轨迹生成单元，其用于对接收的作业任务进行分解并对分解得到的子任务进行优先级定义，基于所述当前位姿信息及预先构建的动力学模型，生成每个子任务下的机器人整体运动轨迹；其中，所述动力学模型采用基于机器人所有自由度的整体动力学模型以及经腿部质量简化的质心动力学模型；所述经腿部质量简化的质心动力学模型引入了机械臂补偿项；
[0032]优化求解单元，其用于基于所述动力学模型优化求解每个子任务下支撑腿的最优足底力及机械臂末端作用力；并基于多任务空间映射方法计算不同子任务下的机器人所有关节的期望控制量；
[0033]控制扭矩获取单元，其用于以所述整体动力学模型作为约束，通过对所述最优足底力以及所述期望控制量及进行优化求解，获得包括机械臂在内的所有关节的控制扭矩；基于所述控制扭矩实现所述四足单臂作业机器人的运动控制。
[0034]根据本公开实施例的第三个方面，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运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述的一种四足单臂作业机器人的运动控制方法。
[0035]根据本公开实施例的第四个方面，提供了一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现所述的一种四足单臂作业机器人的运动控制方法。
[0036]与现有技术相比，本公开的有益效果是：
[0037](1)本公开提供了一种四足单臂作业机器人的运动控制方法及系统,所述方案通过建立包含机器人所有自由度的整体动力学模型，以及经过腿部质量简化的质心动力学模型，通过机器人本体安装的I本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种四足单臂作业机器人的运动控制方法，其特征在于，包括：获取机器人的当前位姿信息；对接收的作业任务进行分解并对分解得到的子任务进行优先级定义，基于所述当前位姿信息及预先构建的动力学模型，生成每个子任务下的机器人整体运动轨迹；其中，所述动力学模型采用基于机器人所有自由度的整体动力学模型以及经腿部质量简化的质心动力学模型；所述经腿部质量简化的质心动力学模型中引入了机械臂补偿项；基于所述动力学模型优化求解每个子任务下支撑腿的最优足底力及机械臂末端作用力；并基于多任务空间映射方法计算不同子任务下的机器人所有关节的期望控制量；以所述整体动力学模型作为约束，对所述最优足底力以及所述期望控制量及进行优化，获得包括机械臂在内的所有关节的控制扭矩；基于所述控制扭矩实现所述四足单臂作业机器人的运动控制。2.如权利要求1所述的一种四足单臂作业机器人的运动控制方法，其特征在于，所述经腿部质量简化的质心动力学模型，具体表示如下：腿部质量简化的质心动力学模型，具体表示如下：其中，m为机器人的躯干重力，为质心处线加速度，为角加速度，f
i
为支撑腿跟地面的作用力，f
e,arm
为机械臂末端与作业对象的相互作用力，r
i*
为相应作用力臂，机械臂补偿项包括等效力f
c.arm
和等效扭矩n
c,arm
，I为机器人躯干的转动惯量。3.如权利要求1所述的一种四足单臂作业机器人的运动控制方法，其特征在于，所述基于所述动力学模型优化求解每个子任务下支撑腿的最优足底力及机械臂末端作用力，具体为：基于机械臂当前的各个关节角度、机械臂各个关节的质量、关节参考坐标系与惯性参数以及机器人的质量，计算当前状态下的机器人实际重心位置；利用所述重心位置更新当前状态下所有支撑腿触地点的作用力臂，基于预先构建的动力学模型，通过构造二次规划问题，获得支撑腿的最优足底力及机械臂末端作用力。4.如权利要求1所述的一种四足单臂作业机器人的运动控制方法，其特征在于，所述基于多任务空间映射方法计算不同子任务下的机器人所有关节的期望控制量，具体为：针对每个子任务，基于工作空间映射的方法将子任务下的机器人运动轨迹上的速度值映射到关节空间，低优先级的任务映射在高优先级任务的零空间里，获得所有关节的期望位置、速度和加速度。5.如权利要求1所述的一种四足单臂作业机器人的运动控制方法，其特征在于，以所述整体动力学模型作为约束，对所述最优足底力以及所述期望控制量及进行优...

【专利技术属性】
技术研发人员：荣学文，谢爱珍，赵玉娟，陈腾，张国腾，李贻斌，路广林，毕健，范永，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：