一种跳跃机器人及采用惯性匹配的运动优化方法技术

本发明专利技术公开了一种跳跃机器人及采用惯性匹配的运动优化方法，由矩阵运算控制器、铝板肢体、关节驱动电机和惯性匹配的运动控制算法组成。本系统以跳跃机器人为研究对象，将跳跃运动划分为站立相、腾空相和落地碰撞相三个阶段，在变约束动力学基础上，使用空间浮动基建立了站立相动力学方程，运用惯性匹配和方向可操作度进行了起跳姿态和负载匹配优化研究，并用五次多项式规划跳跃运动。仿真和实验表明：跳跃机器人的惯性匹配最大时，地面反力冲量最大，跳跃性能也最优；跳跃高度与惯性匹配成正比，惯性匹配最大时机器人起跳姿态和负载匹配最优。惯性匹配是一种有效的跳跃运动优化方法。

Hopping robot and motion optimization method employing inertial matching

The invention discloses a hopping robot and a motion optimization method adopting inertial matching, comprising a matrix operation controller, an aluminum plate limb, a joint drive motor and an inertial matching motion control algorithm. This system based on the hopping robot as the research object, the jumping movement can be divided into stance phase, phase and landing phase three flight collision stage, in the basis of variable constraint dynamics, the use of space based on the floating stance phase equations, using the manipulability in and load matching optimization of the take-off posture matching and inertial direction, and with five polynomial planning jumping movement. The simulation and experiment results show that the maximum jumping robot inertia matching, the ground reaction force impulse, jump performance is optimal; jump height and inertia matching is proportional to the maximum inertia matching robot attitude and optimal load matching. Inertial matching is an effective method for jumping motion optimization.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及机器人运动控制领域，更具体的说，是关于一种跳跃机器人及采 用惯性匹配的运动优化方法。本专利技术对于双腿机器人在非结构环境中的适应能力 是有利的。
技术介绍
如今在机器人领域，双腿机器人多采用单腿被动奔跑，这种机器人具有弹性 腿与柔性臀关节。这种运动控制与以前提出的相比，最大优势在于它不需要预先 规划轨迹及目标动力学。它利用的是精确的非线性动力学。结果总结如下。第一， 提出了一个能量保持控制策略，它可以生成能量效率高、自主的步法。将该策略 作为一个新的飞行阶段触地控制器成功地进行了运行。仿真结果表明，该机器人 能够在一系列初始条件下跳跃。而且，所生成的奔跑步法是准周期轨道，可以看 作是汉密尔顿系统。由于每个容许的能量级都存在受控的奔跑步法，因此它们对 干扰具有鲁棒性。而且，触地角的自适应控制与混沌系统的延迟反馈控制器相似， 利用某些限制可以渐近地将这些准周期步法稳定为期望的周期性步法。#别是， 对于单周期性步法而言，利用某些辅助自适应控制器，机器人最终可以在无控制 输入的情况下进行跳跃。 '但是，这种跳跃机器人运动控制方法，由于采用的是基于位置的双足人形机 器人阻抗控制，来实现双足人形机器人的移动。双足机的腿部阻抗参数是根据步 法阶段实时调整的。为了降低足与地面接触时的冲击接触力，着地足的阻抗阻尼 系数在前半个双足支撑阶段被大大提高。在后半个双足支撑阶段，利用一个多项式将被阻抗控制法改变的腿部步行模式恢复到期望的步行模式。而且，给出了着 地腿的大刚度，以便增大在前半个单足支撑阶段因着地腿的粘弹性而减小的动量。 为保证双足人形机器人的稳定性，在整个歩行周期内采用一个平衡控制培，补偿 因双足移动而产生的动量。所以在不介入惯性匹配技术的情况下，对非结构环境的适应能力非常差。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的是为了消除以前技术中的问题，在于提供一种跳跃机器 人及釆用惯性匹配的运动优化方法。在非结构环境中，地形适应能力对机器人很 重要，腿式跳跃机器人能越过与自身尺寸相当或数倍的障碍物，大大提高了机器 人的活动范围。跳跃机器人在运动过程中与环境的约束条件是变化的，这种变约 束系统的通用动力学模型比较难建立，很多学者用伸縮腿、质量-弹簧以及弹簧负 载倒立摆[3]模型等数学简化模型方法，分阶段建立动力学方程。本专利技术的专利技术目的是通过如下技术方案实现的 一种跳跃机器人及采用惯性 匹配的运动优化方法，由矩阵运算控制器、铝板肢体、关节驱动电机和惯性匹配 的运动控制算法组成。系统设计目标根据跳跃机器人的数学建模，提出本跳跃机器人的各项技术要点1.)跳跃机器人站立相动力学分析，站立相参考基座是固定的，具有完整约束。2. )跳跃机器人腾空相动力学分析，腾空相参考基座是浮动的，具有动量矩 守恒的非完整约束特性。3. )跳跃高度性能由起跳速度和方向决定，且起跳运动属于站立相。4. )机器人空间状态模型，需研究径向平面内用直流电机驱动的旋转关节单 腿跳跃机器人。其中，机器人的可操作性是指机器人的运动学和动力学可逆性，它反映整个 机器人系统对力和运动的全局转换能力。在机械臂的研究中，有一些衡量操作机 械臂的性能指标[9]，如可操作力椭圆，可操作速度椭圆，可操作方向椭圆等。 可操作性能指标己经被应用于机器人工作空间的工件位置的优化[6]、机器人手指的运动学设计[7]、冗余度机器人位形优化与容错性[8]等各个方面。本文基于空间 浮动基，建立跳跃机器人变约束系统的站立相动力学方程；视跳跃机器人为持有 水端载荷的冗余机械臂，运用惯性匹配和方向可操作度优化跳跃姿态和负载匹配； 采用五次多项式规划起跳运动，仿真与实验验证了该优化方法的有效性。机器人多刚体关节配置描述如图1所示。固定基座为^c^，考虑空间浮动基座，机器人姿态向量，《为刚体间的夹角，逆时针方向为正。考虑机器人重心的 绝对位置描述；腾空相系统的广义坐标向量为Qf，站立相系统的广义坐标为Qs。考虑刚体质量，长度，可推算绕质心的转动惯量。假设机器人站立相时没有滑移和滑转，推导出浮动基系统动能。进而计算机 器人质心。依据浮动基的腾空相广义坐标与固定基的站立相广义坐标计算站立相 系统动能，从而推算站立相动力学方程，并依次编辑运动控制算法。惯性匹配[10]通常用于驱动器与齿轮系统的性能优化，主要是基于驱动力矩与 载荷施加力矩之间的力传递性能，选择最优齿轮传动比。当驱动器与载荷处于最 优惯性匹配状态时，力传递效率最大。采用如上所述的技术方案后，本专利技术具有如下优越性a. )当跳跃机器人的惯性匹配最大时，地面反力冲量最大，跳跃性能也最优；b. )跳跃高度与惯性匹配成正比，惯性匹配最大时机器人起跳姿态和负载匹配最优。 'C.)惯性匹配是一种有效的跳跃运动优化方法。通过跳跃机器人动力学模型和 运动规划理论的研究，拓展了跳跃运动优化方法，对跳跃机器人设计、性能优化 以及姿态控制有一定参考价值。附图说明图1为本专利技术的机器人总体结构及原理图； 图2为本专利技术的机器人惯性匹配原理P; 图3为本专利技术的机器人控制流程具体实施例方式下面结合附图对本专利技术做详细描述。 机器人总体结构及原理图如图1所示。本跳跃机器人以矩阵运算控制器为硬件核心，机器人多刚体关节配置描述如 图1所示对跳跃机器人的惯性匹配，视跳跃机器人为持有末端载荷的冗余机械臂，对末端载荷进行受力分析，其中机器人载荷加速度矩阵为机器人重力矩阵，W' 为负载匹配。机器人负载匹配指标为M'^，反映了机器人质量质量分布状况和携 带负载的能力，若末端载荷未知，当机器人受外力(力矩)作用时，根据站立相 动力学方程式，推导机器人Jacobian矩阵的伪逆矩阵，结合有关节速度和加速度 的力偏差，机器人惯性匹配，关节力矩与载荷速度和加速度的传递效率。根据奇异值(SVD)分解理论，关系矩阵为正交矩阵；惯性匹配的可操作度 可得到，惯性匹配可操作度是主轴方向分别为U的列向量、主轴长度的椭球的体 积与常系数乘积；同时表示出相应主轴方向上的运动能力。惯性匹配可操作度可 以综合评价机器人的各向灵活性，对机器人可操作性进行了整体的衡量。通常机器人系统的电机输出力矩是对称限幅约束。用力矩转换矩阵将机器人 关节力矩矩阵转换成标准关节力矩矩阵。机器人惯性匹配椭圆可以得到，惯性匹 配椭圆反映了机器人关节和末端载荷之间的动态力和力矩的传递效率，是一种衡 量系统可操作度的动态性能指标。 '惯性匹配方向可操作度可加以考虑，惯性匹配是一个矢量，惯性匹配可操作 度仅描述、了其数值的可操作性，他的方向由跳跃任务决定。即作用在机器人末端载荷质心的力矩矢量。其中力矩的标量表示形式，及笛卡尔空间中机器人末端载荷的受力方向，和载荷质心力矩与各坐标轴正向间夹角。惯性匹配方向可操作 度可以表示。惯性匹配方向可操作度反映了机器人在任务方向上的可操作能力， 即方向可操作性。跳跃运动的优化理论基于如下过程起跳可看成从初始姿态运动至离地姿态 过程中，机器人各个关节协调的运动；惯性匹配方向可操作度是机器人姿态位形 和负载匹配指标的函数。当惯性匹配最大时，机器人内部关节力矩的传竭效率最 大，地面反力冲量也最大，机器人跳跃最高。结合惯性匹配和方向可操作度，基 于跳跃性能最优，可优化起跳姿态和负载匹配指标。起跳姿态的优化需考虑本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种跳跃机器人及采用惯性匹配的运动优化方法，由矩阵运算控制器、铝板肢体、关节驱动电机和惯性匹配的运动控制算法组成。其特征在于，该跳跃机器人的跳跃运动基于惯性匹配控制。

【技术特征摘要】
1.一种跳跃机器人及采用惯性匹配的运动优化方法，由矩阵运算控制器、铝板肢体、关节驱动电机和惯性匹配的运动控制算法组成。其特征在于，该跳跃机器人的跳跃运动基于惯性匹配控制。2. 根据权利要求1所述的一种跳跃机器人及采用惯性匹配的运动优化方法， 跳跃运动分为站立相、腾空相和落地碰撞...

【专利技术属性】
技术研发人员：王慧娟，
申请(专利权)人：王慧娟，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]