[發(fā)明專(zhuān)利]基于浮動(dòng)基飛輪倒立擺的仿人機(jī)器人建模方法和裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201911414272.5
• 申請(qǐng)日: 2019-12-31
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113119102B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-09-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 鞠笑竹;趙明國(guó);熊友軍
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 深圳市優(yōu)必選科技股份有限公司
• 主分類(lèi)號(hào): B25J9/16
• 分類(lèi)號(hào): B25J9/16
• 代理公司: 北京超凡宏宇專(zhuān)利代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 11463
• 代理人: 梁韜

本發(fā)明實(shí)施例公開(kāi)了一種基于浮動(dòng)基飛輪倒立擺的仿人機(jī)器人建模方法和裝置，該方法包括：基于第一正向運(yùn)動(dòng)學(xué)函數(shù)將仿人機(jī)器人的真實(shí)關(guān)節(jié)空間正向映射至浮動(dòng)基飛輪倒立擺的關(guān)節(jié)空間；基于第二正向運(yùn)動(dòng)學(xué)函數(shù)將浮動(dòng)基飛輪倒立擺的關(guān)節(jié)空間正向映射至浮動(dòng)基飛輪倒立擺的工作空間；基于第二反向運(yùn)動(dòng)學(xué)函數(shù)將所述工作空間逆向映射至所述關(guān)節(jié)空間；基于第一反向運(yùn)動(dòng)學(xué)函數(shù)將所述關(guān)節(jié)空間逆向映射至所述真實(shí)關(guān)節(jié)空間。本發(fā)明的技術(shù)方案基于浮動(dòng)基飛輪倒立擺對(duì)仿人機(jī)器人進(jìn)行建模，該模型不僅能反映機(jī)器人的上身姿態(tài)，也能反映浮動(dòng)基和仿人機(jī)器人的腳底姿態(tài)等，基于此模型對(duì)該仿人機(jī)器人可以進(jìn)行完全運(yùn)動(dòng)控制，控制效果好，魯棒性好等。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及仿人機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于浮動(dòng)基飛輪倒立擺的仿人機(jī)器人建模方法和裝置。

背景技術(shù)

雙足仿人機(jī)器人是具有極高自由度的一種特殊機(jī)器人。一個(gè)能夠完成全向和全地形行走的雙足仿人機(jī)器人需要至少12個(gè)自由度。其多自由度和非線(xiàn)性的特點(diǎn)為規(guī)劃和控制帶來(lái)極大挑戰(zhàn)。雙足仿人機(jī)器人的工作空間控制需要考慮其動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的計(jì)算。

目前，其動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的計(jì)算主要有兩種技術(shù)路線(xiàn)：1.從全動(dòng)力學(xué)角度通過(guò)牛頓歐拉或者歐拉拉格朗日方法直接計(jì)算雙足仿人機(jī)器人所有連桿的動(dòng)力學(xué)方程，并通過(guò)全運(yùn)動(dòng)學(xué)的角度通過(guò)幾何或者解析的方法直接計(jì)算雙足仿人機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程；2.將雙足仿人機(jī)器人簡(jiǎn)化成為更為簡(jiǎn)單的虛擬模型，在簡(jiǎn)單的虛擬模型上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，而真實(shí)的仿人機(jī)器人通過(guò)復(fù)制虛擬模型的動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，常見(jiàn)的簡(jiǎn)化模型有線(xiàn)性倒立擺模型、彈性倒立擺模型等等。

然而，針對(duì)上述提到的兩種方案均存在一些問(wèn)題。例如，對(duì)于第一種方案，該雙足仿人機(jī)器人的每一個(gè)關(guān)節(jié)就需要至少十二個(gè)動(dòng)力學(xué)參數(shù)，如包含質(zhì)量、質(zhì)心、慣性張量和摩擦系數(shù)等等，而這些參數(shù)往往難于直接測(cè)量或者辨識(shí)而導(dǎo)致其計(jì)算并不準(zhǔn)確。而對(duì)于第二種方案，首先，在簡(jiǎn)化模型中，由于線(xiàn)性倒立擺模型、彈性倒立擺模型忽略機(jī)器人上身的姿態(tài)，這為雙足仿人機(jī)器人的上身姿態(tài)控制帶來(lái)很大問(wèn)題。其次，線(xiàn)性倒立擺模型的衍生模型往往假設(shè)倒立擺擺桿的支點(diǎn)固定于地面，因此未考慮地面傾斜等情況下對(duì)腳底姿態(tài)的控制問(wèn)題，這使得簡(jiǎn)化模型的控制效果不好、魯棒性較差等等。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種基于浮動(dòng)基飛輪倒立擺的仿人機(jī)器人建模方法和裝置。

本發(fā)明的一實(shí)施例提供一種基于浮動(dòng)基飛輪倒立擺的仿人機(jī)器人建模方法，包括：

基于第一正向運(yùn)動(dòng)學(xué)函數(shù)將仿人機(jī)器人的真實(shí)關(guān)節(jié)空間正向映射至浮動(dòng)基飛輪倒立擺的關(guān)節(jié)空間；

基于第二正向運(yùn)動(dòng)學(xué)函數(shù)將所述浮動(dòng)基飛輪倒立擺的關(guān)節(jié)空間正向映射至所述浮動(dòng)基飛輪倒立擺的工作空間；

基于第二反向運(yùn)動(dòng)學(xué)函數(shù)將所述浮動(dòng)基飛輪倒立擺的工作空間逆向映射至所述浮動(dòng)基飛輪倒立擺的關(guān)節(jié)空間；

基于第一反向運(yùn)動(dòng)學(xué)函數(shù)將所述浮動(dòng)基飛輪倒立擺的關(guān)節(jié)空間逆向映射至所述仿人機(jī)器人的真實(shí)關(guān)節(jié)空間。

進(jìn)一步地，在上述的基于浮動(dòng)基飛輪倒立擺的仿人機(jī)器人建模方法中，所述浮動(dòng)基飛輪倒立擺的關(guān)節(jié)空間中的向量由第一旋轉(zhuǎn)自由度、第二旋轉(zhuǎn)自由度、直線(xiàn)自由度和浮動(dòng)基構(gòu)成；基于所述第一正向運(yùn)動(dòng)學(xué)函數(shù)的正向映射的過(guò)程，包括：

根據(jù)所述仿人機(jī)器人的關(guān)節(jié)位置計(jì)算所述仿人機(jī)器人從腰到腳踝的長(zhǎng)度，將所述直線(xiàn)自由度映射為所述從腰到腳踝的長(zhǎng)度；

根據(jù)所述仿人機(jī)器人的關(guān)節(jié)姿態(tài)計(jì)算所述仿人機(jī)器人的腳踝姿態(tài)和腳底姿態(tài)，將所述第一旋轉(zhuǎn)自由度映射為所述腳踝姿態(tài)，并將所述浮動(dòng)基映射為所述腳底姿態(tài)；

將所述腳踝姿態(tài)與所述腳底姿態(tài)相加，并將所述第二旋轉(zhuǎn)自由度映射為所述相加的結(jié)果與所述腰姿態(tài)之間的差值。

進(jìn)一步地，在上述的基于浮動(dòng)基飛輪倒立擺的仿人機(jī)器人建模方法中，所述仿人機(jī)器人的關(guān)節(jié)位姿的各關(guān)節(jié)的位置及姿態(tài)的獲取，包括：