[發明專利]基于浮動基飛輪倒立擺的仿人機器人建模方法和裝置

有效

• 申請號: 201911414272.5
• 申請日: 2019-12-31
• 公開（公告）號: CN113119102B
• 公開（公告）日: 2022-09-20
• 發明（設計）人: 鞠笑竹;趙明國;熊友軍
• 申請（專利權）人: 深圳市優必選科技股份有限公司
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 北京超凡宏宇專利代理事務所(特殊普通合伙) 11463
• 代理人: 梁韜

本發明實施例公開了一種基于浮動基飛輪倒立擺的仿人機器人建模方法和裝置，該方法包括：基于第一正向運動學函數將仿人機器人的真實關節空間正向映射至浮動基飛輪倒立擺的關節空間；基于第二正向運動學函數將浮動基飛輪倒立擺的關節空間正向映射至浮動基飛輪倒立擺的工作空間；基于第二反向運動學函數將所述工作空間逆向映射至所述關節空間；基于第一反向運動學函數將所述關節空間逆向映射至所述真實關節空間。本發明的技術方案基于浮動基飛輪倒立擺對仿人機器人進行建模，該模型不僅能反映機器人的上身姿態，也能反映浮動基和仿人機器人的腳底姿態等，基于此模型對該仿人機器人可以進行完全運動控制，控制效果好，魯棒性好等。

技術領域

本發明涉及仿人機器人技術領域，尤其涉及一種基于浮動基飛輪倒立擺的仿人機器人建模方法和裝置。

背景技術

雙足仿人機器人是具有極高自由度的一種特殊機器人。一個能夠完成全向和全地形行走的雙足仿人機器人需要至少12個自由度。其多自由度和非線性的特點為規劃和控制帶來極大挑戰。雙足仿人機器人的工作空間控制需要考慮其動力學和運動學模型的計算。

目前，其動力學和運動學模型的計算主要有兩種技術路線：1.從全動力學角度通過牛頓歐拉或者歐拉拉格朗日方法直接計算雙足仿人機器人所有連桿的動力學方程，并通過全運動學的角度通過幾何或者解析的方法直接計算雙足仿人機器人的運動學方程；2.將雙足仿人機器人簡化成為更為簡單的虛擬模型，在簡單的虛擬模型上進行運動控制，而真實的仿人機器人通過復制虛擬模型的動態實現運動，常見的簡化模型有線性倒立擺模型、彈性倒立擺模型等等。

然而，針對上述提到的兩種方案均存在一些問題。例如，對于第一種方案，該雙足仿人機器人的每一個關節就需要至少十二個動力學參數，如包含質量、質心、慣性張量和摩擦系數等等，而這些參數往往難于直接測量或者辨識而導致其計算并不準確。而對于第二種方案，首先，在簡化模型中，由于線性倒立擺模型、彈性倒立擺模型忽略機器人上身的姿態，這為雙足仿人機器人的上身姿態控制帶來很大問題。其次，線性倒立擺模型的衍生模型往往假設倒立擺擺桿的支點固定于地面，因此未考慮地面傾斜等情況下對腳底姿態的控制問題，這使得簡化模型的控制效果不好、魯棒性較差等等。

發明內容

有鑒于此，本發明目的是為了克服現有技術中的不足，提供一種基于浮動基飛輪倒立擺的仿人機器人建模方法和裝置。

本發明的一實施例提供一種基于浮動基飛輪倒立擺的仿人機器人建模方法，包括：

基于第一正向運動學函數將仿人機器人的真實關節空間正向映射至浮動基飛輪倒立擺的關節空間；

基于第二正向運動學函數將所述浮動基飛輪倒立擺的關節空間正向映射至所述浮動基飛輪倒立擺的工作空間；

基于第二反向運動學函數將所述浮動基飛輪倒立擺的工作空間逆向映射至所述浮動基飛輪倒立擺的關節空間；

基于第一反向運動學函數將所述浮動基飛輪倒立擺的關節空間逆向映射至所述仿人機器人的真實關節空間。

進一步地，在上述的基于浮動基飛輪倒立擺的仿人機器人建模方法中，所述浮動基飛輪倒立擺的關節空間中的向量由第一旋轉自由度、第二旋轉自由度、直線自由度和浮動基構成；基于所述第一正向運動學函數的正向映射的過程，包括：

根據所述仿人機器人的關節位置計算所述仿人機器人從腰到腳踝的長度，將所述直線自由度映射為所述從腰到腳踝的長度；

根據所述仿人機器人的關節姿態計算所述仿人機器人的腳踝姿態和腳底姿態，將所述第一旋轉自由度映射為所述腳踝姿態，并將所述浮動基映射為所述腳底姿態；

將所述腳踝姿態與所述腳底姿態相加，并將所述第二旋轉自由度映射為所述相加的結果與所述腰姿態之間的差值。

進一步地，在上述的基于浮動基飛輪倒立擺的仿人機器人建模方法中，所述仿人機器人的關節位姿的各關節的位置及姿態的獲取，包括：