[發(fā)明專利]一種高能效輕量化結(jié)構(gòu)雙足機(jī)器人的逆運(yùn)動學(xué)求解方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010722914.4
• 申請日: 2020-07-24
• 公開（公告）號: CN111914416B
• 公開（公告）日: 2021-03-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 袁海輝;施佳晨;顧建軍;朱世強(qiáng)
• 申請（專利權(quán)）人: 之江實(shí)驗(yàn)室
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F111/10
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 邱啟旺

1.一種高能效輕量化結(jié)構(gòu)雙足機(jī)器人的逆運(yùn)動學(xué)求解方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一，采用旋量法建立機(jī)器人坐標(biāo)系，并構(gòu)造表征姿態(tài)信息的矢量，進(jìn)而構(gòu)建出用于逆運(yùn)動學(xué)求解的表達(dá)式方程，根據(jù)期望的末端位置采用牛頓拉夫遜算法對機(jī)器人的逆運(yùn)動學(xué)進(jìn)行數(shù)值求解獲得機(jī)器人各關(guān)節(jié)角度；

步驟二，基于步驟一得到的關(guān)節(jié)角度，采用幾何方法計(jì)算出各關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)需要轉(zhuǎn)動的角度；

所述步驟一具體為：

首先，利用旋量法建立機(jī)器人坐標(biāo)系并獲得機(jī)器人位姿的表達(dá)式；在初始狀態(tài)下，各關(guān)節(jié)角度為0，各關(guān)節(jié)的局部坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系平行；機(jī)器人第i個關(guān)節(jié)角度q_i相對第i-1個關(guān)節(jié)角度q_i-1的齊次變換矩陣為：

其中，a_i為關(guān)節(jié)角度q_i的單位轉(zhuǎn)軸向量，表示由a_i生成的斜對稱矩陣，b_i表示關(guān)節(jié)角度q_i-1局部坐標(biāo)系下q_i局部坐標(biāo)系原點(diǎn)的位置矢量，的表達(dá)如下：

其中，E為單位矩陣；基于齊次轉(zhuǎn)換矩陣機(jī)器人關(guān)節(jié)角度q_i的位姿矩陣為T_i：

其中，R_i為關(guān)節(jié)角度q_i的姿態(tài)矩陣，p_i為關(guān)節(jié)角度q_i的絕對位置矢量，R₀和p₀分別為機(jī)器人起始桿件的位姿矩陣和絕對位置矢量；基于位姿矩陣T_i，令第j個關(guān)節(jié)角度q_j為機(jī)器人的末端關(guān)節(jié)角度，則機(jī)器人末端的位姿矩陣T_j為：

然后，基于機(jī)器人末端的位姿矩陣T_j，構(gòu)建機(jī)器人逆運(yùn)動學(xué)求解的表達(dá)式方程：

f(q)＝f_ref

其中，q＝[q₁,…,q_j]^T為機(jī)器人關(guān)節(jié)角度組成的向量，p_ref為末端位置矢量的期望值，向量v_or構(gòu)造如下：

v_or＝[M(1,1) M(2,2) M(3,3)]^T

其中，矩陣為機(jī)器人末端期望姿態(tài)矩陣R_ref的轉(zhuǎn)置；

接著，利用牛頓拉夫遜算法對方程f(q)＝f_ref進(jìn)行求解，方程求解的迭代方程如下：

X_k＝X_k-1-J^-1(f(X_k-1)-f_ref)

其中，X_k為向量q在第k次的迭代值；J^-1為J的逆，X₀為關(guān)節(jié)角度向量q的初始估計(jì)值；當(dāng)向量f(X_k)-f_ref的歐幾里得范數(shù)小于閾值λ時，迭代終止，最終得到關(guān)節(jié)角度向量q＝X_k。

2.如權(quán)利要求1所述高能效輕量化結(jié)構(gòu)雙足機(jī)器人的逆運(yùn)動學(xué)求解方法，其特征在于，閾值λ＝10^-7。

3.如權(quán)利要求1所述高能效輕量化結(jié)構(gòu)雙足機(jī)器人的逆運(yùn)動學(xué)求解方法，其特征在于，所述步驟二中，機(jī)器人踝關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)的輸出曲柄、連桿以及起始桿件構(gòu)成空間四邊形，計(jì)算采用踝關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)需要轉(zhuǎn)動的角度具體為：首先，找到該空間四邊形中可基于局部坐標(biāo)系表示的三個頂點(diǎn)，即連桿與起始桿件的連接點(diǎn)、電機(jī)輸出曲柄與電機(jī)的連接點(diǎn)以及機(jī)器人起始桿件上的一個固定點(diǎn)，所述固定點(diǎn)位于電機(jī)輸出曲柄的運(yùn)動平面內(nèi)，并在局部坐標(biāo)系下對三個頂點(diǎn)進(jìn)行表達(dá)；然后，將電機(jī)輸出曲柄末端的位置表示為電機(jī)轉(zhuǎn)動角度的函數(shù)，進(jìn)而表示出連桿在局部坐標(biāo)系下的位置向量；最后，根據(jù)連桿的長度，計(jì)算出踝關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)實(shí)際需要轉(zhuǎn)動的角度。