[發(fā)明專利]彈跳機(jī)器人及其動(dòng)量輪組件和姿態(tài)控制方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202111005770.1
• 申請(qǐng)日: 2021-08-30
• 公開（公告）號(hào): CN113829360A
• 公開（公告）日: 2021-12-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 宦紅倫;柳玉甜;李昌剛;李君
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 浙江萬里學(xué)院
• 主分類號(hào): B25J11/00
• 分類號(hào): B25J11/00;B25J9/16
• 代理公司: 重慶航圖知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 50247
• 代理人: 胡小龍

1.一種動(dòng)量輪組件，其特征在于：包括輪臂(1)，所述輪臂(1)上設(shè)有與其轉(zhuǎn)動(dòng)配合的輪軸(2)，所述輪軸(2)上設(shè)有與其同步轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)量輪(3)，所述輪臂(1)上還設(shè)有用于驅(qū)動(dòng)所述輪軸(2)轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)量輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動(dòng)量輪組件，其特征在于：所述動(dòng)量輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括伺服電機(jī)(4)，所述伺服電機(jī)(4)的輸出軸與所述輪軸(2)之間設(shè)有傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的動(dòng)量輪組件，其特征在于：所述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括相互嚙合的渦輪(5)和蝸桿(6)，所述渦輪(5)的轉(zhuǎn)軸(7)與所述伺服電機(jī)(4)的輸出軸之間傳動(dòng)連接，所述蝸桿(6)套設(shè)在所述輪軸(2)上并與所述輪軸(2)同步轉(zhuǎn)動(dòng)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的動(dòng)量輪組件，其特征在于：所述輪軸(2)的兩端分別設(shè)有所述動(dòng)量輪(3)。

5.一種彈跳機(jī)器人，包括機(jī)器人本體，所述機(jī)器人本體包括基座(10)，其特征在于：所述基座(10)上環(huán)形均布設(shè)有至少兩個(gè)如權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的動(dòng)量輪組件，所述輪臂(1)與所述基座(10)固定連接。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的彈跳機(jī)器人，其特征在于：所述基座(10)上環(huán)形均布設(shè)有兩個(gè)或三個(gè)所述的動(dòng)量輪組件。

7.根據(jù)權(quán)利要求5或6任一項(xiàng)所述的彈跳機(jī)器人，其特征在于：所述基座(10)上設(shè)有彈跳腿(11)和用于執(zhí)行動(dòng)作的執(zhí)行連桿。

8.一種適用于如權(quán)利要求5-7任一項(xiàng)所述彈跳機(jī)器人的姿態(tài)控制方法，其特征在于：包括如下步驟：

1)以所述彈跳機(jī)器人的質(zhì)心以及所述彈跳機(jī)器人各關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角構(gòu)建廣義坐標(biāo)；

2)計(jì)算彈跳機(jī)器人的總動(dòng)能E_k和總勢能E_p，得到拉格朗日函數(shù)：L＝E_k-E_p；

3)根據(jù)拉格朗日函數(shù)得到彈跳機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)方程：

其中，τ_i是廣義力；q_i是廣義坐標(biāo)；是廣義速度；

將動(dòng)力學(xué)方程改寫為狀態(tài)方程形式：

其中，表示彈跳機(jī)器人的狀態(tài)方程；

X為系統(tǒng)狀態(tài)變量，且：即X(t)∈R²ⁿ，R²ⁿ表示2n維實(shí)向量空間；x_c0,y_c0,z_c0分別表示彈跳機(jī)器人的質(zhì)心坐標(biāo)；表示質(zhì)心速度；θ_j表示彈跳機(jī)器人各關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角；表示彈跳機(jī)器人各關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角速度；j＝0,1,…,n-3；

U是控制參數(shù)；且U(t)∈R^m，R^m表示m維實(shí)向量；m是驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)數(shù)，且m＜n；

t表示時(shí)間；

4)確定狀態(tài)方程的初始條件和終端條件；當(dāng)終端時(shí)刻固定時(shí)，自由終點(diǎn)的橫截條件為：

5)定義性能指標(biāo)：

其中，J是性能泛函；表示基座角速度，且為末值型性能指標(biāo)，即對(duì)基座角速度的終端狀態(tài)提出了要求，保證著陸時(shí)基座姿態(tài)盡可能為水平；t_f表示終端時(shí)刻，且為積分型性能指標(biāo)，反映彈跳機(jī)器人驅(qū)動(dòng)能量的消耗；

6)確定控制作用的容許范圍，并以各關(guān)節(jié)最大驅(qū)動(dòng)力為控制約束|τ_i|≤|τ_im|，以極小值原理求解最優(yōu)控制，其中，τ_im表示第i個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力上限值；

7)將求解得到的最優(yōu)控制施加于用狀態(tài)方程描述的彈跳機(jī)器人。