專利名稱：一種跳躍機(jī)器人及采用慣性匹配的運(yùn)動(dòng)優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域，更具體的說，是關(guān)于一種跳躍機(jī)器人及采 用慣性匹配的運(yùn)動(dòng)優(yōu)化方法。本發(fā)明對于雙腿機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)環(huán)境中的適應(yīng)能力 是有利的。
背景技術(shù)：
如今在機(jī)器人領(lǐng)域，雙腿機(jī)器人多采用單腿被動(dòng)奔跑，這種機(jī)器人具有彈性 腿與柔性臀關(guān)節(jié)。這種運(yùn)動(dòng)控制與以前提出的相比，最大優(yōu)勢在于它不需要預(yù)先 規(guī)劃軌跡及目標(biāo)動(dòng)力學(xué)。它利用的是精確的非線性動(dòng)力學(xué)。結(jié)果總結(jié)如下。第一， 提出了一個(gè)能量保持控制策略，它可以生成能量效率高、自主的步法。將該策略 作為一個(gè)新的飛行階段觸地控制器成功地進(jìn)行了運(yùn)行。仿真結(jié)果表明，該機(jī)器人 能夠在一系列初始條件下跳躍。而且，所生成的奔跑步法是準(zhǔn)周期軌道，可以看 作是漢密爾頓系統(tǒng)。由于每個(gè)容許的能量級都存在受控的奔跑步法，因此它們對 干擾具有魯棒性。而且，觸地角的自適應(yīng)控制與混沌系統(tǒng)的延遲反饋控制器相似， 利用某些限制可以漸近地將這些準(zhǔn)周期步法穩(wěn)定為期望的周期性步法。#別是， 對于單周期性步法而言，利用某些輔助自適應(yīng)控制器，機(jī)器人最終可以在無控制 輸入的情況下進(jìn)行跳躍。 '
但是，這種跳躍機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制方法，由于采用的是基于位置的雙足人形機(jī) 器人阻抗控制，來實(shí)現(xiàn)雙足人形機(jī)器人的移動(dòng)。雙足機(jī)的腿部阻抗參數(shù)是根據(jù)步 法階段實(shí)時(shí)調(diào)整的。為了降低足與地面接觸時(shí)的沖擊接觸力，著地足的阻抗阻尼 系數(shù)在前半個(gè)雙足支撐階段被大大提高。在后半個(gè)雙足支撐階段，利用一個(gè)多項(xiàng)式將被阻抗控制法改變的腿部步行模式恢復(fù)到期望的步行模式。而且，給出了著 地腿的大剛度，以便增大在前半個(gè)單足支撐階段因著地腿的粘彈性而減小的動(dòng)量。 為保證雙足人形機(jī)器人的穩(wěn)定性，在整個(gè)歩行周期內(nèi)采用一個(gè)平衡控制培，補(bǔ)償 因雙足移動(dòng)而產(chǎn)生的動(dòng)量。
所以在不介入慣性匹配技術(shù)的情況下，對非結(jié)構(gòu)環(huán)境的適應(yīng)能力非常差。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是為了消除以前技術(shù)中的問題，在于提供一種跳躍機(jī)器 人及釆用慣性匹配的運(yùn)動(dòng)優(yōu)化方法。在非結(jié)構(gòu)環(huán)境中，地形適應(yīng)能力對機(jī)器人很 重要，腿式跳躍機(jī)器人能越過與自身尺寸相當(dāng)或數(shù)倍的障礙物，大大提高了機(jī)器 人的活動(dòng)范圍。跳躍機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中與環(huán)境的約束條件是變化的，這種變約 束系統(tǒng)的通用動(dòng)力學(xué)模型比較難建立，很多學(xué)者用伸縮腿、質(zhì)量-彈簧以及彈簧負(fù) 載倒立擺[3]模型等數(shù)學(xué)簡化模型方法，分階段建立動(dòng)力學(xué)方程。
本發(fā)明的發(fā)明目的是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的 一種跳躍機(jī)器人及采用慣性 匹配的運(yùn)動(dòng)優(yōu)化方法，由矩陣運(yùn)算控制器、鋁板肢體、關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和慣性匹配 的運(yùn)動(dòng)控制算法組成。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)
根據(jù)跳躍機(jī)器人的數(shù)學(xué)建模，提出本跳躍機(jī)器人的各項(xiàng)技術(shù)要點(diǎn)
1.)跳躍機(jī)器人站立相動(dòng)力學(xué)分析，站立相參考基座是固定的，具有完整約束。2. )跳躍機(jī)器人騰空相動(dòng)力學(xué)分析，騰空相參考基座是浮動(dòng)的，具有動(dòng)量矩 守恒的非完整約束特性。
3. )跳躍高度性能由起跳速度和方向決定，且起跳運(yùn)動(dòng)屬于站立相。
4. )機(jī)器人空間狀態(tài)模型，需研究徑向平面內(nèi)用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)單 腿跳躍機(jī)器人。
其中，機(jī)器人的可操作性是指機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)可逆性，它反映整個(gè) 機(jī)器人系統(tǒng)對力和運(yùn)動(dòng)的全局轉(zhuǎn)換能力。在機(jī)械臂的研究中，有一些衡量操作機(jī) 械臂的性能指標(biāo)[9]，如可操作力橢圓，可操作速度橢圓，可操作方向橢圓等。 可操作性能指標(biāo)己經(jīng)被應(yīng)用于機(jī)器人工作空間的工件位置的優(yōu)化[6]、機(jī)器人手指
的運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)[7]、冗余度機(jī)器人位形優(yōu)化與容錯(cuò)性[8]等各個(gè)方面。本文基于空間 浮動(dòng)基，建立跳躍機(jī)器人變約束系統(tǒng)的站立相動(dòng)力學(xué)方程；視跳躍機(jī)器人為持有 水端載荷的冗余機(jī)械臂，運(yùn)用慣性匹配和方向可操作度優(yōu)化跳躍姿態(tài)和負(fù)載匹配； 采用五次多項(xiàng)式規(guī)劃起跳運(yùn)動(dòng)，仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該優(yōu)化方法的有效性。
機(jī)器人多剛體關(guān)節(jié)配置描述如圖1所示。固定基座為^c^，考慮空間浮動(dòng)基
座，機(jī)器人姿態(tài)向量，《為剛體間的夾角，逆時(shí)針方向?yàn)檎??？紤]機(jī)器人重心的 絕對位置描述；騰空相系統(tǒng)的廣義坐標(biāo)向量為Qf，站立相系統(tǒng)的廣義坐標(biāo)為Qs。
考慮剛體質(zhì)量，長度，可推算繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
假設(shè)機(jī)器人站立相時(shí)沒有滑移和滑轉(zhuǎn)，推導(dǎo)出浮動(dòng)基系統(tǒng)動(dòng)能。進(jìn)而計(jì)算機(jī) 器人質(zhì)心。依據(jù)浮動(dòng)基的騰空相廣義坐標(biāo)與固定基的站立相廣義坐標(biāo)計(jì)算站立相 系統(tǒng)動(dòng)能，從而推算站立相動(dòng)力學(xué)方程，并依次編輯運(yùn)動(dòng)控制算法。慣性匹配[10]通常用于驅(qū)動(dòng)器與齒輪系統(tǒng)的性能優(yōu)化，主要是基于驅(qū)動(dòng)力矩與 載荷施加力矩之間的力傳遞性能，選擇最優(yōu)齒輪傳動(dòng)比。當(dāng)驅(qū)動(dòng)器與載荷處于最 優(yōu)慣性匹配狀態(tài)時(shí)，力傳遞效率最大。
采用如上所述的技術(shù)方案后，本發(fā)明具有如下優(yōu)越性
a. )當(dāng)跳躍機(jī)器人的慣性匹配最大時(shí)，地面反力沖量最大，跳躍性能也最優(yōu)；
b. )跳躍高度與慣性匹配成正比，慣性匹配最大時(shí)機(jī)器人起跳姿態(tài)和負(fù)載匹配
最優(yōu)。 '
C.)慣性匹配是一種有效的跳躍運(yùn)動(dòng)優(yōu)化方法。通過跳躍機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型和 運(yùn)動(dòng)規(guī)劃理論的研究，拓展了跳躍運(yùn)動(dòng)優(yōu)化方法，對跳躍機(jī)器人設(shè)計(jì)、性能優(yōu)化 以及姿態(tài)控制有一定參考價(jià)值。


圖1為本發(fā)明的機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)及原理圖； 圖2為本發(fā)明的機(jī)器人慣性匹配原理P; 圖3為本發(fā)明的機(jī)器人控制流程具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做詳細(xì)描述。 機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)及原理圖如圖1所示。本跳躍機(jī)器人以矩陣運(yùn)算控制器為硬件核心，機(jī)器人多剛體關(guān)節(jié)配置描述如 圖1所示對跳躍機(jī)器人的慣性匹配，視跳躍機(jī)器人為持有末端載荷的冗余機(jī)械臂，
對末端載荷進(jìn)行受力分析，其中機(jī)器人載荷加速度矩陣為機(jī)器人重力矩陣，W' 為負(fù)載匹配。機(jī)器人負(fù)載匹配指標(biāo)為M'^，反映了機(jī)器人質(zhì)量質(zhì)量分布狀況和攜 帶負(fù)載的能力，若末端載荷未知，當(dāng)機(jī)器人受外力(力矩)作用時(shí)，根據(jù)站立相 動(dòng)力學(xué)方程式，推導(dǎo)機(jī)器人Jacobian矩陣的偽逆矩陣，結(jié)合有關(guān)節(jié)速度和加速度 的力偏差，機(jī)器人慣性匹配，關(guān)節(jié)力矩與載荷速度和加速度的傳遞效率。
根據(jù)奇異值(SVD)分解理論，關(guān)系矩陣為正交矩陣；慣性匹配的可操作度 可得到，慣性匹配可操作度是主軸方向分別為U的列向量、主軸長度的橢球的體 積與常系數(shù)乘積；同時(shí)表示出相應(yīng)主軸方向上的運(yùn)動(dòng)能力。慣性匹配可操作度可 以綜合評價(jià)機(jī)器人的各向靈活性，對機(jī)器人可操作性進(jìn)行了整體的衡量。
通常機(jī)器人系統(tǒng)的電機(jī)輸出力矩是對稱限幅約束。用力矩轉(zhuǎn)換矩陣將機(jī)器人 關(guān)節(jié)力矩矩陣轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)關(guān)節(jié)力矩矩陣。機(jī)器人慣性匹配橢圓可以得到，慣性匹 配橢圓反映了機(jī)器人關(guān)節(jié)和末端載荷之間的動(dòng)態(tài)力和力矩的傳遞效率，是一種衡 量系統(tǒng)可操作度的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。 '
慣性匹配方向可操作度可加以考慮，慣性匹配是一個(gè)矢量，慣性匹配可操作 度僅描述、了其數(shù)值的可操作性，他的方向由跳躍任務(wù)決定。即作用在機(jī)器人末端
載荷質(zhì)心的力矩矢量。其中力矩的標(biāo)量表示形式，及笛卡爾空間中機(jī)器人末端
載荷的受力方向，和載荷質(zhì)心力矩與各坐標(biāo)軸正向間夾角。慣性匹配方向可操作 度可以表示。慣性匹配方向可操作度反映了機(jī)器人在任務(wù)方向上的可操作能力， 即方向可操作性。跳躍運(yùn)動(dòng)的優(yōu)化理論基于如下過程起跳可看成從初始姿態(tài)運(yùn)動(dòng)至離地姿態(tài) 過程中，機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)的運(yùn)動(dòng)；慣性匹配方向可操作度是機(jī)器人姿態(tài)位形 和負(fù)載匹配指標(biāo)的函數(shù)。當(dāng)慣性匹配最大時(shí)，機(jī)器人內(nèi)部關(guān)節(jié)力矩的傳竭效率最 大，地面反力沖量也最大，機(jī)器人跳躍最高。結(jié)合慣性匹配和方向可操作度，基 于跳躍性能最優(yōu)，可優(yōu)化起跳姿態(tài)和負(fù)載匹配指標(biāo)。起跳姿態(tài)的優(yōu)化需考慮地面 反力沖量，因此起跳姿態(tài)優(yōu)化可得。另外，考慮負(fù)載匹配指標(biāo)優(yōu)化，跳躍運(yùn)動(dòng)的 規(guī)劃。因此，關(guān)注機(jī)器人起跳運(yùn)動(dòng)整體重心的時(shí)間歷程；豎直方向位移歷程包括 了跳躍運(yùn)動(dòng)優(yōu)化下的起跳姿態(tài)位置；速度歷程；加速度歷程?？紤]到速度和加速 度約束，采用五次多項(xiàng)式規(guī)劃站立相重心軌跡，騰空相機(jī)器人質(zhì)心作拋物線運(yùn)動(dòng)。
實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)了2關(guān)節(jié)，3連桿(腳，小腿，大腿)的單腿跳躍機(jī)器人。'機(jī)械結(jié) 構(gòu)如圖2所示，結(jié)構(gòu)用鋁板連接。該跳躍機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)電機(jī)型號是TowerPro MG995。根垂跳躍機(jī)器人的物理參數(shù)，實(shí)驗(yàn)測得，跳躍機(jī)器人能獲得的最大跳躍 高度0.010 0.014m。起跳姿態(tài)和負(fù)載匹配指標(biāo)與豎直跳躍高度和慣性匹配的關(guān)系 如圖3所示，起跳姿態(tài)和負(fù)載匹配指標(biāo)下的地面反力分布如圖3所示，基于最優(yōu) 跳躍性能的機(jī)器人關(guān)節(jié)角速度和關(guān)節(jié)力矩軌跡如圖3所示。試驗(yàn)中得到以下試驗(yàn)
數(shù)據(jù)
1. )不同起跳姿態(tài)和負(fù)載匹配指標(biāo)下的慣性匹配
2. )不同起跳姿態(tài)和負(fù)載匹配指標(biāo)下的跳躍高度
3. )不同起跳姿態(tài)和負(fù)載匹配指標(biāo)下的慣性匹酉d和跳躍高度
4. )不同起跳姿態(tài)卞的地面反力分布5. )不同負(fù)載匹配指標(biāo)下的地面反力分布
6. )不同起跳姿態(tài)和負(fù)載匹配指標(biāo)下的地面反力分布
7. )最優(yōu)跳躍性能下的關(guān)節(jié)角速度軌跡
8. )最優(yōu)跳躍性能下的關(guān)節(jié)力矩軌跡
9. )最優(yōu)跳躍性能下的關(guān)節(jié)角速度和關(guān)節(jié)力矩軌跡
分析可知，慣性匹配與跳躍高度成IH比。從力矩傳遞效率上，起跳姿態(tài)與慣 性匹配關(guān)系為當(dāng)踝關(guān)節(jié)角度增加至^^時(shí)，慣性匹配急劇增加到最大值0.9N， 跳躍高度也急劇增加至最高值0.014m;當(dāng)踝關(guān)節(jié)角度繼續(xù)增加時(shí)，慣性匹配逐漸 減小到一定值0.5N，跳躍高度也逐漸減小到一定值0.011m。負(fù)載匹配指標(biāo)與慣性 匹配的關(guān)系為機(jī)器人負(fù)載匹配指標(biāo)與負(fù)載匹配成正比，當(dāng)負(fù)載匹配指標(biāo)增加至 0.48時(shí)，慣性匹配線性逐漸增加到最大值0.89N，跳躍高度也線性增加最最高值 0.014m;當(dāng)負(fù)載匹配指標(biāo)增加至0.51時(shí)，由于關(guān)節(jié)力矩的急劇增加，起跳速度就 減小，這時(shí)慣性匹配急劇減小至0.16N,跳躍高度也急劇減小到0.002m;當(dāng)負(fù)載 匹配指標(biāo)繼續(xù)增加時(shí)，關(guān)節(jié)力矩會(huì)逐漸達(dá)到最大限度，起跳速度逐漸減小到零， 這時(shí)慣性匹配逐漸減小到零，跳躍高度也逐漸減小到零。從地面反力沖量因素考 慮，當(dāng)跳躍機(jī)器人起跳姿態(tài)和慣性匹配指標(biāo)最優(yōu)時(shí)，地面反力沖量最大，跳躍高 度也最高。最優(yōu)負(fù)載匹配下，機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)速度和力矩均滿足所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電 機(jī)性能指標(biāo)。
數(shù)值仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果的誤差百分比為9.6%、 8.3%。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果 表明，優(yōu)化結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果在一定程度上比較吻合，誤差表現(xiàn)在跳躍機(jī)器人結(jié)構(gòu)的不對稱性和數(shù)學(xué)模型的簡化上。
權(quán)利要求
1.一種跳躍機(jī)器人及采用慣性匹配的運(yùn)動(dòng)優(yōu)化方法，由矩陣運(yùn)算控制器、鋁板肢體、關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和慣性匹配的運(yùn)動(dòng)控制算法組成。其特征在于，該跳躍機(jī)器人的跳躍運(yùn)動(dòng)基于慣性匹配控制。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種跳躍機(jī)器人及采用慣性匹配的運(yùn)動(dòng)優(yōu)化方法， 跳躍運(yùn)動(dòng)分為站立相、騰空相和落地碰撞相三個(gè)階段控制。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種跳躍機(jī)器人及采用慣性匹配的運(yùn)動(dòng)優(yōu)化方法， 跳躍機(jī)器人站立相參考基座是固定的，具有完整約束。
4. 根據(jù)權(quán)禾!J要求1所述的一種跳躍機(jī)器人及采用慣性匹配的運(yùn)動(dòng)優(yōu)化方法， 跳躍機(jī)器人騰空相參考基座是浮動(dòng)的，具有動(dòng)量矩守恒的非完整約束特性。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種跳躍機(jī)器人及采用慣性匹配的運(yùn)動(dòng)優(yōu)化方法，由矩陣運(yùn)算控制器、鋁板肢體、關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和慣性匹配的運(yùn)動(dòng)控制算法組成。本系統(tǒng)以跳躍機(jī)器人為研究對象，將跳躍運(yùn)動(dòng)劃分為站立相、騰空相和落地碰撞相三個(gè)階段，在變約束動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)上，使用空間浮動(dòng)基建立了站立相動(dòng)力學(xué)方程，運(yùn)用慣性匹配和方向可操作度進(jìn)行了起跳姿態(tài)和負(fù)載匹配優(yōu)化研究，并用五次多項(xiàng)式規(guī)劃跳躍運(yùn)動(dòng)。仿真和實(shí)驗(yàn)表明跳躍機(jī)器人的慣性匹配最大時(shí)，地面反力沖量最大，跳躍性能也最優(yōu)；跳躍高度與慣性匹配成正比，慣性匹配最大時(shí)機(jī)器人起跳姿態(tài)和負(fù)載匹配最優(yōu)。慣性匹配是一種有效的跳躍運(yùn)動(dòng)優(yōu)化方法。
文檔編號B62D57/032GK101525011SQ20081003420
公開日2009年9月9日 申請日期2008年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月4日
發(fā)明者王慧娟 申請人:王慧娟