一種3D欠驅(qū)動(dòng)雙足機(jī)器人跳躍運(yùn)動(dòng)的步態(tài)規(guī)劃方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)涉及一種3D欠驅(qū)動(dòng)雙足機(jī)器人跳躍運(yùn)動(dòng)的步態(tài)規(guī)劃方法，該步態(tài)規(guī)劃方法的仿生特點(diǎn)主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：1)模仿人類的跳躍動(dòng)作特點(diǎn)，即在跳躍過(guò)程中，機(jī)器人支撐腿膝關(guān)節(jié)快速伸張，并且機(jī)器人的髖關(guān)節(jié)同時(shí)動(dòng)作以使機(jī)器人軀干與重力豎直方向夾角快速減小；2)滿足人類跳躍運(yùn)動(dòng)時(shí)的關(guān)節(jié)約束限制，主要包括胯部角度約束、軀干角度約束、膝關(guān)節(jié)角度約束。因此，相比以往的跳躍運(yùn)動(dòng)步態(tài)規(guī)劃方法，本發(fā)明專利技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的跳躍運(yùn)動(dòng)，還能夠體現(xiàn)出仿人的步態(tài)特征。此外，本發(fā)明專利技術(shù)還提供了一套能夠有效實(shí)現(xiàn)3D欠驅(qū)動(dòng)雙足機(jī)器人跳躍運(yùn)動(dòng)步態(tài)規(guī)劃的程序設(shè)計(jì)方案。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)屬于機(jī)器人
，具體涉及一種3D欠驅(qū)動(dòng)雙足機(jī)器人跳躍運(yùn)動(dòng)的步態(tài)規(guī)劃方法。
技術(shù)介紹
雙足機(jī)器人是一種模仿人類結(jié)構(gòu)特征的機(jī)器人，它的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)與人類相似的運(yùn)動(dòng)行為。目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)成功研發(fā)出了許多能夠?qū)崿F(xiàn)行走運(yùn)動(dòng)的雙足機(jī)器人，如美國(guó)波士頓動(dòng)力公司的ATLAS與Petman、日本AIST的HRP、日本本田公司的ASIMO、韓國(guó)AKIST的KHR、歐洲開(kāi)源機(jī)器人iCub、我國(guó)哈爾濱工業(yè)大學(xué)的HIT與GoRoBoT、國(guó)防科技大學(xué)的KDW、北京理工大學(xué)的BHR、清華大學(xué)的THBIP等。盡管這些先進(jìn)的雙足機(jī)器人都能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的行走運(yùn)動(dòng)，但目前還較少有3D雙足機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)跳躍運(yùn)動(dòng)。相比于行走運(yùn)動(dòng)的雙足機(jī)器人，進(jìn)行跳躍運(yùn)動(dòng)的雙足機(jī)器人往往需要更復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)也更復(fù)雜，特別是欠驅(qū)動(dòng)雙足機(jī)器人，從而對(duì)該類機(jī)器人的跳躍運(yùn)動(dòng)進(jìn)行步態(tài)規(guī)劃也更為困難。目前，為了實(shí)現(xiàn)欠驅(qū)動(dòng)雙足機(jī)器人的跳躍運(yùn)動(dòng)，大家主要采用以文獻(xiàn)“Modeling,motionplanning,andcontrolofone-leggedhoppingrobotactuatedbytwoarms”為代表的一類作品所提的方法，基于彈性伸縮腿驅(qū)動(dòng)控制模型對(duì)雙足機(jī)器人進(jìn)行步態(tài)規(guī)劃，即機(jī)器人擁有可伸縮的彈簧腿，上面裝有直線彈簧，當(dāng)機(jī)器人與地面接觸后，可伸縮彈簧腿上的直線彈簧釋放能量，從而給機(jī)器人提供跳躍的動(dòng)力。基于彈性伸縮腿驅(qū)動(dòng)控制模型的步態(tài)規(guī)劃方法雖然能夠?qū)崿F(xiàn)跳躍運(yùn)動(dòng)，但還是存在一些不能令人完全滿意的地方。一方面，由于引入了彈射系統(tǒng)，機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)變得較復(fù)雜，并且，在該步態(tài)規(guī)劃過(guò)程中，彈簧的伸縮控制需要與機(jī)器人的步態(tài)在整個(gè)跳躍運(yùn)動(dòng)過(guò)程中保持節(jié)奏協(xié)調(diào)一致，比如，當(dāng)機(jī)器人落地時(shí)，彈簧要壓縮到最短并恰好被釋放，這就要求機(jī)器人系統(tǒng)的彈簧伸縮控制具有很高的協(xié)同控制精度，從而提高了機(jī)器人系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)難度；另一方面，從人類仿生學(xué)的角度，跳躍機(jī)器人可伸縮腿的作用機(jī)制與人類跳躍的作用機(jī)制存在較大的差異性：人類的腿是不會(huì)發(fā)生長(zhǎng)度伸縮變化的，因此這種跳躍機(jī)器人的步態(tài)難以體現(xiàn)人類的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
為了克服上述問(wèn)題，本專利技術(shù)從人類仿生學(xué)的角度，通過(guò)模仿人類跳躍運(yùn)動(dòng)的動(dòng)作特點(diǎn)，提供一種3D欠驅(qū)動(dòng)雙足機(jī)器人跳躍運(yùn)動(dòng)的步態(tài)規(guī)劃方法，本專利技術(shù)的技術(shù)目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):一種3D欠驅(qū)動(dòng)雙足機(jī)器人跳躍運(yùn)動(dòng)的步態(tài)規(guī)劃方法，應(yīng)用于3D欠驅(qū)動(dòng)雙足機(jī)器人，從仿生學(xué)的角度，模仿人類跳躍運(yùn)動(dòng)的動(dòng)作特點(diǎn)。具體的，在機(jī)器人跳躍過(guò)程中，機(jī)器人的支撐腿膝關(guān)節(jié)快速伸張，并且髖關(guān)節(jié)同時(shí)動(dòng)作以使機(jī)器人軀干與重力豎直方向的夾角快速減小；在該動(dòng)作過(guò)程中，所述支撐腿膝關(guān)節(jié)以及髖關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)控制的數(shù)學(xué)模型為u3=-k3(q3-q3res)u4=-k4(q1+q3+q4)]]>其中，u3為支撐腿膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩，k3為支撐腿膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩比例系數(shù)，q3為支撐腿膝關(guān)節(jié)角度，q3res為支撐腿膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩為0時(shí)q3的角度位置；u4為支撐腿髖關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩，k4為支撐腿髖關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩比例系數(shù)，q4為支撐腿膝髖關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)角度，q1為機(jī)器人側(cè)向平面內(nèi)欠驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，(q1+q3+q4)用于估計(jì)機(jī)器人軀干與重力豎直方向的實(shí)時(shí)夾角。進(jìn)一步的，在進(jìn)行步態(tài)規(guī)劃時(shí)，從人類仿生學(xué)的角度對(duì)各關(guān)節(jié)角度進(jìn)行如下約束限制：其中，q8表示擺動(dòng)腿膝關(guān)節(jié)，q3＞0,q8＞0表示機(jī)器人膝關(guān)節(jié)不能翻過(guò)來(lái)；q5，q6分別表示機(jī)器人支撐腿以及擺動(dòng)腿在前向平面內(nèi)的髖關(guān)節(jié)，q5-q6用于估計(jì)機(jī)器人在前向平面內(nèi)的胯部角度，人類運(yùn)動(dòng)時(shí)，前向平面內(nèi)胯部角度在(-15°,15°)范圍內(nèi)；q7為擺動(dòng)腿在側(cè)向平面內(nèi)的髖關(guān)節(jié)角度，q4-q7用于估計(jì)機(jī)器人在側(cè)向平面內(nèi)的胯部角度，人類運(yùn)動(dòng)時(shí)，側(cè)向平面內(nèi)胯部角度在(0°,120°)范圍內(nèi)，而q4-q7＞0表示擺動(dòng)腿在前；q1+q3+q4用于估計(jì)機(jī)器人軀干與重力豎直方向夾角，人類運(yùn)動(dòng)時(shí)，該夾角范圍為(-20°,20°)。進(jìn)一步的，上述方法的實(shí)現(xiàn)方案是，將3D欠驅(qū)動(dòng)雙足機(jī)器人跳躍運(yùn)動(dòng)的步態(tài)規(guī)劃過(guò)程等效為一個(gè)基于matlab全局搜索函數(shù)patternsearch的非線性約束優(yōu)化過(guò)程。其中，全局搜索函數(shù)patternsearch是matlab自帶的模塊化的全局優(yōu)化函數(shù)，在該模塊函數(shù)下，只需要設(shè)計(jì)優(yōu)化變量參數(shù)，以及提供目標(biāo)函數(shù)和約束優(yōu)化函數(shù)，其簡(jiǎn)單應(yīng)用原理如下：輸入一組優(yōu)化變量參數(shù)，然后在該組優(yōu)化變量參數(shù)下計(jì)算所設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)以及約束條件函數(shù)，如果約束條件全都滿足，并且目標(biāo)函數(shù)取得最小值，那么優(yōu)化過(guò)程停止，否則，patternsearch函數(shù)將會(huì)基于模式搜索原理自動(dòng)選擇一組新的優(yōu)化變量參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，如此循環(huán)，直到約束條件全都滿足，并且目標(biāo)函數(shù)取得最小值。進(jìn)一步的，針對(duì)3D欠驅(qū)動(dòng)雙足機(jī)器人跳躍運(yùn)動(dòng)的步態(tài)規(guī)劃過(guò)程，具體的非線性約束優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程主要包含以下五個(gè)步驟：步驟一，確定優(yōu)化變量參數(shù)，并賦予初值。選擇合適的一組變量參數(shù)作為優(yōu)化變量，并賦予初值，選擇的該組優(yōu)化變量包含了優(yōu)化過(guò)程所需要的全部參數(shù)。一組優(yōu)化變量參數(shù)值代表一組可能的步態(tài)規(guī)劃結(jié)果。步驟二，建立3D欠驅(qū)動(dòng)雙足機(jī)器人跳躍運(yùn)動(dòng)過(guò)程的整體動(dòng)力學(xué)模型，即跳躍運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)方程的建立：Dq··+Cq·+G=Bu]]>其中D為慣性質(zhì)量矩陣，C為離心力與科氏力向量，G為重力向量，B為常數(shù)矩陣，u＝[u3,u4,u5,u6,u7,u8]′為關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩，向量q＝[θ,q2,q3,q4,q5,q6,q7,q8]′為機(jī)器人關(guān)節(jié)坐標(biāo)，其中，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)θ＝(-q1-0.5*q3)。通過(guò)觀察人類的跳躍實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在跳躍過(guò)程中，人的支撐腿膝關(guān)節(jié)快速伸張，并且軀干與重力豎直方向夾角快速減小。受此啟發(fā)，我們將欠驅(qū)動(dòng)雙足機(jī)器人膝關(guān)節(jié)以及髖關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩的控制模型確定為u3=-k3(q3-q3res)u4=-k4(q1+q3+q4)]]>其中，u3為支撐腿膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩，k3為給定的支撐腿膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩比例系數(shù)，q3為支撐腿膝關(guān)節(jié)角度，q3res為支撐腿膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩為0時(shí)q3的角度位置；u4為支撐腿髖關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩，k4為給定的支撐腿髖關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩比例系數(shù)，q4為支撐腿膝髖關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)角度，q1為機(jī)器人側(cè)向平面內(nèi)欠驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，而(q1+q3+q4)用來(lái)估計(jì)機(jī)器人軀干與重力豎直方向的實(shí)時(shí)夾角。步驟三，建立3D欠驅(qū)動(dòng)雙足機(jī)器人跳躍運(yùn)動(dòng)過(guò)程的零動(dòng)力學(xué)模型。基于虛擬約束的方法，利用步驟本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種3D欠驅(qū)動(dòng)雙足機(jī)器人跳躍運(yùn)動(dòng)的步態(tài)規(guī)劃方法，應(yīng)用于3D欠驅(qū)動(dòng)雙足機(jī)器人，從仿生學(xué)的角度，模仿人類跳躍運(yùn)動(dòng)的動(dòng)作特點(diǎn)，其特征在于，在機(jī)器人跳躍過(guò)程中，機(jī)器人的支撐腿膝關(guān)節(jié)快速伸張，并且髖關(guān)節(jié)同時(shí)動(dòng)作以使機(jī)器人軀干與重力豎直方向的夾角快速減小,在該動(dòng)作過(guò)程中，所述支撐腿膝關(guān)節(jié)以及髖關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)控制的數(shù)學(xué)模型為u3=-k3(q3-q3res)u4=-k4(q1+q3+q4)]]>其中，u3為支撐腿膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩，k3為支撐腿膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩比例系數(shù)，q3為支撐腿膝關(guān)節(jié)角度，q3res為支撐腿膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩為0時(shí)q3的角度位置；u4為支撐腿髖關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩，k4為支撐腿髖關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩比例系數(shù)，q4為支撐腿膝髖關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)角度，q1為機(jī)器人側(cè)向平面內(nèi)欠驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，(q1+q3+q4)用于估計(jì)機(jī)器人軀干與重力豎直方向的實(shí)時(shí)夾角。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種3D欠驅(qū)動(dòng)雙足機(jī)器人跳躍運(yùn)動(dòng)的步態(tài)規(guī)劃方法，應(yīng)用于3D欠驅(qū)動(dòng)
雙足機(jī)器人，從仿生學(xué)的角度，模仿人類跳躍運(yùn)動(dòng)的動(dòng)作特點(diǎn)，其特征在于，
在機(jī)器人跳躍過(guò)程中，機(jī)器人的支撐腿膝關(guān)節(jié)快速伸張，并且髖關(guān)節(jié)同時(shí)
動(dòng)作以使機(jī)器人軀干與重力豎直方向的夾角快速減小,在該動(dòng)作過(guò)程中，所述支
撐腿膝關(guān)節(jié)以及髖關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)控制的數(shù)學(xué)模型為
u3=-k3(q3-q3res)u4=-k4(q1+q3+q4)]]>其中，u3為支撐腿膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩，k3為支撐腿膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩比例系數(shù)，
q3為支撐腿膝關(guān)節(jié)角度，q3res為支撐腿膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩為0時(shí)q3的角度位置；
u4為支撐腿髖關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩，k4為支撐腿髖關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩比例系數(shù)，q4為支
撐腿膝髖關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)角度，q1為機(jī)器人側(cè)向平面內(nèi)欠驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，(q1+q3+q4)用
于估計(jì)機(jī)器人軀干與重力豎直方向的實(shí)時(shí)夾角。
2.如權(quán)利要求1所述的3D欠驅(qū)動(dòng)雙足機(jī)器人跳躍運(yùn)動(dòng)的步態(tài)規(guī)劃方法，
其特征在于，在進(jìn)行步態(tài)規(guī)劃時(shí)，從人類仿生學(xué)的角度對(duì)各關(guān)節(jié)角度進(jìn)行如下
約束限制：
其中，q8表示擺動(dòng)腿膝關(guān)節(jié)，q3＞0,q8＞0表示機(jī)器人膝關(guān)節(jié)不能翻過(guò)
來(lái)；q5，q6分別表示機(jī)器人支撐腿以及擺動(dòng)腿在前向平面內(nèi)的髖關(guān)節(jié)，q5-q6用于估計(jì)機(jī)器人在前向平面內(nèi)的胯部角度，人類運(yùn)動(dòng)時(shí)，前向平面內(nèi)胯部角度
在(-15°,15°)范圍內(nèi)；q7為擺動(dòng)腿在側(cè)向平面內(nèi)的髖關(guān)節(jié)角度，q4-q7用于估
計(jì)機(jī)器人在側(cè)向平面內(nèi)的胯部角度，人類運(yùn)動(dòng)時(shí)，側(cè)向平面內(nèi)胯部角度在

\t(0°,120°)范圍內(nèi)，而q4-q7＞0表示擺動(dòng)腿在前；q1+q3+q4用于估計(jì)機(jī)
器人軀干與重力豎直方向夾角，人類運(yùn)動(dòng)時(shí)，該夾角范圍為(-20°,20°)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的3D欠驅(qū)動(dòng)雙足機(jī)器人跳躍運(yùn)動(dòng)的步態(tài)規(guī)劃方
法，其特征在于，所述步態(tài)規(guī)劃方法將3D欠驅(qū)動(dòng)雙足機(jī)器人跳躍運(yùn)動(dòng)的步態(tài)規(guī)
劃過(guò)程等效為一個(gè)基于matlab全局搜索函數(shù)patternsearch的非線性約束優(yōu)化
過(guò)程，該非線性約束優(yōu)化過(guò)程包含以下步驟：
步驟一，確定優(yōu)化變量參數(shù)，并賦予初值；
選擇一組合適的變量參數(shù)作為優(yōu)化變量，并賦予初值，選擇的該組優(yōu)化變
量包含了優(yōu)化過(guò)程所需要的全部參數(shù)，一組優(yōu)化變量參數(shù)值代表一組可能的步
態(tài)規(guī)劃結(jié)果；
步驟二，建立3D欠驅(qū)動(dòng)雙足機(jī)器人跳躍運(yùn)動(dòng)過(guò)程的整體動(dòng)力學(xué)模型；
Dq··+...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：甘春標(biāo)，袁海輝，楊世錫，曾桂容，查望華，金鵬程，程維華，葛一敏，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：浙江大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：浙江;33