基于雙平衡控制機(jī)制的仿人足球機(jī)器人全向踢球方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)提供一種基于雙平衡控制機(jī)制的仿人足球機(jī)器人全向踢球方法，根據(jù)距離代價值和角度代價值確定具有最小代價的踢球點(diǎn)，并控制機(jī)器人行走至該踢球點(diǎn)；機(jī)器人身體重心的轉(zhuǎn)移，同時利用三次樣條插值法進(jìn)行足部空間軌跡的規(guī)劃，即可獲得機(jī)器人每個時刻足部運(yùn)動的參考位姿；由上述得出的參考位姿利用逆運(yùn)動學(xué)知識計算出機(jī)器人各個關(guān)節(jié)的角度；采用基于質(zhì)心和陀螺儀反饋的雙平衡機(jī)制維持機(jī)器人在踢球過程中穩(wěn)定性。本發(fā)明專利技術(shù)一種基于雙平衡控制機(jī)制的仿人足球機(jī)器人全向踢球方法，在仿人機(jī)器人踢球過程中，利用質(zhì)心和陀螺儀反饋雙平衡機(jī)制實現(xiàn)機(jī)器人的全向踢球。相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明專利技術(shù)的機(jī)器人踢球方法具有穩(wěn)定性好、執(zhí)行效率高的優(yōu)點(diǎn)。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)屬于仿人機(jī)器人踢球
，具體涉及一種基于雙平衡機(jī)制的仿人足球機(jī)器人全向踢球方法。
技術(shù)介紹
仿人足球機(jī)器人是仿人機(jī)器人技術(shù)研究的分支，與一般的仿人機(jī)器人相比，仿人足球機(jī)器人具有體積小、質(zhì)量輕、運(yùn)動靈活等特點(diǎn)。另外由于仿人足球機(jī)器人的競技娛樂性，使得其更容易走進(jìn)人類的生活。因此仿人足球機(jī)器人已經(jīng)成為煩人機(jī)器人技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一。1996年，RoboCup國際聯(lián)合會成立，并在日本舉行了表演賽。2002年的RoboCup比賽中啟動了類人組的比賽，比賽要求仿人足球機(jī)器人反應(yīng)迅速，能進(jìn)行較為激烈的對抗，因此參賽隊伍要綜合考慮其仿人機(jī)器人的運(yùn)動能力、平衡等多方面的技術(shù)。在仿人機(jī)器人踢球方面，也有其它一些方法，如Rui Ferreira的仿人機(jī)器人全向踢球的方法，采用貝塞爾曲線規(guī)劃足部運(yùn)動軌跡，并結(jié)合基于質(zhì)心的穩(wěn)定性控制模塊，該方法當(dāng)修改支撐腿的關(guān)節(jié)位置以更好的維穩(wěn)時，會同時改變游腳的位置即踢球的腳的運(yùn)動軌跡會出現(xiàn)偏差；Patrick MacAlpine的踢球引擎執(zhí)行機(jī)制,建立踢球技能文件以動態(tài)規(guī)劃不同踢球方式下的足部運(yùn)動軌跡，根據(jù)足球的位置確定固定的踢球方向。該方法使用CMA-ES優(yōu)化足部運(yùn)動的軌跡點(diǎn)，以控制踢球的距離和速度等重要的參數(shù)。由于上述方法都是研究基于特定模塊的踢球運(yùn)動，而在動態(tài)對抗和時間因素等方面有一定地缺陷，即無法快速、準(zhǔn)確而又穩(wěn)定的完成踢球動作。上述問題是在仿人足球機(jī)器人的踢球過程中應(yīng)當(dāng)予以考慮并解決的問題。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的是提供一種基于雙平衡機(jī)制的仿人足球機(jī)器人全向踢球方法解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的基于特定模塊踢球運(yùn)動，而在動態(tài)對抗和有限的時間內(nèi)應(yīng)用效率并不高，即抗外界干擾性不高，無法快速、準(zhǔn)確而又穩(wěn)定的完成踢球動作的問題。本專利技術(shù)的技術(shù)解決方案是: 一種，包括踢球點(diǎn)選擇機(jī)制、足部空間軌跡規(guī)劃、關(guān)節(jié)角度計算和雙平衡控制機(jī)制， 步驟一，踢球點(diǎn)選擇機(jī)制: 以球為圓心、目標(biāo)偏移TOffsetP為半徑確定圓，該圓周上面的點(diǎn)均為可行的踢球點(diǎn)K1、K2……Κη，對其中若干個踢球點(diǎn)的踢球代價值KickCost進(jìn)行分析；選取踢球代價值KickCost為最小值時的踢球點(diǎn)得到最小代價踢球點(diǎn)，并控制機(jī)器人A行走至該最小代價踢球點(diǎn)； 步驟二，足部空間軌跡規(guī)劃:由機(jī)器人A身體重心的轉(zhuǎn)移，同時利用三次樣條插值法進(jìn)行足部三維空間軌跡的規(guī)劃，以獲得機(jī)器人A每個時刻足部運(yùn)動的參考位姿； 步驟三，關(guān)節(jié)角度計算:由步驟二得出機(jī)器人A每個時刻足部運(yùn)動的參考位姿利用逆運(yùn)動學(xué)知識計算出機(jī)器人A的膝蓋處的關(guān)節(jié)角、踝關(guān)節(jié)的滾動角和俯仰角，以及股關(guān)節(jié)的偏擺角、滾動角和俯仰角； 步驟四，雙平衡控制機(jī)制:包括機(jī)器人A身體的傾斜角度的控制和機(jī)器人A髖關(guān)節(jié)的滾動和俯仰角速度變化的控制，采用基于質(zhì)心平衡的方法，維持機(jī)器人A身體在的X-Y平面上的穩(wěn)定同時控制機(jī)器人A身體的傾斜角度；采用陀螺儀反饋平衡機(jī)制對機(jī)器人A髖關(guān)節(jié)的滾動和俯仰角速度變化的控制。 進(jìn)一步改進(jìn)在于:所述步驟一的踢球點(diǎn)選擇機(jī)制中最小代價踢球點(diǎn)的選取包括步驟Ia和步驟Ib: 步驟la，踢球點(diǎn)選擇機(jī)制:以球為圓心、目標(biāo)偏移TOffsetP為半徑確定圓，該圓周上面的點(diǎn)均為可行的踢球點(diǎn)Kl、K2……Kn，對其中若干個踢球點(diǎn)的踢球代價值KickCost進(jìn)行分析；機(jī)器人A的當(dāng)前位置AgentP為機(jī)器人A相對于球而言的二維坐標(biāo)值，目標(biāo)偏移位置TOffsetP為機(jī)器人A的踢球點(diǎn)Kl相對于球而言的偏移量，當(dāng)前位置AgentP與目標(biāo)偏移位置TOffsetP之差的絕對值除以標(biāo)準(zhǔn)值m得到距離代價值DistCost:DistCost = [AgenlP—TOffsetP|/m(I) 步驟Ib,計算機(jī)器人A的轉(zhuǎn)身代價值TurnCost,機(jī)器人A的當(dāng)前朝向與球形成的夾角￡￡踢球點(diǎn)Kl的朝向與球形成的夾角於，夾角a與夾角聲之差的絕對值除以360即是轉(zhuǎn)身代價值TurnCost:TnmCost =丨 AgentOientrfi an — T afgetOientdia(i| /360 = jff —爲(wèi)',360(2) 步驟Ic,距離代價值DistCost和轉(zhuǎn)身代價值TurnCost之和為機(jī)器人A在踢球點(diǎn)的踢球代價值KickCost: EdtCtist — DistGbst + TumCiist(3 ) 選取式(3)中踢球代價值KickCost為最小值時的踢球點(diǎn)得到最小代價踢球點(diǎn)。 進(jìn)一步改進(jìn)在于:所述步驟二的足部空間軌跡規(guī)劃包括步驟2a和步驟2b: 步驟2a，根據(jù)機(jī)器人A游腳的運(yùn)動情況能夠?qū)C(jī)器人A的一個完整地踢球動作劃分為后抬腿、擺動和復(fù)位三個階段，即得到抬腿、擺動和復(fù)位三條運(yùn)動曲線； 步驟2b，由步驟2a中的抬腿、擺動和復(fù)位三條運(yùn)動曲線分別利用三次樣條插值法保證插值得出低階分段且光滑的曲線函數(shù)，得出機(jī)器人A的踝關(guān)節(jié)每個時刻的參考位姿，以實現(xiàn)對足部踢球運(yùn)動的控制。所述步驟2b中機(jī)器人A的踝關(guān)節(jié)每個時刻的參考位姿的算法為: 的n個時刻有n個插值點(diǎn)=Pj , I=IJ1-1i，三次樣條插值函數(shù)在每個區(qū)間是一個三次多項式，而且三次樣條插值函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)sr(t)和二階導(dǎo)數(shù)在區(qū)間(Iv t )是連續(xù)的;本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種基于雙平衡控制機(jī)制的仿人足球機(jī)器人全向踢球方法，其特征在于：包括踢球點(diǎn)選擇機(jī)制、足部空間軌跡規(guī)劃、關(guān)節(jié)角度計算和雙平衡控制機(jī)制，步驟一，踢球點(diǎn)選擇機(jī)制：以球為圓心、目標(biāo)偏移TOffsetP為半徑確定圓，該圓周上面的點(diǎn)均為可行的踢球點(diǎn)K1、K2……Kn，對其中若干個踢球點(diǎn)的踢球代價值KickCost進(jìn)行分析；選取踢球代價值KickCost為最小值時的踢球點(diǎn)得到最小代價踢球點(diǎn)，并控制機(jī)器人A行走至該最小代價踢球點(diǎn)；步驟二，足部空間軌跡規(guī)劃：由機(jī)器人A身體重心的轉(zhuǎn)移，同時利用三次樣條插值法進(jìn)行足部三維空間軌跡的規(guī)劃，以獲得機(jī)器人A每個時刻足部運(yùn)動的參考位姿；步驟三，關(guān)節(jié)角度計算：由步驟二得出機(jī)器人A每個時刻足部運(yùn)動的參考位姿利用逆運(yùn)動學(xué)知識計算出機(jī)器人A的膝蓋處的關(guān)節(jié)角、踝關(guān)節(jié)的滾動角和俯仰角，以及股關(guān)節(jié)的偏擺角、滾動角和俯仰角；步驟四，雙平衡控制機(jī)制：包括機(jī)器人A身體的傾斜角度的控制和機(jī)器人A髖關(guān)節(jié)的滾動和俯仰角速度變化的控制，采用基于質(zhì)心平衡的方法，維持機(jī)器人A身體在的X?Y平面上的穩(wěn)定同時控制機(jī)器人A身體的傾斜角度；采用陀螺儀反饋平衡機(jī)制對機(jī)器人A髖關(guān)節(jié)的滾動和俯仰角速度變化的控制。...

【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于雙平衡控制機(jī)制的仿人足球機(jī)器人全向踢球方法，其特征在于:包括踢球點(diǎn)選擇機(jī)制、足部空間軌跡規(guī)劃、關(guān)節(jié)角度計算和雙平衡控制機(jī)制， 步驟一，踢球點(diǎn)選擇機(jī)制:以球為圓心、目標(biāo)偏移TOffsetP為半徑確定圓，該圓周上面的點(diǎn)均為可行的踢球點(diǎn)K1、K2……Kn，對其中若干個踢球點(diǎn)的踢球代價值KickCost進(jìn)行分析；選取踢球代價值KickCost為最小值時的踢球點(diǎn)得到最小代價踢球點(diǎn)，并控制機(jī)器人A行走至該最小代價踢球點(diǎn)； 步驟二，足部空間軌跡規(guī)劃:由機(jī)器人A身體重心的轉(zhuǎn)移，同時利用三次樣條插值法進(jìn)行足部三維空間軌跡的規(guī)劃，以獲得機(jī)器人A每個時刻足部運(yùn)動的參考位姿； 步驟三，關(guān)節(jié)角度計算:由步驟二得出機(jī)器人A每個時刻足部運(yùn)動的參考位姿利用逆運(yùn)動學(xué)知識計算出機(jī)器人A的膝蓋處的關(guān)節(jié)角、踝關(guān)節(jié)的滾動角和俯仰角，以及股關(guān)節(jié)的偏擺角、滾動角和俯仰角； 步驟四，雙平衡控制機(jī)制:包括機(jī)器人A身體的傾斜角度的控制和機(jī)器人A髖關(guān)節(jié)的滾動和俯仰角速度變化的控制，采用基于質(zhì)心平衡的方法，維持機(jī)器人A身體在的X-Y平面上的穩(wěn)定同時控制機(jī)器人A身體的傾斜角度；采用陀螺儀反饋平衡機(jī)制對機(jī)器人A髖關(guān)節(jié)的滾動和俯仰角速度變化的控制。2.如權(quán)利要求1所述的基于雙平衡機(jī)制的仿人足球機(jī)器人全向踢球方法，其特征在于，所述步驟一的踢球點(diǎn)選擇機(jī)制中最小代價踢球點(diǎn)的選取包括以下步驟: 步驟la，踢球點(diǎn)選擇機(jī)制:以球為圓心、目標(biāo)偏移TOffsetP為半徑確定圓，該圓周上面的點(diǎn)均為可行的踢球點(diǎn)Kl、K2……Kn，對其中若干個踢球點(diǎn)的踢球代價值KickCost進(jìn)行分析；機(jī)器人A的當(dāng)前位置AgentP為機(jī)器人A相對于球而言的二維坐標(biāo)值，目標(biāo)偏移位置TOffsetP為機(jī)器人A的踢球點(diǎn)Kl相對于球而言的偏移量，當(dāng)前位置AgentP與目標(biāo)偏移位置TOffsetP之差的絕對值除以標(biāo)準(zhǔn)值m得到距離代價值DistCost: DistCbst = |Ag ntP-TQHsetP|/m(I) 步驟lb,計算機(jī)器人A的轉(zhuǎn)身代價值TurnCost,機(jī)器人A的當(dāng)前朝向與球形成有夾角a，踢球點(diǎn)Kl的朝向與球形成的夾角於，夾角a與夾角於之差的絕對值除以3__即是轉(zhuǎn)身代價值TurnCost:TnmCost; — [AgentOrienlatiaft—T acgdtOtiaitaliaal /360 = \a—0\ /360(2) 步驟Ic,距離代價值DistCost和轉(zhuǎn)身代價值TurnCost之和為機(jī)器人A在踢球點(diǎn)的...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：梁志偉，劉娟，郝越，朱松豪，
申請(專利權(quán))人：南京郵電大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：