一种3d欠驱动双足机器人跳跃运动的驱动控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种欠驱动双足机器人跳跃运动的驱动控 制方法。
【背景技术】
[0002] 双足机器人是一种模仿人类结构特征的机器人，它的最终目标是实现与人类相 似的运动行为，而行走运动与跳跃运动是人类最重要的两种运动形式。目前，国内外已经 成功研发出了许多能够实现行走运动的双足机器人，如美国波士顿动力公司的ATLAS与 Petman、日本AIST的HRP、日本本田公司的AS頂0、韩国AKIST的KHR、欧洲开源机器人iCub、 我国哈尔滨工业大学的HIT与GoRoBoT、国防科技大学的KDW、北京理工大学的BHR、清华大 学的THBIP等。尽管这些双足机器人都能实现稳定的行走运动，但目前还很少有双足机器 人能够实现跳跃运动。相比进行行走运动的双足机器人，进行跳跃运动的双足机器人不仅 需要更复杂的机械系统设计，其驱动控制技术也更复杂，特别是欠驱动双足机器人的驱动 控制技术。
[0003] 目前，为了实现欠驱动双足机器人的跳跃运动，大家主要采用以 "Modeling, motion planning, and control of one-legged hopping robot actuated by two arms"为代表的一类文章所提出的弹性伸缩腿驱动控制模型，即机器人拥有可伸缩的 弹簧腿，上面装有直线弹簧，当机器人与地面接触后，可伸缩弹簧腿上的直线弹簧释放能 量，从而给机器人提供跳跃的动力。
[0004] 基于弹性伸缩腿驱动控制模型的机器人虽然能够实现跳跃运动，但由于引入了弹 射系统，机器人的机械系统设计变得很复杂，并且，在该驱动控制技术里，弹簧的伸缩控制 需要与机器人的步态在整个跳跃运动过程中保持节奏协调一致，比如，当机器人落地时，弹 簧要压缩到最短并恰好被释放，这就要求机器人系统的弹簧伸缩控制技术具有很高的协同 控制精度，从而提高了机器人系统的控制难度。此外，跳跃机器人可伸缩腿的作用机制与人 体跳跃的作用机制存在很大的差异性，因为人类的腿是不会发生长度伸缩变化的，因此这 种跳跃机器人难以体现仿人的特点。
【发明内容】
[0005] 为了克服上述问题，避免复杂的机械系统设计并简化控制过程，本发明希望从控 制理论与算法上进行改进，提供一种3D欠驱动双足机器人跳跃运动的驱动控制方法，该方 法直接通过力矩驱动机器人，无需机器人系统专门设计有弹射系统，可以实现机器人的稳 定跳跃运动，并可适用于双足机器人跑步运动的跳跃过程。
[0006] 本发明的技术目的通过以下技术方案实现：
[0007] -种3D欠驱动双足机器人跳跃运动的驱动控制方法，包含以下步骤：
[0008] 步骤一：建立3D欠驱动双足机器人跳跃运动过程的动力学模型，即
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[0010] 其中D为惯性质量矩阵，C为尚心力与科氏力向量，G为重力向量，B为常数矩阵， u = [u3, u4, u5, u6, u7, us]'为关节驱动力矩，向量 q = [ Θ，q2, q3, q4, q5, q6, q7, qs]'为机器人 关节坐标，其中，机器人运动状态参数θ = (-qi-〇.5*q3)。通过观察人类的跳跃实验，我们 发现人类跳跃的力量主要来自于踝关节、膝关节以及髋关节的快速伸张。受此启发，我们将 欠驱动双足机器人膝关节以及髋关节驱动力矩的控制模型确定为
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[0012] 其中u3为支撑腿膝关节驱动力矩，k 3为支撑腿膝关节驱动力矩比例系数，q 3为支 撑腿膝关节角度，q3ras为支撑腿膝关节驱动力矩为〇时q 3的角度位置；而其中u 4为支撑腿 髋关节驱动力矩，匕为支撑腿髋关节驱动力矩比例系数，（14为支撑腿膝髋关节关节角度， q4ras为支撑腿髋关节驱动力矩为〇时q 4的角度位置。
[0013] 步骤二：确定关节坐标q = [ Θ，q2, q3, q4, q5, q6, q7, qj '的初始位姿以及关节驱动 力矩模型的比例系数k3、k4，以及平衡位置q3ras、q 4_，其中k3、k4的确定与关节坐标初始位 姿有关；特别的，初始位姿角度q 3、q4应该让机器人保持膝盖下蹲并且身体前倾的姿态，从 而为机器人重心的上升提供潜在的运动空间。
[0014] 步骤三：对3D欠驱动双足机器人的主动关节qa= [q5, q6, q7, qs]'进行步态规划， 将主动关节坐标1= [q5，q6，q7，qsr表示机器人状态参数Θ的多项式函数，其中，各多项 式参数的确定是通过一个非线性约束优化过程。具体的，该非线性约束优化过程，以能量耗 散作为目标函数，以物理可实现条件以及人体运动约束条件作为约束函数；
[0015] 步骤四：基于所规划的步态以及动力学方程，利用数值算法计算出关节力矩u = [u3, u4, u5, u6, u7, us]'随时间变化的值，从而利用求出的关节力矩对机器人实施控制，实现 3D欠驱动双足机器人的跳跃运动。
[0016] 进一步的，步骤三中所述物理可实现条件包括摩擦约束条件、机器人摆动腿脚尖 始终处于地面地面上方，并且地面对机器人支撑腿在竖直方向的反作用力作用方向竖直向 上；
[0017] 进一步的，步骤三所述中人体运动约束条件包括膝关节角度约束、人体胯部的角 度约束（胯部角度用q 4_q7来表示）以及身体侧摆的角度约束（侧摆角度用q5_q6来表示）。
[0018] 最后，为了抑制一些随机因素对控制系统稳定性的影响，采用上述控制方法的控 制系统加入ro反馈控制，形成闭环控制系统。
[0019] 本发明的有益效果在于：本发明避免了跳跃机器人复杂的机械系统设计并简化了 控制过程，通过从控制理论与算法上进行改进，提供了一种3D欠驱动双足机器人跳跃运动 的驱动控制方法，该方法直接通过力矩驱动机器人，无需机器人系统专门设计有弹射系统， 可以实现机器人的稳定跳跃运动，并可适用于双足机器人跑步运动的跳跃过程。
【附图说明】
[0020] 图1是3D欠驱动双足机器人的_旲型不意图；
[0021] 图2是本发明的3D欠驱动双足机器人跳跃运动驱动控制方法的流程图；
[0022] 图3表示采用本发明驱动控制方法的3D欠驱动双足机器人一个实施例中跳跃运 动过程中各关节的步态；
[0023] 图4表示采用本发明驱动控制方法的3D欠驱动双足机器人一个实施例中跳跃运 动过程中地面竖直方向的反作用力；
[0024] 图5表示采用本发明驱动控制方法的3D欠驱动双足机器人一个实施例中跳跃运 动的仿真结果图。
【具体实施方式】
[0025] 以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0026] 如图1所示，机器人为五杆欠驱动双足机器人，并假设杆件的质量集中于质心。该 机器人垂直纸面向外行走，图上右边为机器人左腿，同时也是跳跃运动的支撑腿。该机器人 具有9个独立自由度，其中q。为机器人支撑腿的偏航角，决定机器人的前进方向，q u q2为机 器人支撑腿踝关节角度，q3为机器人支撑腿膝关节角度，q4，q 5为支撑腿髋关节角度，q6，q7 为摆动腿髋关节角度，qs为摆动腿膝关节角度。其中，我们假设由于地面的摩擦抑制了机器 人绕脚尖的转动，从而％-直保持不变，因此该机器人的动力学模型可由八个独立的自由 度表示，即q 2, q3, q4, q5, q6, q7, q8。其中自由度q3, q4, q5, q6, q7, q8S力矩直接驱动，为主动 关节，而q:，q2为欠驱动关节。
[0027] 本发明欠驱动双足机器人快速行走的控制方法的流程图如图2所示，主要包括如 下步骤：