专利名称：欠驱动两足机器人的激励规划及控制方法
技术领域：
本发明涉及机器人控制技术领域，具体讲是一种欠驱动两足机器人的激励规划及 控制方法。
背景技术：
欠驱动两足机器人是本质非线性系统，动力学约束是不可积的，为二阶非完整系 统，其轨迹规划及控制是一个难题。由于缺乏对任意状态空间轨迹的跟踪能力，在欠驱动系 统里，运动轨道的生成比一般常规系统难度要大得多，轨道的可实现性完全依赖于动力学 关系。欠驱动系统属于不完全可控的系统，一般的光滑状态反馈控制方法是无法令其镇定 的。目前很多研究人员都是针对被动关节(欠驱动关节)含有制动器的情况进行研究 的，而对于被动关节没有制动器的情况，仍然没有实时性高、工程实用性强的欠驱动两足机 器人的激励规划及控制方法出现。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服以上现有技术的缺点，提供一种实时性高、工程 实用性强的欠驱动两足机器人的激励规划及控制方法。本发明的技术方案是，提供一种欠驱动两足机器人的激励规划及控制方法，由以 下步骤实现(1)建立欠驱动两足机器人的数学模型，并将该数学模型转化为系统状态方程；(2)选定激励信号间断性振荡力矩正弦函数，或脉冲函数；(3)输入激励信号，根据欠驱动两足机器人的数学模型计算输出关节角度位置、关 节角度速度、关节角度加速度；(4)激励规划把步骤(3)中得到的关节角度位置、关节角度速度、关节角度加速 度作为实际欠驱动两足机器人输出的给定值，即欠驱动两足机器人的角度激励规划；记被 动关节的角度激励规划为q/，qpd就是被动关节角度的期望值，欠驱动关节的实际输出角度 为Qp ；(5)由欠驱动两足机器人的传感器按采样周期采样并计算实际欠驱动两足机器人 的欠驱动关节角度qp，欠驱动关节角度速度t，欠驱动关节角度加速度t ； (6)在每个采样周期都将qpd与实际欠驱动两足机器人输出的qp进行比较，得到误 差，记该误差为e，由表达式e = qdp~ %确定，并进行滑模变结构控制校正，使e趋向于零；(7)经滑模变结构控制校正运算后输出主动关节控制量，记该控制量为Ua，所述 欠驱动两足机器人根据Ua去控制欠驱动两足机器人的主动关节伺服驱动器或主动关节电 机；(8)重复步骤(3) (7)，得到每个采样周期主动关节的实际控制量，同时根据实 际控制量实时控制所述欠驱动两足机器人的运动。
采用上述方法后，本发明与现有技术相比，具有以下显著优点及有益效果因为 本发明欠驱动两足机器人的激励规划及控制方法在被动关节无制动器的情况下，采用间断 性振荡力矩正弦函数或脉冲函数输入激励信号给欠驱动两足机器人的数学模型，并计算输 出主动关节角度进行轨迹规划，利用滑模变结构控制校正方法实现期望轨迹的跟踪控制， 克服非完整系统带来的轨迹规划及控制难题，且规划和控制实时完成，计算时间短、计算简 单，所以本发明欠驱动两足机器人的激励规划及控制方法具有实时性高、工程实用性强的 优点。
附图是本发明欠驱动两足机器人的激励规划及控制方法的原理图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。一般欠驱动两足机器人的规划及控制包括关节(主动关节和被动关节)角度位置 传感器、关节角度速度传感器、关节角度加速度传感器、测力传感器、控制器和伺服驱动器， 本发明欠驱动两足机器人的激励规划及控制方法需要调用这些现有的硬件。本发明欠驱动两足机器人的激励规划及控制方法的控制过程如下(1)建立欠驱动两足机器人的数学模型，并将该数学模型简化为系统状态方程，一 般欠驱动两足机器人的数学模型简化为以下数学模型k M」kHwJ+k(—J=k该式中，下标a表示主动关节，ρ表示被动关节，q= [qa qp]T为关节变量，t是系
_ M M ‘
统的被动关节加速度，..是系统的主动关节加速度，““为惯量矩阵，且Map(q)
4aL Pa "^ΛΡ」
= MTpa(q) ；C= aK； \为科氏力和离心力项 ’G= / …为重力和其他力；、为主动 P_Cp(q,q)_Gp{q,q)
关节驱动力；被动关节对应的驱动力为零(2)选定激励信号选定激励函数为正弦函数rfl=Jsin[iy(i-7；) +洌+ 5，其中，识
为相位角，B为偏置，Ttl为步长；(3)由欠驱动两足机器人数学模型计算输出关节角度位置q = [qa qp]T、关节角度 速度—k dr、关节角度加速度々=[也‘(4)把步骤(3)中得到的关节角度位置、关节角度速度、关节角度加速度作为实际 欠驱动两足机器人输出的给定值qd = q = [qa %V,qd=[^ ^ =k(5)记欠驱动关节的角度激励规划为qpd，欠驱动关节的实际输出角度qp ；(6)在每个采样周期都将qpd与实际欠驱动两足机器人输出的qp进行比较，得到误 差，记该误差为e，由表达式e = qdp - %确定，并进行滑模变结构控制校正，使e趋向于零；(7)经滑模变结构控制校正运算后输出主动关节控制量，记该控制量为ua，所述欠 驱动两足机器人根据Ua去控制欠驱动两足机器人的主动关节伺服驱动器或主动关节电机，
<formula>formula see original document page 5</formula><formula>formula see original document page 5</formula>其中j = +众，η，ξ和ζ为适当系数，sgn( ·)是符号函数；(8)重复步骤(3) (7)，得到每个采样周期主动关节的实际控制量，同时根据实 际控制量实时控制所述欠驱动两足机器人的运动。以上仅就本发明较佳的实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本 发明的结构可以有其他变化，不局限于上述结构，比如所述激励函数可以为脉冲函数。总 之，凡在本发明产品独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本发明的保护范围 内。
权利要求
一种欠驱动两足机器人的激励规划及控制方法，其特征在于，由以下步骤实现(1)建立欠驱动两足机器人的数学模型，并将该数学模型转化为系统状态方程；(2)选定激励信号间断性振荡力矩正弦函数，或脉冲函数；(3)输入激励信号，根据欠驱动两足机器人的数学模型计算输出关节角度位置、关节角度速度、关节角度加速度；(4)激励规划把步骤(3)中得到的关节角度位置、关节角度速度、关节角度加速度作为实际欠驱动两足机器人输出的给定值，即欠驱动两足机器人的角度激励规划；记被动关节的角度激励规划为qpd，qpd就是被动关节角度的期望值，欠驱动关节的实际输出角度为qp；(5)由欠驱动两足机器人的传感器按采样周期采样并计算实际欠驱动两足机器人的欠驱动关节角度qp，欠驱动关节角度速度欠驱动关节角度加速度(6)在每个采样周期都将qpd与实际欠驱动两足机器人输出的qp进行比较，得到误差，记该误差为e，由表达式 <mrow><mi>e</mi><mo>=</mo><msubsup> <mi>q</mi> <mi>p</mi> <mi>d</mi></msubsup><mo>-</mo><msub> <mi>q</mi> <mi>p</mi></msub> </mrow>确定，并进行滑模变结构控制校正，使e趋向于零；(7)经滑模变结构控制校正运算后输出主动关节控制量，记该控制量为ua，所述欠驱动两足机器人根据ua去控制欠驱动两足机器人的主动关节伺服驱动器或主动关节电机；(8)重复步骤(3)～(7)，得到每个采样周期主动关节的实际控制量，同时根据实际控制量实时控制所述欠驱动两足机器人的运动。F2010100400063C00011.tif,F2010100400063C00012.tif
2.根据权利要求1所述的欠驱动两足机器人的激励规划及控制方法，其特征在于，选定激励信号为正弦函数L =』&[树/-7；) +刎+ S，其中，炉为相位角，B为偏置，T0为步长。
全文摘要
本发明公开了一种实时性高、工程实用性强的欠驱动两足机器人的激励规划及控制方法，(1)建立数学模型，并转化为系统状态方程；(2)选定激励信号；(3)输入激励信号；(4)把步骤(3)中得到的关节角度位置、关节角度速度、关节角度加速度作为给定值；记被动关节的角度激励规划为qpd，欠驱动关节的实际输出角度为qp；(5)由传感器按采样周期采样并计算实际的欠驱动关节角度qp，欠驱动关节角度速度欠驱动关节角度加速度(6)在每个采样周期都将qpd与qp比较，得到误差，由确定，并进行滑模变结构控制校正，使e趋向于零；(7)经滑模变结构控制校正运算后输出主动关节控制量ua；(8)重复(3)～(7)，得到每个采样周期的主动关节控制量。
文档编号G05B13/04GK101799663SQ20101004000
公开日2010年8月11日 申请日期2010年1月12日 优先权日2010年1月12日
发明者张智焕 申请人:浙江大学宁波理工学院