一种双足机器人的动力学建模与控制方法与流程

本发明属于机器人，尤其涉及一种双足机器人的动力学建模与控制方法。

背景技术：

1、为了实现对双足机器人的姿态控制，在发明专利公开号cn115723141a《一种机器人站立平衡控制方法及系统》中通过建立连杆模型、桌车模型以及虚拟弹簧阻尼模型，并得到机器人质心调整量的表达式，基于机器人质心调整量的表达式以及机器人复合控制系统，对机器人质心以及踝关节姿势进行调整，但是却存在以下技术问题：

2、1、在进行动力学建模时，忽视了机器人的躯干横滚与俯仰角度，从而导致在进行较快或者复杂的运动时，无法实现对机器人的姿态的准确控制。

3、2、在进行机器人的姿态控制时，没进行被动自由度和主动自由度的区分，对于双足机器人来说，其摆动脚、髋关节、膝关节等属于主动自由度，而应用在机器人的上部和下部的被动关节属于被动自由度，其对质心的影响程度和控制方式也不相同，因此若不能进行区分，则有可能导致最终的控制效果无法满足要求。

4、针对上述技术问题，本发明提供了一种双足机器人的动力学建模与控制方法。

技术实现思路

1、为实现本发明目的，本发明采用如下技术方案：

2、根据本发明的一个方面，提供了一种双足机器人的动力学建模与控制方法。

3、一种双足机器人的动力学建模与控制方法，其特征在于，具体包括：刚柔耦合动力学建模与控制器设计，其中所述刚柔耦合动力学建模首先建立基于浮动基座的广义坐标系，将板簧的等效力矩视为外部作用力，并结合支撑脚的足-地约束建立完整的动力学模型，其中所述动力学模型包括对两条腿的主动关节的主动自由度以及被动关节的被动自由度的模型的搭建，所述控制器设计至少将机器人躯干横滚与俯仰角度、质心高度以及摆动脚位置作为控制变量，并基于所述动力学模型对质心高度变化进行补偿控制。

4、在进行动力学建模时，通过对机器人的躯干横滚与俯仰角度的考虑，从而保证机器人在进行较快或者复杂的运动时，同样能够实现对机器人的姿态的准确控制，保证控制的可靠性和精准性。

5、在进行机器人的姿态控制时，通过对被动自由度和主动自由度的区分，从而充分考虑到其对质心的影响程度和控制方式也不相同，进而使得机器人的的控制效果能够满足要求。

6、本发明建立了刚柔耦合双足机器人的完整动力学模型，并基于该动力学模型进行控制器设计，而非采用解耦的控制方法，从而可实现双足机器人姿态、质心高度以及摆动腿等的协同控制。此外，本发明还提供一种针对刚柔耦合双足机器人质心高度变化的补偿控制方法，可有效缓解机器人柔性元件带来的高度影响。

7、另一方面，本申请实施例中提供一种双足机器人控制系统，包括：通信连接的存储器和处理器，以及存储在所述存储器上并能够在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于：所述处理器运行所述计算机程序时执行上述的一种双足机器人的动力学建模与控制方法。

8、另一方面，本发明提供了一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，当所述计算机程序在计算机中执行时，令计算机执行上述的一种双足机器人的动力学建模与控制方法。

9、其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

10、为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

11、其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

12、为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

技术特征：

1.一种双足机器人的动力学建模与控制方法，其特征在于，具体包括：刚柔耦合动力学建模与控制器设计，其中所述刚柔耦合动力学建模首先建立基于浮动基座的广义坐标系，将板簧的等效力矩视为外部作用力，并结合支撑脚的足-地约束建立完整的动力学模型，其中所述动力学模型包括对两条腿的主动关节的主动自由度以及被动关节的被动自由度的模型的搭建，所述控制器设计至少将机器人躯干横滚与俯仰角度、质心高度以及摆动脚位置作为控制变量，并基于所述动力学模型对质心高度变化进行补偿控制。

2.如权利要求1所述的动力学建模与控制方法，其特征在于，所述刚柔耦合动力学建模的具体步骤为:

3.如权利要求2所述的动力学建模与控制方法，其特征在于，所述机器人各板簧的等效力矩为：其中矩阵k为各板簧的刚度，向量为各柔性元件的变形，q为主动关节的主动自由度以及被动关节的自由度构建的向量。

4.如权利要求2所述的动力学建模与控制方法，其特征在于，所述主动关节的主动自由度包括机器人摆动脚各关节自由度、机器人支撑脚各关节自由度、髋关节横滚自由度、髋关节偏航自由度、髋关节俯仰自由度、膝关节俯仰自由度、上踝关节自由度。

5.如权利要求2所述的动力学建模与控制方法，其特征在于，所述基于浮动基座的广义坐标系为上被动关节自由度、 下被动关节自由度。

6.如权利要求1所述的动力学建模与控制方法，其特征在于，所述控制器设计的具体步骤为：

7.如权利要求6所述的动力学建模与控制方法，其特征在于，所述更新控制轨迹包括控制坐标的期望值、期望速度以及期望加速度。

8.如权利要求6所述的动力学建模与控制方法，其特征在于，所述高度补偿量的计算公式为：

9.一种双足机器人控制系统，包括：通信连接的存储器和处理器，以及存储在所述存储器上并能够在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于：所述处理器运行所述计算机程序时执行权利要求1-8任一项所述的一种双足机器人的动力学建模与控制方法。

10.一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，当所述计算机程序在计算机中执行时，令计算机执行权利要求1-8任一项所述的一种双足机器人的动力学建模与控制方法。

技术总结
本发明提供一种双足机器人的动力学建模与控制方法，属于机器人技术领域，具体包括：刚柔耦合动力学建模与控制器设计，其中所述刚柔耦合动力学建模首先建立基于浮动基座的广义坐标系，将板簧的等效力矩视为外部作用力，并结合支撑脚的足‑地约束建立完整的动力学模型，其中所述动力学模型包括对两条腿的主动关节的主动自由度以及被动关节的被动自由度的模型的搭建，所述控制器设计至少将机器人躯干横滚与俯仰角度、质心高度以及摆动脚位置作为控制变量，并基于所述动力学模型对质心高度变化进行补偿控制，从而进一步提升了双足机器人运动控制的准确性。

技术研发人员：郝云刚,袁海辉,裴雪丹,焦宇飞,陈鹏,谭冉,翟建龙
受保护的技术使用者：五八智能科技（杭州）有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12